某型空氣渦輪起動機石墨密封失效故障分析

王 波

(空裝駐南京地區(qū)第三軍事代表室，江蘇 南京 211106)

1 故障描述

某型空氣渦輪起動機(以下簡稱起動機)安裝于飛機的附件機匣，其功能是將引氣內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能，輸出軸功率起動飛機發(fā)動機。該起動機隨飛機進行地面試車時發(fā)生滑油泄漏故障，外觀檢查發(fā)現(xiàn)起動機的渦輪排氣位置處有滑油漏出，機務(wù)人員判斷起動機發(fā)生漏油故障，產(chǎn)品返廠檢查。

除了漏油，起動機外觀無異常，連接處的緊固件無松動，轉(zhuǎn)子可正常轉(zhuǎn)動。對故障產(chǎn)品進行密封試驗：加注滑油，施加規(guī)定壓力，保持30 min。當(dāng)試驗壓力增加到規(guī)定值時，滑油從渦輪密封端漏出，故障復(fù)現(xiàn)。

2 故障定位

渦輪轉(zhuǎn)子附近存在4處密封，其中3處為密封圈(靜密封)，1處為石墨密封組件[1](動密封)，如圖1所示。

圖1 渦輪附近的4處密封

分解起動機渦輪組件，目視檢查三個密封圈，未見異常破損及老化現(xiàn)象；檢查石墨密封組件的動環(huán)與石墨環(huán)，接觸面磨損均勻，動環(huán)接觸面上環(huán)帶均勻可見，未發(fā)現(xiàn)異常磨損痕跡，檢查波形彈簧也未見異常，如圖2所示。

圖2 密封圈和石墨密封部件等零部件

依次單獨更換密封圈1、密封圈2和密封圈3，對起動機進行密封試驗，未施加壓力，靜置約2 min后，均發(fā)現(xiàn)起動機渦輪附近有滑油滲出，故障復(fù)現(xiàn)，因此可排除3個密封圈失效導(dǎo)致起動機漏油的情況。更換石墨密封組件，將起動機重新裝配并進行密封試驗，施加規(guī)定壓力，保持30 min，未發(fā)現(xiàn)渦輪附近有滑油滲漏，因此初步將故障原因定位在石墨密封組件。對石墨密封組件進行部件試驗，發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)與動環(huán)密封面之間出現(xiàn)泄漏，其余地方無泄漏，目視可觀測到石墨環(huán)端面與密封動環(huán)接觸后仍有縫隙，達不到密封要求。將石墨密封組件放置在水平臺上，使用百分表檢測石墨環(huán)密封面的跳動量，檢測結(jié)果表明沿著石墨環(huán)圓周方向，最高點和最低點相差0.15 mm，超出合格范圍，且最高點和最低點相差約180°，示意圖見圖3。

圖3 石墨環(huán)和動環(huán)接觸示意圖

以上檢查結(jié)果表明，起動機渦輪處漏油的原因是石墨密封組件的石墨環(huán)與密封動環(huán)未完全貼合，兩者間存在間隙，無法實現(xiàn)密封。

3 機理及故障原因分析

按照石墨環(huán)與密封動環(huán)不貼合的故障樹[2-4]，使用環(huán)境超限、密封面不平或歪斜、密封面損傷等問題均可能導(dǎo)致該故障發(fā)生，詳見圖4。

圖4 石墨環(huán)與密封動環(huán)不貼合故障樹

根據(jù)石墨密封組件的設(shè)計要求，石墨密封組件允許的最高轉(zhuǎn)速為40000 r/min，環(huán)境溫度為-55～+200 ℃，內(nèi)外壓差為0.17 MPa，外場使用條件未超出許用設(shè)計范圍，排除使用環(huán)境超限因素；石墨環(huán)材質(zhì)為浸制石墨，具有一定柔性和彈性，對石墨環(huán)進行常溫至+200 ℃高溫[5]的溫度循環(huán)試驗，試驗后石墨環(huán)未見變形，排除零件變形因素；對環(huán)座內(nèi)徑、平行度、相關(guān)配合尺寸，石墨環(huán)外徑、高度進行計量，未發(fā)現(xiàn)超差，排除零件尺寸超差因素；模擬零件未洗干凈、環(huán)座溝槽內(nèi)空氣未排凈、部分扇面未涂密封膠，密封膠固化溫度過高、密封膠固化溫度過低、石墨環(huán)未鑲嵌到底等鑲嵌工藝問題，只有扇面未被密封膠全部覆蓋、密封膠固化溫度超標(biāo)和環(huán)座溝槽內(nèi)空氣未排凈可引發(fā)石墨環(huán)裝配歪斜，經(jīng)分解檢查，故障件石墨環(huán)背面的膠層基本覆蓋整個環(huán)形，排除了部分扇面未涂密封膠的因素。膠層上有完整的環(huán)形紋路，該紋路來自環(huán)座表面的機加工紋路，詳見圖5，證明涂膠及裝配時石墨環(huán)已觸及環(huán)座底部，未鑲嵌到底因素排除，只剩環(huán)座溝槽內(nèi)空氣未排凈因素?zé)o法排除。

圖5 石墨環(huán)底部膠層及環(huán)座檢查照片

圖6 石墨環(huán)與環(huán)座的裝配結(jié)構(gòu)

石墨環(huán)鑲嵌過程：石墨環(huán)與環(huán)座貼合的端面涂抹密封膠，將石墨環(huán)壓入環(huán)座的溝槽中，裝配結(jié)構(gòu)見圖6。

環(huán)座溝槽內(nèi)空氣未排凈有兩種原因，一是密封膠調(diào)配過程中，膠的內(nèi)部存積有空氣，密封膠在調(diào)配后，內(nèi)部空氣較多，需要經(jīng)反復(fù)抽空、攪拌措施進行排除空氣，如有空氣未排凈，在固化后膠的表面會形成氣孔(空氣泡在沖破膠面時會形成空洞)，外觀很差，而故障件翹起部分有膠溢出，但不存在氣孔，未翹起部分膠外觀良好，因此膠內(nèi)部空氣應(yīng)該在調(diào)配過程中已經(jīng)排凈了，因此這一原因可排除掉。二是石墨環(huán)鑲嵌到環(huán)座過程中環(huán)座溝槽內(nèi)有空氣存留，即鑲嵌過程中，環(huán)座溝槽內(nèi)的空氣若恰好被封住，也會造成溝槽內(nèi)空氣存積。經(jīng)試驗檢查，鑲嵌石墨環(huán)前以+270 ℃高溫烘烤環(huán)座，這個溫度下環(huán)座的尺寸大于石墨環(huán)尺寸，石墨環(huán)可以很輕松放入，若環(huán)座溫度不足，則石墨環(huán)會被強行過盈壓入靜環(huán)座，使得溝槽空氣無法完全擠出，會一直存留部分空氣在靜環(huán)座溝槽內(nèi)。鑲嵌后，部件處于余熱狀態(tài)時工人擦掉溢出的膠，但下一步固化時溫度再次升高，溝槽內(nèi)空氣壓力增大，又會將膠擠出，固化完成后石墨環(huán)與環(huán)座配合面處留有擠出的密封膠，故障件的密封膠溢出現(xiàn)象證實了這一推測，見圖7。

圖7 故障件的溢膠現(xiàn)象

結(jié)合石墨環(huán)傾斜的故障樹和密封膠溢出的證據(jù)，檢查鑲嵌工藝，發(fā)現(xiàn)環(huán)座烘烤溫度滿足要求，但烘烤后因鑲嵌用的手壓臺遠離烤箱，實施鑲嵌時環(huán)座溫度已出現(xiàn)下降。最終確定石墨環(huán)傾斜的原因是鑲嵌時環(huán)座溫度不足，石墨環(huán)和環(huán)座裝配時配合面過盈，溝槽內(nèi)空氣未順利排凈。

4 糾正措施及驗證情況

針對故障原因，采取以下糾正措施，改進后試制表明石墨密封組件的加工質(zhì)量得到保證，措施合理可行。

1)調(diào)整工藝布置：將手壓床調(diào)整至烘箱旁，減少鑲嵌時環(huán)座溫降。

2)規(guī)定鑲嵌時間：鑲嵌過程中，對取出石墨環(huán)直至鑲嵌結(jié)束，應(yīng)盡量減少耗時，結(jié)合現(xiàn)場實測，在鑲嵌工藝中增加時間要求：從烘箱中取出環(huán)座并在20秒內(nèi)將石墨環(huán)壓入，過程采用秒表監(jiān)測(從打開烘箱門計時)。

3)鑲嵌檢查

鑲嵌后膠的固化情況，從外觀可以判別內(nèi)部空氣情況，增加固化后膠的外觀檢查內(nèi)容：固化后膠面外觀應(yīng)無氣孔；固化后膠應(yīng)不得高出靜環(huán)座端面(即無溢出)。

5 總結(jié)

通過對故障的排查和分析，確定某型空氣渦輪起動機密封失效的原因是石墨環(huán)鑲嵌時采用熱裝配，因工序耗時長，環(huán)座溫度下降較多，鑲嵌時環(huán)座與石墨環(huán)已過盈配合，槽內(nèi)部分氣體無法從配合面排出，在密封膠固化過程中封存的氣體頂偏石墨環(huán)，偏斜狀態(tài)的石墨密封組件與密封動環(huán)無法貼合，引發(fā)了滑油泄漏。針對故障原因，改進了鑲嵌工藝流程，縮短鑲嵌時間，并增加對膠溢出情況進行檢查，有效防止該類故障再次發(fā)生。