某飛機(jī)液壓油箱漏油故障研究

張 垚 溫育明 王 山

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心 四川成都 610092)

液壓油箱在飛機(jī)液壓系統(tǒng)中用于儲(chǔ)存液壓油，為液壓泵提供具有一定增壓壓力的液壓油，此外還具有散發(fā)油液熱量，沉淀雜質(zhì)和溢出空氣等功能[1-2]。液壓油箱是液壓系統(tǒng)不可或缺的部件之一，其性能的好壞直接關(guān)系到飛機(jī)液壓系統(tǒng)能否正常工作[3]。

為杜絕外界的空氣、水和污染微粒直接進(jìn)入系統(tǒng)的可能性，實(shí)現(xiàn)液壓油箱油氣隔離，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外高性能飛機(jī)使用的液壓油箱普遍為隔離式增壓油箱[4-6]。某型飛機(jī)也根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)計(jì)有彈簧增壓隔離式液壓油箱。但是，該飛機(jī)液壓油箱裝機(jī)工作尚不到10次循環(huán)時(shí)，即出現(xiàn)液壓油泄漏故障。油液泄漏不但影響系統(tǒng)的工作效率，嚴(yán)重時(shí)還可能危及飛行安全。本文作者針對(duì)液壓油箱泄漏故障，基于液壓油箱工作原理和故障現(xiàn)象，對(duì)可能導(dǎo)致故障的因素進(jìn)行逐一分析，定位了故障原因，并針對(duì)性地提出了改進(jìn)措施，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)以驗(yàn)證改進(jìn)效果[7-8]。

1 液壓油箱工作原理及故障現(xiàn)象

圖1所示為某型飛機(jī)液壓油箱的結(jié)構(gòu)。液壓油箱主要由前端蓋、后端蓋、殼體、活塞、增壓彈簧以及3個(gè)管嘴組成?；钊麑⒁簤河拖鋬?nèi)腔分為左側(cè)增壓腔和右側(cè)油液貯存腔，同時(shí)活塞會(huì)隨油液貯存腔中油液多少在液壓油箱內(nèi)腔中往復(fù)運(yùn)動(dòng)。左側(cè)增壓腔中在后端蓋和活塞間布置增壓彈簧，用于給油液貯存腔中的液壓油提供增壓壓力。

圖1 液壓油箱結(jié)構(gòu)

圖2所示為活塞局部剖面圖，活塞兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有一個(gè)導(dǎo)向環(huán)槽，用于安裝導(dǎo)向環(huán)，以便活塞在油箱殼體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有2個(gè)密封槽，用于安裝密封圈(每個(gè)密封圈兩側(cè)均設(shè)計(jì)有保護(hù)圈)，實(shí)現(xiàn)液壓油的密封。

圖2 活塞局部剖面

液壓油箱漏油故障發(fā)生時(shí)，工作尚不到10次循環(huán)。將液壓油箱從飛機(jī)上拆下，向油箱內(nèi)注入一定量液壓油，保壓過程中，油液增壓壓力緩慢下降，且后端蓋處存在明顯滴油現(xiàn)象,如圖3所示。

圖3 漏油的液壓油箱

分解液壓油箱，發(fā)現(xiàn)油箱殼體及活塞的配合面上未出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，但是安裝在活塞上的2個(gè)密封圈均扭轉(zhuǎn)斷裂，進(jìn)而導(dǎo)致液壓油箱漏油。圖4所示為扭轉(zhuǎn)斷裂的密封圈。液壓油箱的其他零部件均未見損傷。

圖4 扭轉(zhuǎn)斷裂的密封圈

2 故障原因分析

通過分解液壓油箱，判定造成液壓油箱漏油的直接原因?yàn)榛钊幟芊馊嗔?。結(jié)合液壓油箱工作原理，造成密封圈斷裂的可能原因主要有4類，即異物劃傷、加工原因、裝配原因和設(shè)計(jì)原因。

2.1 異物劃傷

若液壓油箱中進(jìn)入異物，可能劃傷密封圈表面，致使密封圈在工作過程中長(zhǎng)時(shí)間擠壓造成斷裂[9]。分解液壓油箱，檢查油箱殼體內(nèi)壁和活塞表面等配合處，發(fā)現(xiàn)各表面均完好，無異物劃傷痕跡。此外，使用清潔汽油清洗液壓油箱零件，檢查清洗后的汽油，同樣未發(fā)現(xiàn)異物。因此，排除異物劃傷這一可能的故障原因。

2.2 加工原因

加工引起的尺寸超差也可能影響密封圈的使用，導(dǎo)致其發(fā)生斷裂故障[10]。影響密封圈的主要尺寸有殼體內(nèi)孔尺寸和活塞尺寸，經(jīng)測(cè)量，發(fā)生故障的液壓油箱殼體內(nèi)孔和活塞主要尺寸分別如表1和表2所示。

表1 殼體內(nèi)孔主要尺寸

表2 活塞主要尺寸

表1和表2結(jié)果顯示，活塞主要尺寸滿足要求，但是殼體內(nèi)孔圓柱度和粗糙度不合格。殼體的內(nèi)孔與活塞配合的理論單邊最小間隙為0.04 mm，內(nèi)孔圓柱度為0.037 mm時(shí)不影響活塞在殼體內(nèi)靈活滑動(dòng)，也不會(huì)影響密封圈的正常工作。殼體內(nèi)表面粗糙度為0.72 mm，使用該件殼體裝配為組件，測(cè)試組件性能，滿足使用要求；檢查密封圈，未出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，故確定殼體內(nèi)孔粗糙度為0.72 mm并不是密封圈斷裂的主要原因。因此殼體內(nèi)孔圓柱度和粗糙度加工超差的因素可以排除。

2.3 裝配原因

密封圈的規(guī)格為φ110 mm×4 mm，由于密封圈直徑較大，整體剛度差，在實(shí)際的安裝過程中密封圈會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。若未及時(shí)糾正密封圈的安裝形式，在實(shí)際工作中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，密封圈密封形式發(fā)生變化，密封圈受力不均，可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品工作一段時(shí)間后密封圈因扭轉(zhuǎn)疲勞而發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂。因此，裝配因素可能是導(dǎo)致密封圈斷裂的因素之一。

2.4 設(shè)計(jì)原因

涉及液壓油箱活塞處密封的設(shè)計(jì)性因素共有4個(gè)方面，即密封圈的拉伸率及壓縮率，密封圈的材料及尺寸，密封槽的設(shè)計(jì)，保護(hù)圈的設(shè)計(jì)[11]。

2.4.1 密封圈的拉伸率及壓縮率

密封結(jié)構(gòu)的密封性，是由密封圈與被密封表面的接觸壓力來實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)品的拉伸率及壓縮率按航標(biāo)HB/Z 4—95進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)值與航標(biāo)對(duì)比見表3[12-14]。對(duì)比結(jié)果顯示，密封圈拉伸率和壓縮率的設(shè)計(jì)滿足要求。

表3 密封圈的拉伸率及壓縮率

2.4.2 密封圈材料及尺寸

液壓油箱活塞密封圈內(nèi)徑D為(110±0.5) mm，密封圈截面直徑d為(4±0.2) mm。D/d值為26.1～29.1。對(duì)比圖5所示航標(biāo)HB/Z 4—95要求的d與D/d關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)密封圈選取的比值過大，不滿足航標(biāo)要求；且密封圈的材料為氟硅橡膠FS6265，硬度偏軟，致使密封圈整體剛度不夠，導(dǎo)致密封圈在工作過程中容易扭轉(zhuǎn)，長(zhǎng)時(shí)間工作后容易造成斷裂[15]。另密封圈截面直徑d公差設(shè)計(jì)值為±0.2 mm，超過HB/Z 4—95要求的(-0.10～+0.15) mm。因此密封圈的尺寸和材料選擇不當(dāng)是造成密封圈斷裂的主要因素之一。

圖5 航標(biāo)要求的d與D/d關(guān)系曲線

2.4.3 密封槽的設(shè)計(jì)

按航標(biāo)要求，活動(dòng)密封的槽寬系數(shù)應(yīng)為1.15～1.25，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)密封槽寬為8 mm，除去密封圈兩側(cè)1.5 mm寬的保護(hù)圈，實(shí)際用于固定密封圈的寬度為5 mm。密封圈截面直徑為4 mm，則槽寬系數(shù)為1.25，槽寬系數(shù)偏大。液壓油箱工作時(shí)，活塞在快速響應(yīng)時(shí)，密封圈在間隙中可能會(huì)出現(xiàn)翻滾，導(dǎo)致密封圈扭轉(zhuǎn)疲勞出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)斷裂。因此，密封槽尺寸選擇過大也是造成密封圈斷裂的主要因素之一。

2.4.4 保護(hù)圈的設(shè)計(jì)

保護(hù)圈材料為聚四氟乙烯，按航標(biāo)HB 4—58要求，當(dāng)保護(hù)圈外徑大于100 mm時(shí)，保護(hù)圈厚度應(yīng)不小于1.5 mm[16]。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)保護(hù)圈厚度選取1.5 mm，滿足要求。

2.5 故障定位

經(jīng)過對(duì)故障樹的分析，確認(rèn)故障發(fā)生的機(jī)制為：由于密封槽寬度偏大，當(dāng)密封圈在密封槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，易發(fā)生翻滾現(xiàn)象；同時(shí)，密封圈內(nèi)徑與截面直徑比值偏大，且密封圈材料偏軟，造成密封圈剛度不足，致使密封圈多次翻滾后產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)斷裂，進(jìn)而發(fā)生液壓油箱漏油故障。

3 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

3.1 改進(jìn)措施

針對(duì)液壓油箱漏油的故障原因，提出兩項(xiàng)改進(jìn)措施，即改進(jìn)密封圈和密封槽。

對(duì)于密封圈，重新選取丁腈橡膠5176S密封圈代替氟硅橡膠FS6265密封圈。5176S密封圈相對(duì)較硬，具有更高的剛度性能。同時(shí)，參考類似產(chǎn)品，適當(dāng)增大密封圈尺寸，將密封圈尺寸由φ110 mm×4 mm更改為φ110.5 mm×5.3 mm。此外嚴(yán)格控制密封圈截面直徑d的設(shè)計(jì)公差，將公差由±0.2 mm更改為±0.1 mm。密封圈改進(jìn)后，其D/d值為20.8，滿足圖5所示的航標(biāo)要求。此外，考慮密封圈尺寸有所增大，故將配套保護(hù)圈厚度由1.5 mm調(diào)整為1.85 mm。

對(duì)于密封槽，考慮密封圈截面直徑為5.3 mm，左右兩側(cè)的保護(hù)圈厚度合計(jì)3.7 mm，密封圈直徑與2個(gè)保護(hù)圈厚度共8.8 mm，為適當(dāng)降低密封槽的槽寬系數(shù)，故將密封槽寬由8 mm更改為10.2 mm。密封槽的槽寬更改為10.2 mm后，除去保護(hù)圈厚度，實(shí)際用于固定密封圈的槽寬為6.5 mm，則槽寬系數(shù)為1.22，滿足航標(biāo)的要求。此外還適應(yīng)性地更改了密封槽直徑。

密封圈和密封槽改進(jìn)設(shè)計(jì)前后，其主要尺寸對(duì)比見表4。

表4 密封圈和密封槽尺寸更改情況

3.2 驗(yàn)證情況

改進(jìn)措施執(zhí)行到位后，搭建圖6所示液壓油箱耐久性試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)主要由液壓油箱、電磁閥、液壓泵、壓力表以及3個(gè)作為負(fù)載的作動(dòng)筒組成。液壓油箱向液壓泵供油，液壓泵經(jīng)電磁閥向作動(dòng)筒提供高壓液壓油，推動(dòng)作動(dòng)筒往復(fù)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)2 000次工作循環(huán)，液壓油箱無泄漏，且油箱增壓壓力滿足系統(tǒng)要求。分解液壓油箱，經(jīng)檢查，密封圈和活塞等零部件均完整無損。由此可見，各項(xiàng)改進(jìn)措施有效，液壓油箱漏油故障消除。

圖6 液壓油箱耐久性試驗(yàn)臺(tái)

4 結(jié)論

針對(duì)某飛機(jī)液壓油箱漏油的故障，基于液壓油箱工作原理和使用環(huán)境確定了可能的故障原因。對(duì)可能的故障原因進(jìn)行分析，確認(rèn)液壓油箱漏油的原因?yàn)榛钊芊獠蹖挾绕螅瑫r(shí)密封圈材料及尺寸選擇不當(dāng)，致使密封圈剛度不足，在密封槽中多次翻滾后產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)斷裂。針對(duì)漏油故障原因，采取了重新設(shè)計(jì)密封圈和密封槽的改進(jìn)措施。經(jīng)耐久性試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)措施有效，故障消除。對(duì)于液壓油箱漏油故障的分析與改進(jìn)，有助于類似產(chǎn)品進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。