螺紋連接密封膠圈損傷分析

朱強(qiáng)強(qiáng) ， 許宜軍

（國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠(chǎng)，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

O型密封膠圈具有質(zhì)量小、壽命長(zhǎng)、耐油性好等優(yōu)點(diǎn)，在飛行器中應(yīng)用廣泛，對(duì)各系統(tǒng)的密封性起著重要作用[1-3]。美國(guó)“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)就是由于助推器上的一個(gè)O型膠圈失效，導(dǎo)致燃料泄露，最終導(dǎo)致空中解體爆炸。飛機(jī)上密封膠圈工作周期更長(zhǎng)、性能穩(wěn)定性要求更高，而螺紋連接密封膠圈使用壓縮率更大，易引起失效。因此，研究膠圈的失效特征，并提出預(yù)防措施，是保障飛機(jī)安全飛行的重要前提[4-6]。

飛機(jī)地面檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)螺紋連接處有碎屑狀堆積物，分解檢查發(fā)現(xiàn)O型膠圈損傷明顯。隨后檢查出多架飛機(jī)發(fā)生類(lèi)似故障。膠圈材質(zhì)為丁腈橡膠2?5013，工作環(huán)境為28 MPa油壓，并伴隨壓力脈動(dòng)和高頻振動(dòng)。該膠圈失效，會(huì)降低系統(tǒng)作業(yè)能力，給飛行安全帶來(lái)隱患。

本研究通過(guò)形貌觀(guān)察、間隙及硬度測(cè)量、密封結(jié)構(gòu)分析，結(jié)合膠圈的受力特性，分析膠圈的失效性質(zhì)、原因及過(guò)程，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)方法

采用體視顯微鏡及場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，觀(guān)察斷口宏、微觀(guān)形貌。

參照HB 5234—1983《橡膠O形圈硬度測(cè)試方法》，對(duì)膠圈進(jìn)行硬度測(cè)試。同一膠圈在不同位置測(cè)量6次取中值，同時(shí)取同批次、全新的O型膠圈進(jìn)行測(cè)量，用于對(duì)比分析。

配合端面擦拭干凈，將接頭六方螺母的邊標(biāo)記為1～6，分別在不供壓和32 MPa的油壓下，使用標(biāo)準(zhǔn)塞尺測(cè)量配合端面的間隙量。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 外觀(guān)檢查

膠圈安裝于接頭六方螺母端面處，與頂蓋螺紋相配合，頂蓋上加工有一倒角，膠圈損傷均位于與頂蓋倒角相接觸的一側(cè)（圖1）。兩膠圈損傷宏觀(guān)形貌有所差異：一個(gè)膠圈為表面層次錯(cuò)落有致的微小掉塊損傷，損傷范圍約占圓周的1/3；另一個(gè)膠圈表面損傷則為較大的掉塊，損傷范圍約占圓周的 1/4（圖2）。

圖1 膠圈裝配圖Fig.1 Assembly drawing of seal ring

圖2 大掉塊膠圈損傷Fig.2 Large-size peeling-off damage of seal ring

2.2 斷口宏微觀(guān)觀(guān)察

在體視顯微鏡下觀(guān)察膠圈宏觀(guān)形貌，發(fā)現(xiàn)兩膠圈外側(cè)邊緣均存在一圈擠壓形成的凸起臺(tái)階，說(shuō)明膠圈在使用過(guò)程中發(fā)生了間隙擠出（圖3）；進(jìn)一步觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，膠圈損傷均起源于擠出臺(tái)階的邊緣處，并向一側(cè)擴(kuò)展（圖4）。結(jié)合圖1中膠圈拆卸時(shí)的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，膠圈間隙擠出位置在頂蓋倒角邊緣與接頭螺母端面配合處，損傷方向也是沿著頂蓋倒角向內(nèi)擴(kuò)展。

圖3 膠圈外側(cè)凸起臺(tái)階Fig.3 Step morphology of seal ring

圖4 小掉塊損傷膠圈表面Fig.4 Small-size peeling-off damage of seal ring

大掉塊損傷膠圈斷面雖發(fā)生磨損，但依舊可見(jiàn)清晰的疲勞弧線(xiàn)特征，呈點(diǎn)源特征[7]（圖5）。疲勞源區(qū)內(nèi)未見(jiàn)氣孔、夾雜等材料缺陷；掃描電鏡下觀(guān)察微小掉塊損傷膠圈，損傷周?chē)砻嫒钥梢?jiàn)一些未發(fā)生剝離掉塊的微裂紋，該處再發(fā)展即會(huì)形成新的微小掉塊（圖6）。雖然兩膠圈的損傷形貌有所差異，但損傷模式基本相同，均為間隙咬傷，只是間隙咬傷后具體二次損傷形式不同。

2.3 間隙測(cè)量

端面配合間隙在加壓前后的測(cè)試結(jié)果如表1所示。其中，小掉塊膠圈失效時(shí)，碎屑堆積物主要聚集在螺母的4、5位置，該處為膠圈損傷掉塊部位。大掉塊膠圈失效時(shí)，堆積物聚集在螺母的1、6位置附近，對(duì)應(yīng)膠圈損傷掉塊的位置。

圖5 大掉塊膠圈斷口疲勞特征Fig.5 Fatigue features of seal ring

圖6 小掉塊膠圈斷口周?chē)⒘鸭yFig.6 Micro-crack morphology of seal ring

表1 加壓前后的間隙測(cè)量結(jié)果Table 1 Clearance measurement results before and after compression mm

由結(jié)果可知，加壓后配合端面各位置間隙均會(huì)有所增加，說(shuō)明使用時(shí)在脈動(dòng)油壓的作用下，端面間隙會(huì)有一個(gè)張開(kāi)、收縮的交變過(guò)程；但各個(gè)位置的間隙增加量又有所差別，膠圈損傷位置處間隙高達(dá)0.08～0.09 mm，而未損傷位置間隙基本保持在0.06 mm以?xún)?nèi)，雖均符合工藝控制要求的0.10 mm以下，但對(duì)比發(fā)現(xiàn)損傷位置間隙量更大。

2.4 硬度分析

2?5013丁腈橡膠國(guó)際硬度技術(shù)要求范圍為IRHD 68～83，實(shí)測(cè)結(jié)果為 IRHD 68～76，兩失效件和新件硬度雖均符合要求，但均偏低，尤其是新膠圈硬度接近標(biāo)準(zhǔn)范圍的下限。

橡膠硬度對(duì)間隙擠出現(xiàn)象具有十分顯著的影響，硬度越低，間隙擠出現(xiàn)象就會(huì)越嚴(yán)重。表2列出了HB/Z 4—1995中規(guī)定的不同硬度、不同工作壓力的膠圈配合時(shí)允許的最大徑向間隙量。參考15～21 MPa工作壓力、邵爾硬度80的膠圈，允許的最大間隙僅為0.04～0.06 mm。而本研究中失效膠圈邵爾硬度標(biāo)準(zhǔn)為68～83，工作油壓有時(shí)甚至?xí)^(guò)28 MPa，其允許的配合間隙應(yīng)更小。而實(shí)測(cè)加壓后膠圈損傷處間隙最高已達(dá)0.09 mm，明顯偏大。

表2 橡膠間隙選擇[8]Table 2 Rubber clearance selection

2.5 密封結(jié)構(gòu)分析

接頭六方螺母螺紋根部凹槽直徑d0為φ39.6h11，頂蓋孔徑D1為φ42.5H11，頂蓋倒角外邊緣尺寸D2為膠圈內(nèi)徑d1為截面直徑d2為測(cè)量結(jié)果顯示：膠圈及密封結(jié)構(gòu)的尺寸均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

頂蓋倒角外邊緣至螺母根部凹槽的距離為g：

式中：ES、EI分別為D2上偏差和下偏差；es、ei分別為d0上偏差和下偏差。

結(jié)果顯示：d2＞g，導(dǎo)致裝配時(shí)可能發(fā)生膠圈直徑位于倒角外部的情況，端面間隙容易咬住膠圈外邊緣造成損傷，簡(jiǎn)化裝配圖見(jiàn)圖7。而參照HB 4-59—1987《螺紋連接件的密封結(jié)構(gòu)》，此處的螺紋密封結(jié)構(gòu)倒角外邊緣公稱(chēng)直徑標(biāo)準(zhǔn)為46 mm，而頂蓋倒角公稱(chēng)直徑僅為44.3 mm，低于標(biāo)準(zhǔn)要求，因此造成了d2＞g，膠圈外邊緣容易被咬傷。

圖7 簡(jiǎn)化裝配圖Fig.7 Simplified assembly drawing

近似使用頂蓋孔徑和螺母根部凹槽間隙h來(lái)計(jì)算膠圈的壓縮率。

密封凹槽間隙量h：

式中：ES、EI分別為D1上偏差和下偏差。

密封圈壓縮率Y：

O形密封圈靠預(yù)壓縮產(chǎn)生的回彈力給密封接觸面一定壓力，達(dá)到密封的效果，因此壓縮率的選擇至關(guān)重要。一般為12%～45%，靜密封選大值、動(dòng)密封選小值，而螺紋連接件密封壓縮率由于其結(jié)構(gòu)的特殊性則要更高[9-12]，見(jiàn)表3。理論計(jì)算膠圈壓縮率33.19%～44.01%，基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 壓縮率選擇[8]Table 3 Compression rate selection

3 分析與討論

膠圈損傷均起始于間隙擠出形成的臺(tái)階邊緣，然后沿頂蓋倒角向內(nèi)擴(kuò)展，損傷性質(zhì)均為間隙咬傷，但兩膠圈的二次損傷形式有所不同。

間隙咬傷主要與膠圈硬度及間隙量有關(guān)，硬度值越低、配合間隙量越大，則越容易間隙擠出發(fā)生咬傷。由測(cè)試結(jié)果可知，膠圈硬度值接近標(biāo)準(zhǔn)要求的下限；而膠圈未損傷處間隙基本在0.06 mm內(nèi)，損傷處間隙則為0.08～0.09 mm，雖符合工藝要求的0.10 mm以?xún)?nèi)，但明顯高于HB/Z 4—1995的要求。綜合分析橡膠的硬度偏低及端面間隙量偏大，是膠圈發(fā)生間隙咬傷的主要原因。

對(duì)膠圈進(jìn)行簡(jiǎn)化受力分析，如圖8所示。當(dāng)不受油壓或油壓較小時(shí)，膠圈主要受擰緊力F、沿頂蓋倒角向外部的靜摩擦力f以及倒角處的擠壓力G；當(dāng)油壓P較大時(shí)，膠圈有向端面間隙一側(cè)擠入的趨勢(shì)，此時(shí)摩擦力f與安裝時(shí)相反，沿著頂蓋倒角向內(nèi)部方向，其他力方向不變（圖8中虛線(xiàn)所示）。實(shí)際工況下，膠圈外邊緣部分被擠入間隙中，m點(diǎn)處應(yīng)力最大，嚴(yán)重時(shí)首先會(huì)發(fā)生破壞，在油壓的脈動(dòng)和高頻振動(dòng)的耦合作用下，會(huì)使膠圈倒角處受力成為一個(gè)復(fù)雜的交變過(guò)程，從而使膠圈間隙咬傷后，二次損傷的形式呈現(xiàn)多樣化。

圖8 受力分析圖Fig.8 Simplified force analysis chart

綜合分析膠圈的損傷過(guò)程：在高油壓的作用下，膠圈在端面配合間隙量最大的位置處擠出嚴(yán)重，發(fā)生間隙咬傷，該處隨即成為薄弱點(diǎn)。然后在脈動(dòng)油壓及高頻振動(dòng)等因素耦合作用下，膠圈沿著倒角向內(nèi)發(fā)生損傷。

4 結(jié)論與改進(jìn)措施

1）膠圈損傷性質(zhì)為間隙咬傷。

2）膠圈損傷主要與膠圈硬度偏低以及端面配合間隙量較大有關(guān)，同時(shí)頂蓋倒角邊緣設(shè)計(jì)尺寸小于標(biāo)準(zhǔn)要求，也容易導(dǎo)致膠圈被咬傷。

3）結(jié)合理論及實(shí)際應(yīng)用情況，端面配合間隙控制在0.06 mm內(nèi)，可有效降低膠圈發(fā)生咬傷失效的機(jī)率。

4）在保證膠圈強(qiáng)度等其他性能指標(biāo)滿(mǎn)足技術(shù)要求的條件下，還可考慮適度的提高密封膠圈的硬度。