某型液壓泵軸尾密封“過(guò)燒”故障分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

高 飛，徐 光

（海裝駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200083）

某型液壓泵軸尾密封“過(guò)燒”故障分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)

高 飛，徐 光

（海裝駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200083）

某型液壓泵在磨試過(guò)程中出現(xiàn)軸尾漏油故障，檢查發(fā)現(xiàn)密封座、密封環(huán)發(fā)生“過(guò)燒”并磨損。對(duì)該泵的軸尾密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，復(fù)核密封設(shè)計(jì)計(jì)算、產(chǎn)品裝配尺寸鏈，查明該問(wèn)題是由于軸向尺寸鏈中尺寸公差控制不嚴(yán)，導(dǎo)致軸尾處發(fā)生裝配干涉，密封座與密封環(huán)無(wú)法保持彈性貼合狀態(tài)，導(dǎo)致磨合過(guò)程中發(fā)生軸尾漏油。通過(guò)控制尺寸鏈中各尺寸公差，并結(jié)合產(chǎn)品裝配關(guān)系對(duì)尺寸鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提出了合理的改進(jìn)方案。

軸尾漏油；旋轉(zhuǎn)密封；尺寸鏈

0 引言

機(jī)械密封是由一對(duì)或數(shù)對(duì)動(dòng)環(huán)與靜環(huán)組成的平面摩擦副構(gòu)成的密封裝置，依靠彈性構(gòu)件（彈簧或波紋管）和密封介質(zhì)的壓力在旋轉(zhuǎn)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的接觸表面形成適當(dāng)?shù)膲壕o力，使動(dòng)環(huán)與靜環(huán)端面貼合，兩端面之間維持一層極薄的液體膜而達(dá)到密封的目的[1,2]。

液壓泵作為應(yīng)用廣泛的旋轉(zhuǎn)機(jī)械，機(jī)械密封是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的重要組成部分。因此液壓泵需要設(shè)計(jì)合理的機(jī)械密封，以滿(mǎn)足產(chǎn)品的軸尾泄漏量指標(biāo)要求。本文針對(duì)某型號(hào)液壓泵的軸尾漏油問(wèn)題，分析該泵的軸尾密封結(jié)構(gòu)，并制定相應(yīng)的改進(jìn)方案。

1 產(chǎn)品情況

1.1 故障情況

某型液壓泵在磨試（磨合試驗(yàn)）時(shí)發(fā)現(xiàn)軸尾漏油；停車(chē)后分解檢查密封座出現(xiàn)過(guò)燒，同時(shí)密封環(huán)磨損（見(jiàn)圖1、2）。更換新的密封座及密封環(huán)后再次試驗(yàn)，故障重現(xiàn)。

圖1 密封座過(guò)燒

圖2 密封環(huán)磨損

1.2 原軸尾密封結(jié)構(gòu)分析

該泵的原軸尾密封結(jié)構(gòu)于近年進(jìn)行過(guò)設(shè)計(jì)更改，為查找故障原因，先對(duì)原軸尾密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。軸尾密封結(jié)構(gòu)如圖 3所示，其密封實(shí)現(xiàn)形式為：密封環(huán)作為靜環(huán)固定在端蓋處，密封環(huán)與端蓋之間通過(guò)密封圈實(shí)現(xiàn)密封；產(chǎn)品工作時(shí)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)斜盤(pán)旋轉(zhuǎn)，斜盤(pán)與密封座之間通過(guò)彈簧連接。因彈簧兩端帶有扭腳，斜盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)可帶動(dòng)密封座（動(dòng)環(huán)）同向旋轉(zhuǎn)。在軸向方向，密封座受彈簧軸向彈力壓緊密封環(huán)（靜環(huán)），以保證密封座和密封環(huán)之間貼緊；密封座內(nèi)含有一密封圈，用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)環(huán)與斜盤(pán)軸頸之間的密封。

圖3 軸尾密封結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)產(chǎn)品返修數(shù)據(jù)，產(chǎn)品在工作300小時(shí)～400小時(shí)左右后，普遍存在軸尾滲油現(xiàn)象。對(duì)返修產(chǎn)品分解檢查，發(fā)現(xiàn)密封座內(nèi)部的密封圈內(nèi)圈磨平（圖3中○11，見(jiàn)圖4），對(duì)應(yīng)的斜盤(pán)軸頸部位存在明顯磨痕（見(jiàn)圖5），其他零組件無(wú)異常。產(chǎn)品在更換新密封圈后，即可解決軸尾滲油故障。

圖4 密封圈內(nèi)圈磨平現(xiàn)象

圖5 斜盤(pán)外徑處存在磨痕

導(dǎo)致產(chǎn)品軸尾滲油的直接原因在于密封圈的磨損。根據(jù)已形成的結(jié)論：產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，斜盤(pán)通過(guò)彈簧帶動(dòng)密封座；受彈簧軸向力壓緊，密封座與密封環(huán)之間存在一定的摩擦力，此時(shí)彈簧會(huì)產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形，當(dāng)扭轉(zhuǎn)變形足夠大時(shí)，彈簧才能帶動(dòng)密封座旋轉(zhuǎn)；在此條件下，密封座連同密封圈與斜盤(pán)軸頸發(fā)生高頻低幅的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；長(zhǎng)期工作后，與斜盤(pán)接觸的密封圈內(nèi)圈將逐步發(fā)生磨損，導(dǎo)致壓縮率降低，密封失效從而引發(fā)軸尾滲油。

解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵是避免斜盤(pán)與密封座的不同步運(yùn)動(dòng)。產(chǎn)品已落實(shí)的改進(jìn)方案為：在斜盤(pán)軸上銑平臺(tái)，密封座上增加平臺(tái)（見(jiàn)圖 6、圖 7），使得斜盤(pán)通過(guò)平臺(tái)直接帶動(dòng)密封座同步轉(zhuǎn)動(dòng)，消除彈簧扭轉(zhuǎn)造成的不同步運(yùn)動(dòng)。改進(jìn)后的軸尾密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

圖6 斜盤(pán)改進(jìn)形式

圖7 密封座改進(jìn)形式

圖8 改進(jìn)后軸尾密封結(jié)構(gòu)示意圖

2 原因分析

現(xiàn)對(duì)改進(jìn)后出現(xiàn)的密封座燒傷問(wèn)題進(jìn)行分析。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]，該產(chǎn)品的軸尾密封結(jié)構(gòu)屬于旋轉(zhuǎn)式內(nèi)裝內(nèi)流式單端面密封。針對(duì)此類(lèi)型的軸尾密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2.1 Pcυ值合理性復(fù)核

根據(jù)產(chǎn)品圖樣中的尺寸：

密封環(huán)內(nèi)徑：D1=21.7(mm)；

密封環(huán)外徑：D1=24.5(mm)；

密封環(huán)旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度：v=πn(D1+D2)/120=4.7(m/s)，其中，產(chǎn)品額定轉(zhuǎn)速：n=3940(r/min)；

根據(jù)彈簧設(shè)計(jì)尺寸以及裝配后的壓縮量，計(jì)算得彈簧工作時(shí)壓緊力為Fs=20(N)。

因產(chǎn)品內(nèi)部介質(zhì)通大氣，故因油壓帶來(lái)的密封環(huán)接觸面壓力及密封腔內(nèi)介質(zhì)作用力均為零。

密封環(huán)受力F=Fs=20(N)；

端面比壓Pc=Fs/A=0.18(MPa)；

Pcυ=0.87(MPa·m/s)。

根據(jù)機(jī)械手冊(cè)對(duì)于銅環(huán)作為靜環(huán)，鋼環(huán)作為動(dòng)環(huán)的軸尾密封設(shè)計(jì)，其許用[Pcυ]值為 9MPa·m/s～20MPa·m/s。因此該產(chǎn)品軸尾密封設(shè)計(jì)具有較高安全系數(shù)。該產(chǎn)品改進(jìn)前從未發(fā)生因密封環(huán)與密封座異常磨損或過(guò)燒問(wèn)題；且改進(jìn)方案中彈簧壓緊力未經(jīng)調(diào)整，因此密封座與密封環(huán)不會(huì)因Pcυ過(guò)高引發(fā)過(guò)燒、磨損現(xiàn)象。

2.2 尺寸鏈復(fù)核

對(duì)改進(jìn)后軸尾結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步的分析，密封座內(nèi)的密封圈（見(jiàn)圖 3中?）實(shí)現(xiàn)密封需滿(mǎn)足兩條件：1）密封圈確保有足夠的壓縮率；2）密封圈不能落入斜盤(pán)軸頸的平臺(tái)位置。經(jīng)計(jì)算，動(dòng)環(huán)內(nèi)密封圈的壓縮量為15%，滿(mǎn)足密封要求；條件二要求圖8中C（斜盤(pán)平臺(tái)邊界）必須介于A、B之間。密封座上AB尺寸為1mm，因此AC理論取值范圍為0 mm～1mm。滿(mǎn)足這兩個(gè)條件，可保證密封圈的使用要求，同時(shí)保證密封環(huán)、密封座兩磨合面為彈性接觸。因 AC取值范圍較小，需要嚴(yán)格控制，因此以該尺寸作為封閉環(huán)建立尺寸鏈（見(jiàn)圖 9）[4]。

圖9 軸尾密封結(jié)構(gòu)裝配尺寸鏈

根據(jù)圖 9尺寸鏈中各環(huán)尺寸中可以看出，尺寸鏈中殼體、斜盤(pán)尺寸公差較大，公差累積后超出閉環(huán)尺寸的基本尺寸要求（0mm～1mm），在各零件尺寸偏極限時(shí)，必然會(huì)發(fā)生裝配干涉。

對(duì)該臺(tái)產(chǎn)品的軸尾各零件軸向尺寸進(jìn)行實(shí)測(cè)，計(jì)算 AC尺寸為-0.2mm，即密封座與斜盤(pán)平臺(tái)側(cè)面存在0.2mm的裝配干涉。因尺寸鏈中含膠圈（圖3中⑩）尺寸，發(fā)生干涉后端蓋處的密封圈則會(huì)被過(guò)度壓縮，產(chǎn)品裝配時(shí)無(wú)法察覺(jué)。此時(shí)密封環(huán)與密封座之間的結(jié)合面近似為剛性接觸，無(wú)法維持彈性壓緊狀態(tài)，從而導(dǎo)致磨合中發(fā)生漏油、過(guò)燒現(xiàn)象。

3 改進(jìn)方案

3.1 重新設(shè)計(jì)尺寸鏈

為解決此裝配干涉問(wèn)題，需要對(duì)裝配尺寸鏈中各零件的尺寸嚴(yán)格控制，確保封閉環(huán)的尺寸要求。因尺寸鏈中環(huán)數(shù)較多，且包含密封圈尺寸，因此考慮對(duì)尺寸鏈進(jìn)行簡(jiǎn)化。通過(guò)對(duì)十余臺(tái)不同批次產(chǎn)品的墊子、端蓋、密封圈及密封環(huán)進(jìn)行測(cè)量，四件零件組合后的尺寸簡(jiǎn)化為再根據(jù)各零件具體尺寸的工藝性壓縮尺寸公差，重新建立的尺寸鏈見(jiàn)圖10。

圖10 改進(jìn)后軸尾密封裝配尺寸鏈

按照改進(jìn)后尺寸鏈計(jì)算AC：

基本尺寸：1.3+11.2+10+2.3+2.2-1.2-25.2=0.6；

上公差：0+0.1+0+0+0+0.05+0.02=0.17；

下公差：-0.1-0.1-0.05-0.02-0.05-0.05-0.02=-0.39。

計(jì)算可得AC控制為0.21～0.77之間，可保證密封座與斜盤(pán)不發(fā)生干涉，同時(shí)密封圈不會(huì)露在斜盤(pán)臺(tái)階處，滿(mǎn)足軸尾密封要求。按照改進(jìn)后的尺寸鏈中的各尺寸，對(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。

3.2 針對(duì)返修品改進(jìn)方案

按照上述改進(jìn)方案可以滿(mǎn)足新出廠產(chǎn)品的裝配要求。因該產(chǎn)品有較多的返修、大修件，如完全按照上述尺寸鏈控制零件尺寸，會(huì)造成大量的零件報(bào)廢。因此可通過(guò)對(duì)零件返修，保證裝配間隙 AC要求。在不考慮密封座、端蓋、密封圈等零件的尺寸情況下，按圖 11所示尺寸鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以殼體到斜盤(pán)的高度差（H3）作為閉環(huán)，形成的尺寸鏈見(jiàn)圖11。

圖11 裝配尺寸鏈圖

計(jì)算H3取值：

基本尺寸：11.2+10+2.3+2.2-1.2-25.2=0.5；

上公差：0.1+0+0+0+0.02=0.12；

下公差：-0.1-0.05-0.02-0.05-0.02=-0.24。

圖12 斜盤(pán)與殼體裝配示意圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

基于上述分析，對(duì)本文提到的故障產(chǎn)品的斜盤(pán)平臺(tái)側(cè)面進(jìn)行返修，實(shí)測(cè)裝配尺寸H3為0.42mm，滿(mǎn)足H3取值要求。對(duì)產(chǎn)品重新進(jìn)行磨試，試驗(yàn)后檢查密封座、密封環(huán)磨痕正常、均勻，產(chǎn)品無(wú)滲漏。

上述改進(jìn)方案落實(shí)后，根據(jù)后續(xù)70余臺(tái)新出廠產(chǎn)品及20余臺(tái)返修產(chǎn)品的試驗(yàn)情況，再無(wú)出現(xiàn)類(lèi)似軸尾問(wèn)題，產(chǎn)品一次磨試合格率為 100%。密封環(huán)、密封座磨試后分解狀態(tài)如圖13所示。

圖13 密封環(huán)、密封座磨試后分解狀態(tài)

5 總結(jié)

本文針對(duì)某型號(hào)產(chǎn)品出現(xiàn)的軸尾漏油問(wèn)題，基于對(duì)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分析，完成故障原因的排除，并提出了改進(jìn)方案：

1）根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，建立尺寸鏈；查明是由于零件尺寸公差控制不嚴(yán)，導(dǎo)致發(fā)生裝配干涉，密封座與密封環(huán)無(wú)法形成彈性貼合，引發(fā)磨試中出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象；

2）通過(guò)對(duì)尺寸鏈中的零件尺寸進(jìn)行控制，并結(jié)合產(chǎn)品裝配關(guān)系，并對(duì)尺寸鏈轉(zhuǎn)化，通過(guò)實(shí)測(cè)裝配尺寸，保證裝配間隙要求；

3）針對(duì)新出廠產(chǎn)品及返修產(chǎn)品制定了改進(jìn)措施，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了的改進(jìn)措施的有效性。

[1] 張海泉. 機(jī)械密封在旋轉(zhuǎn)設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 裝備制造技術(shù), 2012(07): 275-277.

[2] 張啟發(fā). 鍋爐給水泵軸端機(jī)械密封的應(yīng)用研究[D].山東大學(xué), 2006.

[3] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第10篇 潤(rùn)滑與密封[M] .北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[4] 王先逵. 機(jī)械制造工藝學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2014.

Analysis of Burn Fault and Design Refinement in End Shaft Seal of one Pump Type

GAO Fei, XU Guang
(Shanghai Navy Equipment Department, Shanghai 200083, China)

In this paper, an oil leakage fault of a type pump during running test is discussed. Upon examination, sealing ring and socket in shaft end is burned and abnormal worn. Through analysis of the seal structure and review of dimension chain, it is found that, as the dimension tolerance not strictly controlled, assembly interference is occurred in shaft end. As a result, sealing ring and socket is not fitted elastically, which further causes the oil leakage fault. By means of dimension constraints and dimension chain transform, reasonable improvement measures are proposed to solve the problem.

oil leakage in end shaft; rotating seal; dimension chain

TH136

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.06.013

高飛（1985-），男，工程師，主要從事機(jī)電專(zhuān)業(yè)。