油氣彈簧密封失效分析

徐夢(mèng)巖，杜甫，高曉東，萬(wàn)義強(qiáng)，聶 維

（中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072）

由于油氣彈簧往復(fù)工作運(yùn)動(dòng)頻繁且伴有很大沖擊，因此對(duì)密封的可靠性提出了很高的要求，密封的性能直接影響整個(gè)懸架系統(tǒng)的性能，油氣彈簧密封件的壽命問(wèn)題是設(shè)計(jì)人員經(jīng)常遇到的難題，成為國(guó)內(nèi)外研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 常用密封件的結(jié)構(gòu)形式及其密封作用

1.1 結(jié)構(gòu)形式

目前，油氣彈簧中常用液壓密封件按密封結(jié)合面之間是否具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可分為靜密封件和動(dòng)密封件。若密封結(jié)合面之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么其使用的密封件稱為往動(dòng)密封件。若密封結(jié)合面之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么稱為靜密封件[1]。

1.2 密封作用

常用液壓密封件的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，其密封作用也基本相似，都是通過(guò)液壓密封件本身（橡膠、塑料、軟質(zhì)金屬材料）的彈性、塑性或彈塑性變形對(duì)密封表面產(chǎn)生較高的初始接觸應(yīng)力，阻止液體的泄漏。當(dāng)液壓系統(tǒng)工作時(shí)，壓力液體最大限度地?cái)D壓其密封唇部，使之進(jìn)一步緊貼密封表面而產(chǎn)生較高的隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應(yīng)力，結(jié)果附加接觸應(yīng)力與初始接觸應(yīng)力一起共同阻止壓力液體的泄漏。這就是常用液壓密封件的密封作用。

2 密封設(shè)計(jì)依據(jù)

關(guān)于密封件的設(shè)計(jì)，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)較多，比如涉及膠料的有GJB 250A-1996《耐液壓油和燃油丁腈橡膠膠料規(guī)范》、HG/T 2579-2008《普通液壓系統(tǒng)用O形橡膠密封圈材料》；涉及結(jié)構(gòu)尺寸的有GB /T 3452．1-2005《液壓氣動(dòng)用O 形橡膠密封圈第1部分：尺寸系列和公差》、GB /T 2879-2005《液壓缸活塞和活塞桿密封溝槽尺寸和公差》、GB /T 10708《往復(fù)運(yùn)動(dòng)橡膠密封圈結(jié)構(gòu)尺寸系列》、JB /ZQ 4224-97《O形橡膠密封圈》。

3 密封的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 壓縮率的計(jì)算

溝槽密封密封圈的壓縮率是指O形圈截面在溝槽中被壓縮距離與自然狀態(tài)下O形圈截面直徑之比值。壓縮率太小起不到密封效果，壓縮率過(guò)大則O形圈最大接觸應(yīng)力隨之增大，加速表面摩擦損傷，壓縮率過(guò)大時(shí)也會(huì)因壓縮應(yīng)力的作用而容易產(chǎn)生橡膠的永久變形，從而導(dǎo)致密封失效。壓縮率ε通常用下式表示[2]：

式中，d 為O形圈在自由狀態(tài)下的截面直徑；t 為O形圈槽底與被密封表面的距離，見(jiàn)圖1。

圖1 密封圈在溝槽中的位置

3.2 預(yù)壓縮率的計(jì)算

對(duì)于活塞桿密封，O形圈的外徑尺寸（R1+2 R2）應(yīng)大于活塞桿溝槽槽底直徑R0。預(yù)壓縮率δ的計(jì)算表達(dá)式為：

式中，R1為O形圈的內(nèi)徑；R2為O形圈截面直徑；R0為活塞桿溝槽槽底直徑，見(jiàn)圖2。

圖2 活塞桿密封結(jié)構(gòu)形式

4 密封失效原因及失效形式

4.1 密封失效原因

①密封圈不能得到充分潤(rùn)滑；②液壓油選用不合理；③密封溝槽設(shè)計(jì)不合理，加工精度差；④裝配時(shí)造成的密封件的損壞[2]。

4.2 失效形式

4.2.1 密封溝槽的影響

由式（1）、式（2）可知，O形圈的壓縮量和預(yù)壓縮量制約著密封溝槽的尺寸，在工程實(shí)際中，O形圈是有不同序列的，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)系統(tǒng)所承載的最大壓力來(lái)選定密封圈，根據(jù)選用密封圈的參數(shù)計(jì)算出密封溝槽的結(jié)構(gòu)尺寸。

密封溝槽設(shè)計(jì)尺寸不合理，當(dāng)密封間隙過(guò)大，O形圈超過(guò)其自身的壓縮量時(shí)，會(huì)引起密封圈與滑動(dòng)摩擦面間的壓緊力增大，導(dǎo)致O形圈與滑動(dòng)摩擦面間很難形成油膜，引起O形圈的損壞。密封間隙過(guò)小，O形圈裝入密封溝槽后，其橫截面產(chǎn)生壓縮變形小，即O形圈與滑動(dòng)面的接觸寬度變小，會(huì)使密封能夠承受的壓力變小。如圖3所示，接觸寬度與密封承受的壓力成正比[3]。

圖3 接觸寬度隨壓力變化曲線

溝槽槽底的粗糙度，也會(huì)引起密封的失效。溝槽槽底粗糙，O形圈與槽底接觸面易發(fā)生磨損，引起O形圈早期磨損失效。溝槽槽底過(guò)于光滑，可能會(huì)引起氣體的泄露。

4.2.2 密封圈材料與液壓油的影響

由于油氣懸掛裝置廣泛應(yīng)用于履帶裝甲車輛，其使用環(huán)境也及其惡劣，既有-40℃以下的寒區(qū)適應(yīng)性試驗(yàn)，也有40℃以上的熱區(qū)適應(yīng)性試驗(yàn)，因此對(duì)密封圈及選取的液壓油有嚴(yán)格要求。目前市場(chǎng)上的普通密封圈的使用范圍在-40℃～120℃，基本已經(jīng)滿足密封圈的使用溫度范圍。因此，液壓油的選取會(huì)對(duì)油氣彈簧的性能產(chǎn)生直接影響。

目前市場(chǎng)上提供的液壓油品種眾多，以目前我們常用的幾種型號(hào)來(lái)說(shuō)明液壓油對(duì)密封可能造成哪些影響。46號(hào)抗磨液壓油：在-43℃時(shí)油液成凝固狀態(tài)，不能為密封圈提供潤(rùn)滑，造成密封圈與缸筒干摩擦，加速密封圈的老化。10號(hào)航空液壓油：10號(hào)航空液壓油是一款低溫用油，在低溫環(huán)境下性能良好，當(dāng)液壓油溫度超過(guò)80℃，液壓油粘度只有4.66mm2/s，對(duì)密封圈同樣起不到潤(rùn)滑作用，造成密封損傷見(jiàn)圖4。

圖4 臺(tái)架試驗(yàn)X型圈損傷

4.2.3 密封圈受熱后硬化和氧化

圖5為油氣彈簧浮動(dòng)活塞截面圖，在浮動(dòng)活塞上布置有兩道高壓組合密封，一道是靠近油側(cè)的斯特封，用于密封缸筒中的高壓油介質(zhì)，另一道是靠近氣側(cè)的AQ封，用于密封氣室中的高壓惰性氣體，防止氮?dú)庑孤┻M(jìn)入油缸出現(xiàn)油氣混合現(xiàn)象。當(dāng)浮動(dòng)活塞在缸體做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于斯特封和X型圈對(duì)液壓油均有密封作用，導(dǎo)致靠近氣室一側(cè)的X型圈得到的潤(rùn)滑程度比靠近油室側(cè)差，在實(shí)際試驗(yàn)中可以明顯看出該側(cè)X型圈及聚四氟乙烯基體磨損程度更加嚴(yán)重。

圖5 浮動(dòng)活塞組合密封截面視圖

4.2.4 安裝過(guò)程中密封圈的損壞

在裝配過(guò)程中，密封溝槽上的棱角或?qū)氲牡菇窃O(shè)計(jì)加工不合理，安裝時(shí)沒(méi)有涂抹潤(rùn)滑油，都能夠使密封圈被尖銳的刃口切傷、發(fā)生扭曲或卡住，表面產(chǎn)生凸起或凹痕、起皮或剝落現(xiàn)象。

5 結(jié)論

密封圈失效導(dǎo)致泄露的原因有很多，本文分析了由于密封圈的自身設(shè)計(jì)因素、零件加工因素以及裝配因素導(dǎo)致失效的原因，在以后設(shè)計(jì)、選取密封圈時(shí)應(yīng)該注意到以下方面：①選擇合理的密封圈壓縮率，根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境，控制密封間隙和配合尺寸公差；②對(duì)密封圈材料進(jìn)行研究，在原有材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行材料改進(jìn)，并采用高精度模具，提高O形圈的硬度，減小拉伸和壓縮永久變形；③提高零件加工精度，改進(jìn)裝配工藝。