石 峰,黃立新
(1.海軍裝備部,湖南 長(zhǎng)沙 410004;2.中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司,湖南 長(zhǎng)沙 410203)
超音速火焰噴涂(HVOF)是利用液體或氣體燃料在高壓氧氣或空氣中燃燒產(chǎn)生的高溫和高壓,融化金屬或金屬粉末并將其噴射附著于基體表面形成保護(hù)涂層的工藝。由于火焰噴射涂層附著力強(qiáng),具有良好的耐磨和耐蝕性能,目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備及其零部件的表面和接觸面防護(hù)[1-3]。
某飛機(jī)起落架由緩沖器、搖臂組件和機(jī)輪等組成,其緩沖器具有吸收著陸能量、控制著陸載荷、提供適當(dāng)?shù)膭偠燃白枘岱乐箼C(jī)體發(fā)生共振等功能,緩沖器活塞桿表面采用WC-10Co超音速火焰噴涂處理,以增強(qiáng)桿體耐磨耐腐蝕性。根據(jù)緩沖器承載要求,緩沖器支撐套與活塞桿間采用外部活動(dòng)Ⅱ型密封,起落架工作時(shí),活塞桿與外筒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),兩道密封環(huán)起密封和導(dǎo)向作用(見圖1)。
圖1 緩沖器結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)設(shè)計(jì)要求,該起落架應(yīng)在試驗(yàn)臺(tái)上完成累計(jì)15 000次疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行到8 000余次時(shí),緩沖器支撐套與外筒之間出現(xiàn)滲油。經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn),安裝在支撐套內(nèi)起密封和導(dǎo)向作用的2個(gè)O型密封圈均發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂(見圖2),造成支撐套與活塞桿之間密封失效,內(nèi)部油液呈黑紅色,且含有較多密封圈膠的顆粒粉末,其余零件未現(xiàn)損傷。
a) 分解后支撐套 b) 分解后O型密封圈
進(jìn)一步分解緩沖器各零部件,對(duì)活塞桿、支撐套、外筒的結(jié)構(gòu)尺寸、幾何公差以及密封圈的物理特性進(jìn)行復(fù)查,復(fù)查結(jié)果見表1,均符合要求。
表1 專項(xiàng)檢查結(jié)果
在航空標(biāo)準(zhǔn)中,沒(méi)有對(duì)表面為超音速火焰噴涂層的粗糙度提出要求,通過(guò)故障現(xiàn)象以及查閱相關(guān)技術(shù)資料進(jìn)行分析,認(rèn)為活塞桿外表面火焰噴涂層表面粗糙度Ra0.4 μm偏大,且由于超音速火焰噴涂層表面致密,不能形成類似鍍鉻層的微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)儲(chǔ)油[4-5],因此無(wú)法在活塞桿與密封圈的接觸面形成油膜層,是造成本次密封圈磨損、扭轉(zhuǎn)斷裂以致密封失效漏油的主要原因。
基于上述分析,為減小密封圈與活塞桿外表面的摩擦力,對(duì)耐久落震試驗(yàn)件進(jìn)行優(yōu)化:1)將活塞桿表面超音速火焰噴涂層粗糙度由Ra0.4 μm優(yōu)化為Ra0.1 μm;2)增加可注入潤(rùn)滑脂的注油嘴并改進(jìn)支撐環(huán)。
起落架裝配并試驗(yàn)合格后,再次安裝到試驗(yàn)臺(tái)開展試驗(yàn),當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到3 000余次時(shí),緩沖器支撐套與外筒間又出現(xiàn)漏油。再次分解檢查發(fā)現(xiàn),安裝在支撐套中的2個(gè)O型密封圈再次發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂,出現(xiàn)漏油(見圖3),其余零件未見損傷。
a) 分解后支撐套 b) 分解后O型密封圈
由于前次漏油故障中對(duì)緩沖器密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化,本次重點(diǎn)從主要零件結(jié)構(gòu)尺寸、O型密封圈性能符合性和密封結(jié)構(gòu)合理性等方面,對(duì)可能造成密封圈扭轉(zhuǎn)斷裂的原因進(jìn)行分析,并擴(kuò)大尺寸檢查范圍。對(duì)活塞桿、支撐套、外筒的結(jié)構(gòu)尺寸、幾何公差以及密封圈的物理特性進(jìn)行檢查,均符合要求。
在模擬起落架工作的疲勞試驗(yàn)中,由于機(jī)輪對(duì)緩沖器活塞桿產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)力矩[6],且PTFE材料的支撐環(huán)硬度偏低,目前支撐套內(nèi)孔與活塞桿之間配合間隙0.05~0.40 mm的要求(實(shí)測(cè)為0.26~0.29 mm)上偏差大,可能造成O型密封圈被擠入活塞桿與支撐套間的縫隙而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)斷裂(見圖4)。第1次故障時(shí)采取的減小活塞桿表面火焰噴涂層粗糙度,有利于減小活塞桿與密封圈之間的摩擦力,但由于密封圈壓縮率偏大,內(nèi)側(cè)密封圈與活塞桿火焰噴涂層結(jié)合緊密,相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)刮油能力強(qiáng),加之火焰噴涂層存油能力弱,導(dǎo)致外側(cè)密封圈與活塞桿之間幾無(wú)潤(rùn)滑,易造成外側(cè)密封圈首先發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂。外側(cè)密封圈斷裂后,緩沖器活塞桿與外筒間平衡被破壞,抗偏載能力下降,內(nèi)側(cè)密封圈工作環(huán)境惡化,繼而導(dǎo)致斷裂。從前2次故障密封圈斷裂情況也印證了這一分析:外側(cè)密封圈往往碎裂成多段,內(nèi)側(cè)密封圈較為完整。根據(jù)航空標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)要求小摩擦力的活動(dòng)密封,且用多個(gè)并排密封圈進(jìn)行密封時(shí),允許減少壓縮率[7-8]。
圖4 O型密封圈被擠入縫隙示意圖
基于上述分析,對(duì)起落架進(jìn)行如下優(yōu)化。
1)減小支撐套內(nèi)孔直徑0.2 mm,降低支撐套與活塞桿之間間隙。
2)外側(cè)密封圈支撐套溝槽直徑增大0.1 mm,使外側(cè)密封圈壓縮率由20.4%降為19.2%。
3)在支撐套內(nèi)、外2個(gè)密封溝槽間增設(shè)4個(gè)存油槽,增強(qiáng)潤(rùn)滑。
4)因注油嘴改善潤(rùn)滑作用不明顯,取消注油嘴系統(tǒng)。
起落架復(fù)裝后,繼續(xù)開展疲勞試驗(yàn),當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到11 000余次時(shí),漏油再次出現(xiàn)。經(jīng)分解檢查,發(fā)現(xiàn)支撐套內(nèi)O型密封圈再次出現(xiàn)扭斷(見圖5),與前2次相比,本次密封圈損壞較輕,未出現(xiàn)斷裂成多段的現(xiàn)象。
圖5 第3次漏油故障密封圈
針對(duì)緩沖器3次發(fā)生O型密封圈扭斷而導(dǎo)致的密封失效和漏油問(wèn)題,對(duì)比分析其他采用HOVF密封設(shè)計(jì)起落架和同類型密封結(jié)構(gòu),由于3次漏油故障對(duì)密封圈物理性能的復(fù)查均合格,認(rèn)為所使用的標(biāo)準(zhǔn)O型密封圈膠料物理性能不能滿足使用要求。密封圈與火焰噴涂層摩擦力偏大問(wèn)題有所緩解,但仍存在,需進(jìn)一步降低密封圈壓縮量,減小摩擦力[9]。
對(duì)緩沖器裝配過(guò)程進(jìn)行排查,由于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度原因,活塞桿圓柱與耳片過(guò)渡處無(wú)法加工成大角度倒角圓錐面,只能加工成R2圓棱,在安裝支撐套時(shí),支撐套內(nèi)的O型密封圈應(yīng)經(jīng)過(guò)R2圓棱,若無(wú)導(dǎo)向工裝輔助O型密封圈平順滑過(guò)R2圓棱,O型密封圈可能發(fā)生初始扭轉(zhuǎn)或損傷(見圖6)。
圖6 支撐套與活塞桿配合安裝示意圖
綜合分析,導(dǎo)致密封圈再次斷裂的原因主要有3個(gè):一是密封圈與活塞桿火焰噴涂表面摩擦力仍較大;二是使用標(biāo)準(zhǔn)性能的密封圈難以滿足載荷要求;三是裝配過(guò)程中可能使密封圈產(chǎn)生初始扭轉(zhuǎn)或損傷,惡劣的工作環(huán)境使損傷快速擴(kuò)大。
基于上述分析,對(duì)起落架緩沖器再次進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)一步降低O型密封圈壓縮率并提高密封圈物理特性,增加裝配導(dǎo)向工裝,具體如下。
1)增大內(nèi)、外側(cè)密封圈支撐套溝槽直徑,降低密封圈壓縮量,外側(cè)密封圈壓縮量由19.2%降低為13.6%,內(nèi)側(cè)密封圈壓縮量由20.4%降低為18.1%。
2)支撐環(huán)厚度增加0.5 mm,提高其硬度。
3)更換航標(biāo)O型密封圈為高特性密封圈,使抗拉強(qiáng)度不小于15 MPa,扯斷伸長(zhǎng)率不低于180%,邵氏硬度為(77±5) HA。
4)優(yōu)化裝配工藝,增加支撐套安裝導(dǎo)向工裝,降低O型密封圈在通過(guò)R2圓棱時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)或損傷的可能。
復(fù)裝后在試驗(yàn)臺(tái)架上重新試驗(yàn),試驗(yàn)順利完成,未出現(xiàn)漏油問(wèn)題,故障排除。
由于超音速火焰噴涂在國(guó)內(nèi)起落架設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用較少,相關(guān)數(shù)據(jù)積累不足,通過(guò)對(duì)本次故障的分析與解決,積累了超音速火焰噴涂工藝應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[10-11]:相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有各類型密封方式密封圈壓縮量參考值,但當(dāng)出現(xiàn)類似超音速火焰噴涂等新表面處理工藝導(dǎo)致條件變化時(shí),需要充分考慮其帶來(lái)的影響,在參考值的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整實(shí)際值;由于超音速火焰噴涂層無(wú)類似鍍鉻層的微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),存油能力弱,使得涂層密封運(yùn)動(dòng)面潤(rùn)滑條件差,摩擦力增大,當(dāng)密封能力不足時(shí),提高密封材料性能是可行的方法;密封活動(dòng)結(jié)構(gòu)O型密封圈對(duì)初始安裝損傷或扭轉(zhuǎn)較為敏感,在安裝中應(yīng)采取措施防止損傷和扭轉(zhuǎn)。