一種油箱氣囊的失效機理分析與優(yōu)化研究

顧建軍， 黃民昌， 陶 鍵， 李興勇， 杜方輝

(上海航天控制技術(shù)研究所， 上海 201109)

引言

作為液壓系統(tǒng)中不可或缺的一種液壓輔助元件，某裝備油箱的工作性能決定了該裝備液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性，而油箱的工作性能完全取決于工作于其內(nèi)部的氣囊的工作性能。與氣囊式蓄能器工作原理一致，工作于油箱內(nèi)部的氣囊的主要功能是將油箱中氣體與液體相隔并將氣體膨脹所產(chǎn)生的氣體壓力能轉(zhuǎn)化成液壓流體的液壓能，功能轉(zhuǎn)換原理易于實現(xiàn)，并可吸收一定的壓力脈動[1-3]，廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域閉式液壓系統(tǒng)中。

油箱與蓄能器內(nèi)部氣囊的壽命直接決定了油箱與蓄能器的工作壽命，從而決定了整個液壓系統(tǒng)的工作壽命。氣囊的壽命主要通過其耐油性能與氣密性能指標予以考核評價，耐油性能與氣密性能不佳將影響閉式液壓系統(tǒng)中液壓油工作介質(zhì)的正常流動，降低部分液壓元件的工作壽命，嚴重時將導(dǎo)致整個液壓系統(tǒng)無法正常穩(wěn)定工作，因此，不斷提升油箱與蓄能器內(nèi)部氣囊的耐油性能與氣密性能已經(jīng)成為目前閉式液壓系統(tǒng)范疇亟需解決的一項關(guān)鍵問題。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對蓄能器及其內(nèi)部氣囊的應(yīng)用前景[4]、動態(tài)特性[5-7]、疲勞[8-9]、仿真分析[10-12]等方面展開研究，但對如何優(yōu)化提升性能方面的研究相對較少。本研究主要針對某裝備油箱內(nèi)氣囊耐油性能與氣密性能不佳的情況，從氣囊的模具設(shè)計與生產(chǎn)工藝過程兩方面展開優(yōu)化研究，并通過相應(yīng)專項性能實驗予以驗證。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

如圖1所示，裝備油箱組件主要由油箱、氣囊、托盤、彈簧、密封圈等零件組成。

圖1 油箱組件結(jié)構(gòu)原理圖

通過對裝備閉式液壓系統(tǒng)中油箱內(nèi)部的氣囊充以一定壓力的氮氣使之膨脹伸長并壓縮彈簧，在彈簧的彈力作用下與閉式液壓系統(tǒng)的液體壓力作用下達到新的壓力平衡狀態(tài)，氣囊的軸向位移達到穩(wěn)定，閉式液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生一定量的初始壓力，形成正壓系統(tǒng)，將油箱中的液壓油工作介質(zhì)通過油箱底部的管路接頭擠壓出去，此時氣囊以膨脹伸長的狀態(tài)浸泡在液壓油中；當氣囊內(nèi)的氮氣釋放后，氣囊在彈簧彈力的作用下回到初始位置，此時氣囊以自然收縮的狀態(tài)浸泡在液壓油中，達到保護氣囊的效果。

油箱中的液壓油工作介質(zhì)在新的壓力平衡狀態(tài)下通過油箱底部管路接頭經(jīng)液壓管路、冷卻器、粗油濾到達柱塞泵的吸油口，經(jīng)精油濾、液壓管路等液壓元件與被測產(chǎn)品液壓系統(tǒng)相通。此外在裝備液壓系統(tǒng)輔助油路中設(shè)置了蓄能器、壓力繼電器、溫度繼電器、溢流閥、電磁閥等液壓元件，達到保護裝備與被測產(chǎn)品液壓系統(tǒng)的作用。

在氣囊膨脹擠壓液壓油作用下，柱塞泵的工作模式由自吸油模式變?yōu)閴毫┯湍Ｊ?，極大改善了柱塞泵的工作環(huán)境，延長了柱塞泵的工作壽命，提升了裝備閉式液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

2 失效機理分析

當氣囊耐油性能與氣密性能不佳，即出現(xiàn)滲油與漏氣情況時，將會造成裝備閉式液壓系統(tǒng)壓力下降，供油不足且達不到規(guī)定流量要求從而造成被測產(chǎn)品測試不通過的現(xiàn)象以及柱塞泵自吸現(xiàn)象的發(fā)生，降低柱塞泵工作可靠性與壽命；同時造成液壓系統(tǒng)液壓油工作介質(zhì)中混有氣體，出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象，損害液壓元件，造成裝備液壓系統(tǒng)無法正常穩(wěn)定工作。

通過解剖大量故障氣囊進行故障分析，得出以下結(jié)論：

(1) 故障氣囊內(nèi)、外表面存在眾多分模線，氣囊反復(fù)充放氣過程中分模線附近容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易出現(xiàn)裂紋，存在滲油隱患。經(jīng)分析，氣囊內(nèi)外表面分模線眾多屬于模具設(shè)計問題，因此，對氣囊模具進行優(yōu)化設(shè)計，從設(shè)計源頭將分模線數(shù)量降到最低，有助于提升氣囊耐油性能與氣密性能，從而提升裝備液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性；

(2) 故障氣囊外觀質(zhì)量上普遍存在不同程度的缺膠、氣泡、雜質(zhì)等缺陷，為滲油薄弱點，氣囊長時間處于充氣膨脹狀態(tài)并浸泡于液壓油工作介質(zhì)中時上述薄弱點處存在滲油隱患。因此，優(yōu)化氣囊的生產(chǎn)工藝過程，避免缺膠、氣泡、雜質(zhì)缺陷的出現(xiàn)，有助于提升氣囊的耐油性能與氣密性能，從而提升裝備液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性。

3 改進措施

針對上述機理分析出的分模線與缺膠、氣泡、雜質(zhì)等滲油隱患點，重點對氣囊模具設(shè)計和生產(chǎn)工藝過程兩方面進行了優(yōu)化改進研究。

3.1 模具優(yōu)化設(shè)計

氣囊二維尺寸如圖2所示。

氣囊的模具主要由上模具、下模具與模芯模具組成，上、下模具為分體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，模芯模具分為分瓣式與一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計。

分瓣式模芯結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，將模芯設(shè)計成5塊獨立結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，尺寸精度要求高，不易控制。

如圖4所示，采用分瓣式模芯模具加工得到的氣囊內(nèi)、外表面均有眾多分模線，底部易出現(xiàn)裂紋， 且局

圖2 氣囊二維尺寸圖

圖3 分瓣式模芯結(jié)構(gòu)模具示意圖

圖4 氣囊表面質(zhì)量圖

部存在壁厚不均勻現(xiàn)象，屬于分瓣式模芯模具固有問題。對長期浸泡于液壓油工作介質(zhì)中的氣囊進行頻繁的充放氣過程中容易引起分模線處應(yīng)力集中現(xiàn)象，增加滲油隱患，導(dǎo)致裝備液壓系統(tǒng)無法正常穩(wěn)定工作。修剪氣囊內(nèi)、外表面分模線處的飛邊過程中很容易劃傷產(chǎn)品，造成缺膠，導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)效率與合格率低下，因此，亟需對氣囊分瓣式模芯模具進行優(yōu)化設(shè)計。

如圖5所示，將分瓣式模芯優(yōu)化設(shè)計成一體式模芯結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，易于控制，可靠度高，既解決了分瓣式模芯造成的分模線眾多與壁厚不均勻的問題，又消除了分瓣式模芯在硫化過程中因壓力較大導(dǎo)致產(chǎn)品底部接縫處出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。上、下模具起模后，通過一體式模芯中間設(shè)計的充氣道充氣使氣體聚集于氣囊底部，產(chǎn)生的氣壓使氣囊逐漸脫離模芯并實現(xiàn)最終脫模。

圖5 一體式模芯結(jié)構(gòu)模具示意圖

如圖6所示，采取一體式模芯加工出的氣囊產(chǎn)品外觀質(zhì)量得到極大改善，表面光滑，無缺膠、裂紋，壁厚均勻，且分模線數(shù)量降低至2條，飛邊修剪難度降低，提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率與合格率。

3.2 生產(chǎn)工藝過程優(yōu)化

由分瓣式模芯模具優(yōu)化設(shè)計成一體式模芯模具后，結(jié)合氣囊試生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的啃模、卷氣起泡、脫模撕裂等生產(chǎn)現(xiàn)象，制定了相應(yīng)的工藝優(yōu)化措施，通過嚴格控制裝膠量、半成品規(guī)格、 硫化等生產(chǎn)工藝過程，

圖6 氣囊表面質(zhì)量圖

提升氣囊耐油性能與氣密性能， 具體生產(chǎn)工藝過程優(yōu)化措施如下所述：

(1) 優(yōu)化擠出口型設(shè)計，直接擠出V形膠條，嚴格控制氣囊上、下模具與模芯之間間隙處的裝膠量；

(2) 通過對合格的膠料補充增加篩選過濾過程，保證氣囊膠料的均勻性；

(3) 通過嚴格控制氣囊半成品的尺寸規(guī)格與重量，防止產(chǎn)品抽邊和膠量過?，F(xiàn)象發(fā)生；

(4) 半成品進入硫化工藝過程前，先通過低溫定型工藝去除膠邊，然后再升高溫度進行硫化處理；

(5) 優(yōu)化啟模工裝，細化充氣脫模工藝流程。

4 試驗與工程應(yīng)用情況

通過油箱組件上的接頭，外接一精密壓力表，用于監(jiān)測氣囊中N2壓力，其余管路接頭均用堵頭堵住，形成密閉油箱系統(tǒng)，用于對優(yōu)化后的氣囊進行氣密性能和耐油性能專項性能驗證試驗，試驗內(nèi)容如下所述。

4.1 氣密性能試驗

如圖1所示，對油箱組件中的氣囊分別充以0.2, 0.3, 0.4 MPa的N2，并分別保持3 d， 2 d與1 d，保持期滿后，檢查油箱組件精密壓力表，壓降應(yīng)小于0.02 MPa，檢查氣囊表面應(yīng)無肉眼可分辨出的裂紋、破損、穿孔現(xiàn)象，試驗情況見表1。

4.2 耐油性能試驗

如圖1所示，對油箱組件中的氣囊內(nèi)腔加注液壓油，保持10 d后檢查氣囊外表面質(zhì)量，應(yīng)無油漬；在對氣囊進行氣密性試驗后，放掉氣囊內(nèi)部氣體，打開油箱組件上蓋，觀察氣囊內(nèi)表面，應(yīng)無油漬現(xiàn)象，試驗情況見表2。

4.3 工程應(yīng)用情況

根據(jù)歷年裝備技保售后服務(wù)統(tǒng)計顯示，交付各地的百余套裝備在使用新氣囊后的近3年實際工程應(yīng)用中，裝備性能穩(wěn)定可靠，至今未出現(xiàn)過因氣囊問題導(dǎo)致的裝備故障現(xiàn)象發(fā)生。相比于之前舊氣囊平均1年不到的使用壽命，優(yōu)化后氣囊的壽命得到倍數(shù)增加，極大提升了裝備液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性，降低了人力、物力等技保售后服務(wù)成本，取得了優(yōu)質(zhì)成效。

表1 氣密性能試驗情況表

表2 耐油性能試驗情況表

5 結(jié)論

作為液壓系統(tǒng)輔助元件油箱中的重要組成部分，氣囊的耐油性能與氣密性能直接影響到裝備閉式液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性與可靠性，嚴重時將引起液壓元件損壞，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法正常工作。本研究主要針對某裝備油箱內(nèi)氣囊耐油性能與氣密性能不佳的情況，從氣囊的模具設(shè)計與生產(chǎn)工藝過程兩方面展開優(yōu)化研究，得出有效提升氣囊耐油性能與氣密性能的具體措施，通過專項性能實驗驗證與實際工程應(yīng)用表明優(yōu)化措施有效，產(chǎn)品性能得到極大提升，在實際工程應(yīng)用中取得了優(yōu)質(zhì)成效。