某直升機(jī)尾減速器唇形油封滲漏失效分析

朱卓宇，葉金祥，張 川

（1.直升機(jī)傳動(dòng)技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南株洲 412002；2.中國(guó)航發(fā)中傳機(jī)械有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410200）

0 引言

皮碗（唇形油封密封圈）密封是一種常用于低速軸端的密封結(jié)構(gòu)，一般由橡膠件、骨架和彈簧組成，用于圓周線速度≤18 m/s，內(nèi)外壓差≤0.03 MPa 的轉(zhuǎn)軸軸端密封。材料一般選用能耐合成潤(rùn)滑油且硬度稍高的氟橡膠材料[1]。唇形油封密封圈具有重量輕，耗材少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝腔體結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，容易加工制作，拆裝容易，檢修方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于減速器中、低速和無(wú)壓力潤(rùn)滑處的軸端密封。

1 故障現(xiàn)象

某直升機(jī)尾減速器在外場(chǎng)飛行到118 h 時(shí)，發(fā)現(xiàn)尾減輸入唇形油封處滑油滲漏量超過(guò)維護(hù)手冊(cè)允許值1 cm3/h（相當(dāng)于每小時(shí)20 滴）），按照維護(hù)手冊(cè)要求現(xiàn)場(chǎng)更換唇形油封，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)磨損、破損、老化等現(xiàn)象。

尾減在直升機(jī)上工作時(shí)，輸入端與水平面夾角為50°，為向下傾斜姿勢(shì)，尾減輸入端部分零件如油封和圓錐滾子軸承均處于油面以下（圖1）。尾減輸入唇形油封工況比較特殊，工作時(shí)長(zhǎng)期浸泡在滑油中，滑油重力會(huì)作用在唇冠部位，且唇形油封離輸入端圓錐滾子軸承較近，軸承旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑油飛濺，對(duì)唇口有一定的沖擊。

2 失效分析

針對(duì)尾減輸入唇形油封滑油滲漏的現(xiàn)象，從設(shè)計(jì)、試制、安裝3 個(gè)方面對(duì)尾減輸入唇形油封和唇形油封相配件進(jìn)行分析、排查。

2.1 設(shè)計(jì)

2.1.1 唇形油封設(shè)計(jì)

（1）油封結(jié)構(gòu)尺寸。影響唇形油封密封效果的主要因素包括唇形油封的唇口過(guò)盈量、前唇角α 和后唇角β，該尾減輸入唇形油封設(shè)計(jì)值見(jiàn)表1。

圖1 尾減輸入油封安裝結(jié)構(gòu)

表1 唇形油封結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)復(fù)查

唇口過(guò)盈量過(guò)大則易于磨損老化，影響密封壽命；過(guò)盈量過(guò)小則影響密封性能。一般來(lái)說(shuō)，如果軸的轉(zhuǎn)速較低，可適當(dāng)大些，反之，則適當(dāng)小些。另外還應(yīng)考慮橡膠材料的彈性、耐熱性等性能。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料[4]推薦，可按表2 選取不同軸頸的尺寸唇形油封唇口的過(guò)盈量。

表2 不同軸徑時(shí)唇口過(guò)盈量

前唇角α 又稱(chēng)油面角，它不僅可以調(diào)整唇口的位置，而且還可調(diào)整密封性能。目前國(guó)內(nèi)外一般取α=45°±5°。

后唇角β 又稱(chēng)空氣角，它對(duì)唇口與軸的接觸寬度有影響。一般β＜α，且相差較大。具體原則：低速下后唇角β 可以適當(dāng)小些，一般選18°～20°，最低不得低于12°，高速下一般選25°～28°。

通過(guò)上述唇口過(guò)盈量、前唇角和后唇角的分析，發(fā)現(xiàn)唇口過(guò)盈量設(shè)計(jì)公差較大，會(huì)影響密封效果。

（2）油封材料。唇形油封的橡膠材料除應(yīng)滿足適當(dāng)?shù)挠捕?、機(jī)械強(qiáng)度、耐老化性能、耐高低溫性能等一般要求外，還必須具有良好的耐介質(zhì)性能和耐磨性能，以確保油封不會(huì)被密封介質(zhì)損壞，同時(shí)具有更高的使用壽命。氟橡膠F223 材料性能與《旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈橡膠材料》HG/T 2811—1996 要求中規(guī)定的主要指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 材料性能主要指標(biāo)

從表3 可以看出，相對(duì)于《旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈橡膠材料》（HG/T 2811—1996）[2]標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)橡膠材料指標(biāo)的規(guī)定，氟橡膠F223 耐介質(zhì)試驗(yàn)體積變化率設(shè)計(jì)值選取不合適。

考慮到尾減輸入唇形油封工作時(shí)一直浸泡在油中，如果橡膠的耐介質(zhì)性能差，橡膠發(fā)生溶脹，體積變化，就會(huì)引起尺寸和硬度的變化，破壞形成“泵吸”效應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)，引起滑油泄漏。針對(duì)該種特性，對(duì)氟橡膠F223 及其加工的油封產(chǎn)品分別進(jìn)行了模擬工況耐介質(zhì)試驗(yàn)：將膠料試片、無(wú)簧油封產(chǎn)品放入在70 ℃（試飛中尾減滑油實(shí)測(cè)值）滑油DOD-PRF-85734A 中浸泡150 h（考慮目前外場(chǎng)故障出現(xiàn)在100 h 左右），在試驗(yàn)不同時(shí)間段后檢測(cè)相關(guān)參數(shù)的變化。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2、圖3，結(jié)果表明隨著浸泡時(shí)間的增加，膠料F223 硬度下降，無(wú)簧油封產(chǎn)品的徑向力減小，且徑向力變化量較大，在試驗(yàn)至100 h 時(shí)，徑向力下降最大，約下降35%。

圖2 膠料硬度變化

圖3 無(wú)簧油封產(chǎn)品徑向力變化

2.1.2 相配件設(shè)計(jì)

唇形油封相配件包括相配軸（法蘭盤(pán)）和孔（輸入機(jī)匣），其結(jié)構(gòu)配合件尺寸及公差的設(shè)計(jì)值與《旋轉(zhuǎn)軸唇形油封第1 部分—基本尺寸和公差》（GB/T 13871.1—2007）[3]的要求進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)比，唇形油封相配件設(shè)計(jì)值滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13871.1—2007 中的規(guī)定值。但是通過(guò)對(duì)尾減輸入唇形的工作條件的分析，發(fā)現(xiàn)輸入唇形油封位于圓錐軸承大端外側(cè)，在正常工作中，軸承把滑油從小端一側(cè)送到大端，由于唇形油封離軸承較近，滑油會(huì)對(duì)唇形唇口有一定的擾動(dòng)和沖擊作用，影響唇形油封的密封效果。

2.2 試制

通過(guò)對(duì)唇形油封、法蘭盤(pán)、輸入機(jī)匣相關(guān)配合加工尺寸進(jìn)行復(fù)查，未發(fā)現(xiàn)超差現(xiàn)象，均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 安裝

尾減輸入油封是通過(guò)專(zhuān)用工裝壓入機(jī)匣內(nèi)孔中，其內(nèi)孔軸線與機(jī)匣的同軸度可以較好的保證，但由于裝配圖樣沒(méi)有給出唇形油封與軸承的軸向安裝距離尺寸，因此在裝配過(guò)程會(huì)導(dǎo)致唇形油封唇口離圓錐軸承大端很近，其“泵送”作用會(huì)對(duì)唇口產(chǎn)生一定的擾動(dòng)和沖擊，引起滑油滲漏現(xiàn)象。

表4 尾減輸入唇形油封相配件設(shè)計(jì)復(fù)查

2.4 失效分析結(jié)論

根據(jù)上述對(duì)原因故障的定位分析，得出導(dǎo)致尾減輸入唇形油封滑油滲漏的原因主要為3 個(gè)方面：

（1）尾減輸入唇形油封唇口尺寸公差設(shè)計(jì)不合理。

（2）唇形油封材料（氟橡膠F223）的耐介質(zhì)性能差，隨著在滑油中浸泡時(shí)間的增加，油封唇口內(nèi)徑尺寸增大，徑向力下降，引起滑油滲漏。

（3）唇形油封軸向安裝位置無(wú)定位要求，無(wú)法保證其與軸承的距離，如果安裝不當(dāng)，唇形油封離軸承太近，其軸承對(duì)滑油的“泵送”作用所引起的擾動(dòng)和沖擊將會(huì)影響唇形油封的密封。

3 改進(jìn)措施

（1）對(duì)尾減輸入唇形唇口尺寸公差進(jìn)行調(diào)整，將唇口尺寸由Φ56±0.5 改為Φ56±0.3，保證合理的過(guò)盈量。

（2）選用耐介質(zhì)性能優(yōu)于氟橡膠F223 的材料，通過(guò)分析，選取氟橡膠78090，性能指標(biāo)見(jiàn)表5，并對(duì)氟橡膠78090 進(jìn)行了耐介質(zhì)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明氟橡膠78090 的耐介質(zhì)性能優(yōu)于F223（2 種材料的耐介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4、圖5）。

表5 氟橡膠78090 性能指標(biāo)

圖4 膠料硬度變化對(duì)比

（3）增加尾減輸入唇形油封在軸向位置定位尺寸“A”，裝配時(shí)通過(guò)檢查該尺寸，保證唇形油封與圓錐滾子軸承之間的距離。降低滑油對(duì)唇口的擾動(dòng)和沖擊影響。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖5 無(wú)簧油封產(chǎn)品徑向力變化

改進(jìn)措施已通過(guò)360 h 的臺(tái)架試驗(yàn)和200 多小時(shí)的飛行考核，改進(jìn)效果明顯，試驗(yàn)過(guò)程中尾減輸入唇形油封未發(fā)現(xiàn)超過(guò)維護(hù)手冊(cè)所規(guī)定的滲漏量，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某尾減速器輸入唇形滑油滲漏現(xiàn)象的失效分析，從油封設(shè)計(jì)、油封材料、安裝3 個(gè)方面提出改進(jìn)措施，得出以下結(jié)論：

（1）適當(dāng)?shù)奶岣叽叫斡头獯娇诘墓钜?，保證合理的過(guò)盈量。

（2）對(duì)于長(zhǎng)期浸入滑油的唇形油封，要考慮選用耐介質(zhì)性強(qiáng)的橡膠材料為基體的唇形油封。

（3）對(duì)于圓錐滾子軸承外端的唇形油應(yīng)保持一定的軸向距離，降低由圓錐滾子軸承引起的滑油“泵送”對(duì)油封唇口的沖擊影響。

圖6 油封裝配圖