液壓系統(tǒng)靜密封結(jié)構(gòu)漏油故障分析

祖揮程，王舒，何磊

（國營蕪湖機(jī)械廠 機(jī)電部，安徽 蕪湖 241007）

0 引言

液壓系統(tǒng)的執(zhí)行部件液壓缸主要用來完成往復(fù)直線運動，控制執(zhí)行相關(guān)動作。液壓缸在往復(fù)運動較長時間后會在活塞桿端部出現(xiàn)滲油，滲油嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致液壓系統(tǒng)泄壓。一般滲油部位為靜密封配合[1]。飛機(jī)在高空飛行過程中，液壓缸在低溫環(huán)境下易出現(xiàn)該故障。目前國內(nèi)外研究主要集中在密封圈有限元理論分析，研究結(jié)果顯示：無油壓作用時，當(dāng)壓縮量增大、間隙減小時，密封圈的各應(yīng)力隨之增大；在不同壓力載荷下，密封圈存在一個最優(yōu)的壓縮量，既能有效密封，又可使密封圈本體盡可能小、改善應(yīng)力疲勞。但試驗驗證相關(guān)的研究較少，對實際工作指導(dǎo)性差。

本研究通過理論計算分析，不同尺寸O形密封圈制造，低溫試驗驗證等方式，提出漏油故障直接原因和有效改進(jìn)措施，以解決液壓缸漏油問題，提高飛行安全水平，為防止類似現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生提供重要依據(jù)[2]。

1 漏油故障因素分析

對液壓缸在試驗臺上進(jìn)行常溫密封性試驗，在高壓下保持3 min、靜壓保持 2 h，未發(fā)現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象（圖1a）。為進(jìn)一步驗證故障現(xiàn)象，模擬工作中極端環(huán)境，對液壓缸進(jìn)行低溫試驗，在?55 ℃環(huán)境中，高壓下保持 3 min、靜壓保持 2 h，檢查產(chǎn)品密封性，發(fā)現(xiàn)液壓缸后端襯套密封處出現(xiàn)不同程度油液聚集現(xiàn)象，故障復(fù)現(xiàn)（圖1b）。

圖1 密封性試驗結(jié)果Fig.1 Sealing test results

1.1 密封原理分析

液壓缸主要由活塞桿、襯套、筒體、滑塊、接管嘴和帽蓋等組成。當(dāng)對液壓缸進(jìn)油管嘴供壓時，在油壓作用下，活塞桿收縮進(jìn)液壓缸；當(dāng)對液壓缸放出管嘴供壓時，活塞桿在油壓作用下放出。液壓缸滲漏部位密封結(jié)構(gòu)見圖2，A處密封圈用于活塞桿處活動密封，B處為后端筒體處靜密封。此次滲油是液壓缸內(nèi)部油液通過靜密封部位B后滲漏至外部，此處密封圈為O型密封圈。

圖2 密封結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Seal structure drawing

1.2 密封圈分析

O型密封圈裝入密封槽后，其截面因承受接觸壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生彈性形變，對接觸面產(chǎn)生一定的不均勻的初始接觸密封壓力。即使沒有介質(zhì)壓力或者壓力很小，密封圈靠自身彈力作用也能實現(xiàn)密封。當(dāng)容腔內(nèi)充入有壓力的介質(zhì)后，在壓力作用下，密封圈沿作用力方向移動，移向低壓端，并改變其截面形狀，填充和封閉密封間隙[3]。此時，作用于密封副耦合面的接觸壓力上升，并大大增強密封效果，實現(xiàn)無泄漏密封。這種靠介質(zhì)本身壓力來改變密封圈接觸狀態(tài)，使之實現(xiàn)密封的性質(zhì)，稱為自密封作用。實踐證明，這種自密封可以起到很好的防泄漏作用[4]。

密封圈在密封使用過程屬于靜密封形式，密封過程見圖3。

圖3 密封示意圖Fig.3 Seal diagram

在溫度為?55 ℃時，丁腈橡膠含電負(fù)性較強的腈基（－CN），故耐熱性較好，而低溫性、彈性較差。此時密封圈主要靠對軸的抱緊力進(jìn)行密封，若密封圈截面壓縮后與外筒內(nèi)壁平齊，橡膠低溫收縮后與軸存在間隙[5]，導(dǎo)致出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。

對液壓缸進(jìn)一步分解檢查發(fā)現(xiàn)，外筒、襯套零件表面狀態(tài)良好，無毛刺、劃傷等現(xiàn)象，A處密封圈及氟塑料圈未發(fā)現(xiàn)有剪切、扭曲的現(xiàn)象，B處襯套固定部位密封圈無扭曲、剪切等損傷，排除密封圈、筒體缺陷及安裝不當(dāng)因素影響。對各種可能的原因列出故障樹，如圖4所示。

圖4 故障樹分析Fig.4 Fault tree analysis

因此，O型密封圈密封效果的影響因素主要包括壓縮率、槽寬、密封圈硬度。壓縮率是指完成裝配后密封圈被壓縮的程度，槽寬是指密封圈壓縮時橫向可容納的空間，密封圈硬度較大時變形和低溫收縮均較小[6]。

1.3 壓縮率計算

經(jīng)查HB/Z 4—1995《O型密封圈及密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求》中相關(guān)要求，密封結(jié)構(gòu)的密封性是由密封圈與被密封表面間的接觸壓力（壓縮）來達(dá)到的。正確的計算與選擇壓縮率是保證密封性的重要因素[7]。同時，根據(jù)密封性質(zhì)選擇不同的壓縮率，詳見表1。

表1 壓縮率分布表Table 1 Compressibility distribution table %

為保證密封性能，密封圈一般都有拉伸變形。密封圈的拉伸率為：

式中：D1為槽的公稱直徑，D為密封圈的公稱內(nèi)徑，d為密封圈的截面公稱直徑。

密封圈在拉伸變形后，截面直徑d在徑向方向減小，呈橢圓形（圖5），壓縮率Y為：

圖5 軸溝槽密封形式Fig.5 Shaft groove sealing form

式中：r為橢圓短軸與槽深的差值，h為槽深，b為橢圓短軸。

橢圓的長短軸可按式（3）、式（4）計算。

對圖2中B處滲漏部位的密封圈壓縮率進(jìn)行檢查，根據(jù)壓縮率公式計算截面直徑d及對應(yīng)的壓縮率Y（表2）。

表2 密封圈截面直徑與壓縮率Table 2 Sealing ring cross section diameter d and compression rate

若是考慮孔、軸的配合偏差，截面直徑3.5 mm密封圈的實際壓縮率僅是16.90%（裝配同心位置，如有不同心，其局部壓縮率減小[8]）。按航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求固定密封壓縮率為18%~22%，截面直徑為3.5 mm的壓縮率密封性較差，而故障產(chǎn)品該部位密封圈截面直徑多為3.5~3.6 mm，密封性能較差。而截面直徑為3.7 mm的密封圈壓縮率較好，且密封性能較好，因此通過增大O形橡膠密封圈截面直徑可有效提高低溫壓縮率，進(jìn)而改進(jìn)漏油故障。

1.4 密封槽寬度

密封槽的寬度非常重要，密封槽太寬，則限制不了保護(hù)圈的傾斜，失去保護(hù)作用且會增加空行程；密封槽太窄，則會產(chǎn)生很大的摩擦力。根據(jù)HB/Z 4—1995，密封圈的理論槽寬Bt計算公式為：

式中，K為槽寬系數(shù)。取K=1.2，d=3.6 mm時，理論槽寬Bt=4.4 mm。

實際允許槽寬B為：

式中，W為氟塑料圈寬度，L為密封圈與槽側(cè)隙。取W=1.0 mm，L=0.3~0.6 mm，計算得B=5.7~6.0 mm。

現(xiàn)襯套密封槽寬為6.2 mm，比允許槽寬B大0.2~0.5 mm，密封圈槽的寬度較寬，密封效果較差，因此需要增大密封圈壓縮率（通過加大密封圈截面直徑實現(xiàn)）。

根據(jù)以上壓縮率和槽寬計算可知，截面直徑3.5、3.6 mm對應(yīng)壓縮率的密封效果不理想，實際槽寬比設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)大0.2~0.5 mm會進(jìn)一步降低密封圈壓縮率，密封效果進(jìn)一步下降。

1.5 密封圈硬度分析

測量失效密封圈和新密封圈的橡膠國際硬度分別為IRHD 74、76，兩種密封圈硬度基本相同，經(jīng)查詢相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知，該硬度值符合標(biāo)準(zhǔn)要求[9]。

2 密封圈有限元仿真分析

在安裝O形橡膠密封圈時，密封圈的接觸應(yīng)力不足會導(dǎo)致密封失效，接觸應(yīng)力過大將造成表面裂紋，引起深層次的破裂。通過對密封圈不同壓縮量的應(yīng)力分析，可為密封改進(jìn)提供理論支撐。

密封圈材料為丁腈橡膠，采用Mooney-Rivlin模型構(gòu)建材料參數(shù)，其中，丁腈橡膠彈性模量E為14 MPa，泊松比μ為 0.499。根據(jù)對稱性，三維密封圈有限元模型可簡化為二維平面有限元模型[10]（圖6）。

圖6 平面有限元模型Fig.6 Plane finite element model

由于密封圈槽以及活塞桿的材料硬度遠(yuǎn)高于密封圈，因此不考慮其形變，設(shè)定其為解析剛體[11]。完全固定密封圈槽，使活塞桿向下位移，直至二者間隙達(dá)到規(guī)定極值0.015 mm，分析此時密封圈應(yīng)力。

選取密封圈截面直徑分別為3.5、3.6、3.7、3.8 mm進(jìn)行應(yīng)力分析，不同壓縮量下密封圈內(nèi)部Von Mises應(yīng)力呈啞鈴狀（圖7）。根據(jù)有限元分析結(jié)果可知，截面直徑越大，內(nèi)部等效應(yīng)力σ、接觸壓應(yīng)力p越大，密封圈的密封效果越好[12]（圖8）。

圖7 有限元仿真分析結(jié)果Fig.7 Finite element simulation analysis results

圖8 等效應(yīng)力和接觸壓應(yīng)力對比Fig.8 Comparison of equivalent stress and contact compressive stress

3 試驗驗證

選取8件截面直徑為3.7~3.8 mm的密封圈安裝于作動筒，密封圈外徑為44.9~45.2 mm、內(nèi)徑為37.4~37.6 mm，并進(jìn)行低溫密封性試驗、常溫密封性試驗、磨合試驗。

在環(huán)境和工作液初始溫度處于?(60±3) ℃，以液體柱H=2 m向液壓作動筒的2個管嘴供給壓力，并在壓力狀態(tài)下保持3 h，檢查外部密封性。試驗如圖9所示。

圖9 低溫試驗Fig.9 Low temperature

常溫試驗：在 27.4 MPa 壓力下保持 3 min，在19.6 kPa 壓力下保持 2 h，均未發(fā)現(xiàn)滲漏油現(xiàn)象。

磨合試驗：利用試驗臺進(jìn)行磨合，磨合時供(27.4±0.49) MPa壓力，使活塞桿組件完成 100 次雙行程，每經(jīng)25次循環(huán)，將活塞桿組件旋轉(zhuǎn)90°，檢查外部密封性和分解檢查情況。

通過以上試驗，均未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1） 液壓缸低溫滲油故障原因是O形橡膠密封圈截面直徑為3.5、3.6 mm時，尺寸偏下限。

2） 截面直徑為3.7 mm的O形橡膠密封圈密封性能較好，通過增大O形橡膠密封圈截面直徑可有效提高低溫下壓縮率，進(jìn)而改進(jìn)漏油故障。

3）低溫環(huán)境下密封圈收縮率大于金屬結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致密封圈壓縮率不足，密封圈與外筒間出現(xiàn)間隙，引起滲漏。