密封結(jié)構(gòu)表面表征參數(shù)對低溫密封特性的影響

李海嶙 張 偉 高云琦 司 俊 劉龍飛 索昊圓

(1.航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所 陜西西安 710065； 2.西北工業(yè)大學機電學院 陜西西安 710071)

密封件是現(xiàn)代工業(yè)領域中不可或缺的關鍵組成部分，尤其是在航空航天領域中[1]。以美國大力神II洲際導彈為例，其上一共使用了340多種材質(zhì)的橡膠密封件，密封位置達900多處，并且?guī)缀醵继幱陉P鍵部位[2]。航空航天產(chǎn)品上的密封件通常工作在極其惡劣的環(huán)境下，要經(jīng)受高低溫、鹽霧、霉菌惡劣環(huán)境等的考驗，因此密封件的穩(wěn)定性和安全性直接關系到航空航天裝備的服役可靠性和壽命。然而，從實際應該過程中得出密封結(jié)構(gòu)主要的問題是密封泄漏，該問題也引起了研究人員的極大關注[3]。

張妙恬和李德才[4]對航空作動器中常用的斯特封結(jié)構(gòu)進行了參數(shù)化分析，為往復密封圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。楊敏等人[5]通過ANSYS Workbench軟件建立了2種密封圈的仿真模型，并探討了介質(zhì)壓力、壓縮率、接觸的摩擦因數(shù)對伺服液壓缸密封性能的影響。蘇衍均[6]根據(jù)密封圈接觸應力及等效應力云圖對密封圈、活塞溝槽尺寸及材料硬度等進行了優(yōu)化仿真，試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后密封圈使用效果得到了較大程度改善。LI等[7]用大型有限元分析程序MARC對聚四氟乙烯旋轉(zhuǎn)密封進行了有限元分析，得出了不同溫度情況下密封件的力學性能，并進行了實驗驗證。劉媛媛等[8]對低溫下密封圈的回彈性能進行了研究。顧鋮璋[9]對深冷環(huán)境下橡膠密封的力學性能進行了研究，結(jié)果表明，聚酰亞胺粉改性低苯基硅橡膠密封在超低溫下的密封性能較好。張國淵等[10]對低溫、低黏度潤滑介質(zhì)下的機械密封運轉(zhuǎn)性能進行了分析，并對關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化。李小芬和葉小強[11]采用ANSYS分析了彈簧蓄能密封圈在常溫和低溫下的應力變化，并通過試驗驗證了仿真分析結(jié)果。樊智敏等[12]針對密封環(huán)接觸面之間的潤滑問題，對不同織構(gòu)參數(shù)、不同粗糙度參數(shù)下潤滑膜壓力大小及分布情況進行了研究。目前，密封研究主要集中在密封結(jié)構(gòu)設計、密封件本身的研究上，缺少對密封結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的深入研究。

本文作者針對某航空液壓作動器在低溫環(huán)境下易發(fā)生潤滑油滲漏的問題，以活塞/襯套組件為對象，設計了低溫試驗方案，對密封結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量進行了表征，研究了密封結(jié)構(gòu)表面評價指標對低溫密封性能的影響規(guī)律，得出了能提高該產(chǎn)品低溫密封性能的有效方法。

1 問題的提出

航空用液壓制動器是航空裝備中的關鍵零部件，尤其是旋轉(zhuǎn)類作動器的核心部件，其安全可靠工作是保證飛行安全的前提。液壓作動器的工作原理如圖1所示，液壓制動器中包含了活塞、襯套、靜摩擦盤、動摩擦盤、彈簧、密封圈等零件，襯套和靜摩擦盤安裝在液壓殼體內(nèi)，活塞安裝在襯套中，動摩擦盤通過花鍵與傳動軸連接，彈簧安裝在活塞內(nèi)部。

圖1 液壓制動器原理

正常工作情況下，液壓油從殼體中流入襯套的環(huán)槽中，再由襯套上的油路孔流入活塞的環(huán)槽中，在壓力的作用下推動活塞克服彈簧力運動，從而使靜摩擦盤和動摩擦盤分開，傳動軸正常轉(zhuǎn)動。在非工作情況下，切斷液壓源，活塞則在彈簧的回復力下運動，活塞擠壓動摩擦盤，動摩擦盤與靜摩擦盤接觸，從而使傳動軸制動。

液壓制動器由于工作在極端苛刻的環(huán)境中，其面臨的主要問題為低溫密封失效，即發(fā)生液壓油滲漏。液壓油滲漏一方面會造成機上環(huán)境的污染，增加地勤維修工作的難度；另一方面，液壓油的滲漏也可能會影響到機上其他產(chǎn)品的可靠工作，甚至導致液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

現(xiàn)有液壓產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)設計時通常用表面輪廓的算術平均偏差Ra來表征密封結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量，相應的密封標準[13]中也僅僅是給出了Ra的設計參考值。然而，在實際產(chǎn)品的使用過程中，發(fā)現(xiàn)在極端苛刻的環(huán)境下，如低溫-55 ℃，即使嚴格遵守相應的標準也不能得到理想的密封使用效果。在實際生產(chǎn)過程中，發(fā)現(xiàn)對密封表面進行拋光處理后，會有效改善低溫密封性能。然而，拋光是個定性的工藝過程，沒有定量的指標進行約束，導致低溫密封特性的穩(wěn)定性較差。

除了Ra外，零件表面質(zhì)量的表征參數(shù)還包括了Rp和Rz，示意圖見圖2。Ra為表面輪廓的算術平均偏差，即在取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術平均值；Rp為輪廓最大峰值，即一個取樣長度內(nèi)相對于平均線的最大峰值；Rz為表面輪廓的最大高度，即輪廓峰頂線和谷底線之間的距離[14]。即使Ra值相同，零件表面幾何形貌的差異也會有很大差異，對結(jié)構(gòu)的密封性能產(chǎn)生不同的影響，見圖3。

圖2 不同表面質(zhì)量表征參數(shù)示意

圖3 相同Ra下的零件表面質(zhì)量對比示意

因此，本文作者將從產(chǎn)品設計的角度研究影響液壓制動器低溫密封特性的表面質(zhì)量因素，分析了Ra、Rp和Rz等表面質(zhì)量參數(shù)對密封特性的影響規(guī)律，給出指導密封結(jié)構(gòu)設計的一般性結(jié)論，從而保證產(chǎn)品在極端環(huán)境下仍具有良好的密封特性。

2 試驗方案

研究對象為某航空裝備中液壓制動器中的活塞/襯套組件，其外形如圖4所示?；钊?襯套一共有四處密封：①和②為靜密封，③和④為動密封。密封結(jié)構(gòu)見表1。

圖4 活塞/襯套組件

表1 活塞/襯套密封結(jié)構(gòu)

試驗流程見圖5。在開始試驗之前，對零件密封表面的Ra、Rp和Rz等參數(shù)進行測量并記錄。同一位置，每隔90°測量一組數(shù)據(jù)，共測量四組平行數(shù)據(jù),測量方案如圖6所示。低溫試驗時，零件先在-55 ℃條件下保溫2 h，再在28 MPa油液壓力下啟動活塞，使其往復運動50次，觀測活塞/襯套組件是否出現(xiàn)滲漏。若沒有發(fā)生滲漏，說明密封性能良好，試驗結(jié)束；反之，對活塞/襯套的密封表面進行拋光處理，重復該試驗。

圖5 試驗流程

圖6 測量位置示意

3 試驗結(jié)果

3.1 原始設計狀態(tài)下的低溫密封情況

原始設計狀態(tài)下對密封件表面質(zhì)量的要求為Ra0.8 μm。

對原始設計狀態(tài)下的12件活塞/襯套組件進行低溫試驗，原始設計狀態(tài)下的12件活塞/襯套中僅有3件通過低溫試驗，9件出現(xiàn)低溫滲漏，低溫試驗通過率為25%。

3.2 返修拋光后的低溫密封情況

圖7所示為某編號活塞/襯套組件返修拋光前后的表面數(shù)據(jù)對比?？梢钥闯?，返修拋光后產(chǎn)品密封表面的Ra、Rp和Rz指標大幅降低，并且6個測量位置處的表面質(zhì)量數(shù)據(jù)分散性更小。

從圖7(a)中還可以看出，原始設計狀態(tài)下的產(chǎn)品表面質(zhì)量滿足指標Ra0.8 μm的要求，但Rp卻達到1.2 μm，Rz達到3.0 μm，見圖7(b)和(c)。即使Ra相同，其Rz和Rp的不同也會導致不同的密封效果。

圖7 某編號活塞/襯套組件返修前后表面數(shù)據(jù)對比

對34件活塞/襯套組件進行了返修拋光處理，經(jīng)過低溫試驗，發(fā)現(xiàn)共有27件活塞/襯套通過低溫試驗，7件發(fā)生了低溫滲漏，低溫試驗通過率為79.4%。

通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，相比于原始設計狀態(tài)下的低溫密封情況，返修拋光工藝能有效改善活塞/襯套的低溫密封特性。

4 分析討論

為進一步確定影響活塞/襯套組件低溫密封性能的關鍵因素，現(xiàn)對34組活塞/襯套組件的Rp、Rz數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，見圖8和圖9，其中藍色標注為低溫試驗通過的活塞/襯套組件的計量數(shù)據(jù)，其他顏色標注為低溫試驗滲漏的活塞/襯套組件的計量數(shù)據(jù)。從圖8可以看出，低溫試驗通過的活塞/襯套組件，其Rp的數(shù)值均小于0.7 μm。

圖8 返修后活塞/襯套組件的Rp分布情況

在返修拋光的34件產(chǎn)品中，滿足Rp≤0.7 μm的活塞/襯套組件共有32件，這32件產(chǎn)品中低溫通過數(shù)量為27件，通過率為84.4%；滿足Rp≤0.6 μm的活塞/襯套組件共有29件，其中低溫通過數(shù)量為25件，通過率為86.2%。結(jié)果表明，減小Rp并不能顯著地提高低溫通過率。

從圖9中可以看出，低溫試驗通過的產(chǎn)品其Rz集中分布在1.3 μm以下。返修拋光的產(chǎn)品中，滿足Rz≤1.3 μm的活塞/襯套組件共有29件，其中低溫試驗通過數(shù)量為26件，通過率為89.7%；然而，滿足Rz≤1.0 μm的活塞/襯套組件共有11件，其中低溫試驗通過數(shù)量為11件，通過率為100%。結(jié)果表明，降低Rz能顯著提高低溫通過率。需要指出的是，該100%通過率只針對文中的樣本量，當樣本量足夠大時，該值并不能也不可能維持在100%，但一定會趨于某一較高的穩(wěn)定值。

圖9 返修后活塞/襯套組件的Rz分布情況

對不同約束條件下的活塞/襯套組件的低溫試驗通過率進行對比，見圖10。原始設計狀態(tài)下的活塞/襯套組件低溫通過率較低，增加返修拋光工藝后，低溫通過率達到79.4%。然而，返修拋光是個定性的工藝，不同的人，不同的設備，其拋光效果會存在較大差異。因此，需要對拋光工藝進行定量約束。在Rp0.7 μm約束條件下，低溫通過率為84.4%；在Rz1.3 μm約束下，低溫通過率為89.7%；針對文中的樣本量，在Rz1.0 μm約束下，低溫通過率可達到100%。

因此，為了能更好地保證活塞/襯套組件在低溫環(huán)境下的密封性能，需對現(xiàn)有的密封結(jié)構(gòu)設計方法進行優(yōu)化。傳統(tǒng)的Ra表征方法不能很好地適應極端苛刻環(huán)境下密封結(jié)構(gòu)的使用需求，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)Rz和Rp都能更好地表征和約束密封結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量，其中Rz更加嚴格。

圖10 不同約束條件下的低溫試驗通過率

5 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)Ra指標約束下的密封表面不能完全滿足液壓制動器低溫密封要求。相比于Ra，Rz和Rp都更好地表征和約束密封結(jié)構(gòu)的表面加工質(zhì)量，采用Rz和Rp指標約束能顯著提高密封結(jié)構(gòu)的低溫密封性能。

(2)試驗中通過統(tǒng)計得到,Rz≤1.3 μm時活塞/襯套組件的低溫密封通過率為89.7%。在實際設計過程中，建議對該指標稍微加嚴，推薦使用Rz≤1.0 μm。

(3)建議在密封結(jié)構(gòu)設計時采用Rz指標來約束密封表面質(zhì)量，而不是傳統(tǒng)的Ra指標。