基于ABAQUS的航空泵類產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)滲油分析

王會敏，郭垠昊，楊志武，戚得新，劉建芳

(1.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司；2.陸裝駐洛陽地區(qū)航空軍事代表室,河南 新鄉(xiāng) 4530003；3.西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著我國航空裝備的不斷發(fā)展，機(jī)載航空部件質(zhì)量問題頻發(fā)，逐漸引起生產(chǎn)方與客戶的重視。

在航空眾多系統(tǒng)中，泵類部件作為系統(tǒng)的動力源，其正常工作是系統(tǒng)整體可靠性中關(guān)鍵的一環(huán)。由于泵類產(chǎn)品配套裝備全域氣象環(huán)境、嚴(yán)苛工況環(huán)境等因素，泵類產(chǎn)品在實際使用中，經(jīng)常會出現(xiàn)滲漏問題。當(dāng)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象時，主要是從密封結(jié)構(gòu)尺寸、密封圈表面質(zhì)量等方面進(jìn)行排查，復(fù)查與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一致之處，并通過定性的改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)過重復(fù)的試驗驗證，摸索并確定改進(jìn)措施。此方法為面向工程實際中解決問題的手段，難以從根本上查找漏油原因。

本文針對某型泵類產(chǎn)品漏油問題，在傳統(tǒng)行業(yè)故障分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Abaqus軟件對泵類產(chǎn)品橡膠材料密封圈進(jìn)行分析，查找漏油的根本原因，這一方法為同類型航空泵類部件故障漏油分析提供新的解決思路。

1 產(chǎn)品組成

圖1為某型航空發(fā)動機(jī)燃油系統(tǒng)用齒輪泵。

圖1 齒輪泵結(jié)構(gòu)簡圖

主要由微型齒輪泵、高轉(zhuǎn)速直流電動機(jī)、輸油活門、排氣活門、單向活門、調(diào)壓活門和微動開關(guān)組成。其主要功能，一方面，是將合適流量的燃油增壓后供給給其他零組件；另一方面，當(dāng)油泵停止工作時，防止油氣倒流至油箱。

由于該型齒輪泵涉及的零件眾多，并且電機(jī)轉(zhuǎn)速最高可達(dá)10000r/min，產(chǎn)品有多處需要密封的部位，導(dǎo)致其可能出現(xiàn)滲漏點較多。

2 故障分析

2.1 故障現(xiàn)象

在某次發(fā)動機(jī)試車過程中，發(fā)現(xiàn)該燃油泵出現(xiàn)了漏油故障，漏油位置位于微型泵電機(jī)輸出端結(jié)合面，如圖2所示。

圖2 漏油點結(jié)構(gòu)圖

2.2 故障分析

2.2.1 故障樹分析及原因排查

根據(jù)該型齒輪泵漏油位置結(jié)構(gòu)特點，以漏油問題作為頂事件，建立故障樹。故障底事件為：

（1）軸組件制造偏離X1、X2；（2）泵座制造偏離X3、X4、X5；（3）密封圈制造偏離 X6、X7、X8；（4）彈簧尺寸超差X9；（5）軸向壓緊力超差相關(guān)底事件X10、X11、X12；（6）裝配試驗過程質(zhì)量控制不到位X13；（7）密封零件倒角設(shè)計不合理X14；（8）彈簧彈力設(shè)計不合理X15；（9）密封圈材料選擇不合理X16；（10）主動軸粗糙度設(shè)計不合理X17。

經(jīng)過對故障樹底事件的排查，不能排除的故障底事件為：密封零件倒角設(shè)計不合理X14。

該泵產(chǎn)品有國外樣機(jī)，經(jīng)計量測繪，發(fā)現(xiàn)主動軸處存在一處尺寸與原件不一致。經(jīng)進(jìn)一步分析和試驗驗證，確定此處倒角影響產(chǎn)品密封性。

2.2.2 機(jī)理分析

該型泵的密封結(jié)構(gòu)為平面式動密封（見圖2）。在彈簧力作用下，通過主動軸和泵前座組件壓緊密封圈兩端面進(jìn)行密封，上端面與主動軸貼合，下端面與泵前座孔底面貼合。產(chǎn)品工作時，摩擦副之間存在適當(dāng)間隙，液體滲入間隙，使得密封端有足夠的液膜。由內(nèi)部工作液壓力和彈簧預(yù)緊力形成正壓力，電機(jī)帶動主動軸轉(zhuǎn)動，摩擦副之間的正壓力與液膜張力達(dá)到平衡，使主動軸與密封圈自行貼緊，形成有效密封面。

產(chǎn)品余油孔漏油主要因為泵前座孔底部密封失效。因密封圈外徑與泵前座孔內(nèi)徑為過盈配合，當(dāng)主動軸壓緊密封圈時，主動軸端密封圈被壓縮后無延伸空間，故密封圈外圓部分卷起。主動軸密封面外圓倒角較小時，會與密封圈卷起部分產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致主動軸與密封圈無法完全貼合，當(dāng)產(chǎn)品處于振動的工作環(huán)境中，部分燃油會從泵前座孔與密封圈卷起部分處滲入，由于連續(xù)振動的影響，部分燃油將沿著密封圈與主動軸的間隙處滲出，最終導(dǎo)致漏油孔滲漏。

當(dāng)產(chǎn)品充分磨合后，主動軸與密封圈的干涉位置會減小或消失，密封圈兩端密封面能夠完全壓緊貼合，達(dá)到密封效果，阻斷燃油泄漏。

3 計算分析

主動軸與泵前座組件孔之間的間隙（取極限值），經(jīng)計算如下：

縫隙面積為0.00525mm2，軸向過盈量為0.1mm，軸向間隙量0.4mm，徑向過盈量0.23mm，徑向間隙量為0.191mm。

以軸向尺寸為x軸，以徑向尺寸為y軸，過盈為+，間隙為-，創(chuàng)建二維笛卡爾坐標(biāo)系，見圖3所示。

根據(jù)圖3，橡膠圈的公差變形函數(shù)可寫為f=2x+0.4y+xy。

圖3 坐標(biāo)系

當(dāng)f＞0，橡膠圈開始填充間隙；當(dāng)f＞A，橡膠圈填滿間隙。

求解上述不等式包絡(luò)線，如圖4所示。

圖4 包絡(luò)線示意圖

軸向、徑向配合公差落在紅色包絡(luò)線右側(cè)，表示縫隙被完全填充的概率很大，軸向、徑向配合公差落在黑色包絡(luò)線左側(cè)，表示縫隙未填充的概率很大。

根據(jù)尺寸計算分析，加工出的零件中存在一定概率對縫隙進(jìn)行填充的結(jié)果，進(jìn)而形成密封作用的失效。

4 計算機(jī)仿真分析

4.1 模型簡化

產(chǎn)品對象為橡膠類密封，采用業(yè)界彈性類材料受力分析功能強(qiáng)大的軟件Abaqus，首先對模型進(jìn)行簡化，簡化思路為：（1）依據(jù)密封結(jié)構(gòu)特點將仿真計算模型簡化為軸對稱模型；（2）主動軸、泵前座材料為金屬材料，其彈性模量較橡膠材料大很多，因此，將主動軸、泵前座簡化為解析剛體部件；（3）仿真計算模型右側(cè)添加一個輔助擋圈，避免泵前座上推時將密封圈擠出導(dǎo)致計算終止；（4）密封圈、泵前座增加0.05mm倒圓角，以增加仿真計算模型收斂性。簡化前后的模型如圖5所示。

圖5 密封模型簡化

4.2 密封圈變形分析

4.2.1 連接關(guān)系

在主動軸、輔助擋圈和密封圈之間設(shè)置為摩擦接觸連接關(guān)系，見圖6所示。

圖6 仿真連接關(guān)系設(shè)置

4.2.2 邊界條件

Step1：主動軸、輔助擋圈固定約束，泵前座上推0.02mm，該分析目的是加緊密封圈使接觸關(guān)系生效；Step2：主動軸、泵前座固定約束，輔助擋圈左移0.03mm，該分析目的避免泵前座上推時將密封圈擠出導(dǎo)致計算終止；Step3：主動軸、輔助擋圈固定約束，泵前座上推至保留密封圈真實厚度的位置（密封圈厚度尺寸在公差范圍內(nèi)浮動。

4.2.3 分析結(jié)果

不添加輔助擋圈，泵前軸直接上推，密封圈位移、等效應(yīng)力云圖見圖7?？梢钥闯觯们拜S上推過程中由于摩擦力緣故，導(dǎo)致密封圈擠出，甚至剪斷，仿真分析過程計算終止。添加輔助擋圈，泵前座分步上推，分析結(jié)果如8所示。由結(jié)果可以看出，泵前座上推至密封圈被壓緊狀態(tài)，密封圈存在擠入縫隙的傾向，易導(dǎo)致密封圈的磨損或啃傷風(fēng)險。

圖7 位移及等效應(yīng)力圖（無擋圈，直接上推）

提取泵前座上推過程力，如圖9所示。左側(cè)接觸應(yīng)力為0MPa，處于小縫隙狀態(tài)；右側(cè)接觸應(yīng)力＞0MPa,處于接觸狀態(tài)，密封圈在水平面內(nèi)平直度較差，彈簧力傳遞到右側(cè)成分較大，局部應(yīng)力集中，易造成密封圈磨損風(fēng)險。

圖9 泵前座過程力分析結(jié)果

5 改進(jìn)措施及驗證

5.1 改進(jìn)措施

根據(jù)前節(jié)分析及仿真結(jié)果，提出改進(jìn)措施：

（1）主動軸設(shè)計圖紙倒角R0.1增加公差。

（2）優(yōu)化加工過程，固化砂輪的修正頻次，優(yōu)化倒角R0.1的公差。

圖8 位移及等效應(yīng)力圖（有擋圈，分步上推）

（3）細(xì)化檢驗要求，外磨工序和總檢工序100%使用投影儀測量主動軸倒角的實際值，不允許倒角兩端有翻邊毛刺。

5.2 措施驗證

選取8臺采取改進(jìn)后產(chǎn)品進(jìn)行措施驗證工作。在廠內(nèi)進(jìn)行檢驗試驗，并隨主機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)行5次啟動試驗后，發(fā)現(xiàn)均無漏油現(xiàn)象。

6 結(jié)語

對于機(jī)載部件密封結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)充分利用計算機(jī)仿真、流體力學(xué)分析等分析手段，從泵的工作原理出發(fā)對設(shè)計尺寸、公差配合予以優(yōu)化。

企業(yè)在進(jìn)行設(shè)備的升級改造的同時，應(yīng)把原先生產(chǎn)現(xiàn)場由人工操作積累的成熟的經(jīng)驗方法固化至工藝文件中，避免產(chǎn)品的質(zhì)量波動。對同類型的泵出現(xiàn)的問題不斷歸納總結(jié)成經(jīng)驗教訓(xùn)，在以后的設(shè)計開發(fā)中避免類似問題重復(fù)發(fā)生。