某型液壓泵軸尾密封“過燒”故障分析與設計改進

高 飛，徐 光

（海裝駐上海地區軍事代表局，上海 200083）

某型液壓泵軸尾密封“過燒”故障分析與設計改進

高 飛，徐 光

（海裝駐上海地區軍事代表局，上海 200083）

某型液壓泵在磨試過程中出現軸尾漏油故障，檢查發現密封座、密封環發生“過燒”并磨損。對該泵的軸尾密封結構進行分析，復核密封設計計算、產品裝配尺寸鏈，查明該問題是由于軸向尺寸鏈中尺寸公差控制不嚴，導致軸尾處發生裝配干涉，密封座與密封環無法保持彈性貼合狀態，導致磨合過程中發生軸尾漏油。通過控制尺寸鏈中各尺寸公差，并結合產品裝配關系對尺寸鏈進行轉換，提出了合理的改進方案。

軸尾漏油；旋轉密封；尺寸鏈

0 引言

機械密封是由一對或數對動環與靜環組成的平面摩擦副構成的密封裝置，依靠彈性構件（彈簧或波紋管）和密封介質的壓力在旋轉的動環和靜環的接觸表面形成適當的壓緊力，使動環與靜環端面貼合，兩端面之間維持一層極薄的液體膜而達到密封的目的[1,2]。

液壓泵作為應用廣泛的旋轉機械，機械密封是產品結構中的重要組成部分。因此液壓泵需要設計合理的機械密封，以滿足產品的軸尾泄漏量指標要求。本文針對某型號液壓泵的軸尾漏油問題，分析該泵的軸尾密封結構，并制定相應的改進方案。

1 產品情況

1.1 故障情況

某型液壓泵在磨試（磨合試驗）時發現軸尾漏油；停車后分解檢查密封座出現過燒，同時密封環磨損（見圖1、2）。更換新的密封座及密封環后再次試驗，故障重現。

圖1 密封座過燒

圖2 密封環磨損

1.2 原軸尾密封結構分析

該泵的原軸尾密封結構于近年進行過設計更改，為查找故障原因，先對原軸尾密封結構進行分析。軸尾密封結構如圖 3所示，其密封實現形式為：密封環作為靜環固定在端蓋處，密封環與端蓋之間通過密封圈實現密封；產品工作時，傳動軸帶動斜盤旋轉，斜盤與密封座之間通過彈簧連接。因彈簧兩端帶有扭腳，斜盤旋轉時可帶動密封座（動環）同向旋轉。在軸向方向，密封座受彈簧軸向彈力壓緊密封環（靜環），以保證密封座和密封環之間貼緊；密封座內含有一密封圈，用于實現動環與斜盤軸頸之間的密封。

圖3 軸尾密封結構示意圖

根據產品返修數據，產品在工作300小時～400小時左右后，普遍存在軸尾滲油現象。對返修產品分解檢查，發現密封座內部的密封圈內圈磨平（圖3中○11，見圖4），對應的斜盤軸頸部位存在明顯磨痕（見圖5），其他零組件無異常。產品在更換新密封圈后，即可解決軸尾滲油故障。

圖4 密封圈內圈磨平現象

圖5 斜盤外徑處存在磨痕

導致產品軸尾滲油的直接原因在于密封圈的磨損。根據已形成的結論：產品運轉時，斜盤通過彈簧帶動密封座；受彈簧軸向力壓緊，密封座與密封環之間存在一定的摩擦力，此時彈簧會產生一定的扭轉變形，當扭轉變形足夠大時，彈簧才能帶動密封座旋轉；在此條件下，密封座連同密封圈與斜盤軸頸發生高頻低幅的相對運動；長期工作后，與斜盤接觸的密封圈內圈將逐步發生磨損，導致壓縮率降低，密封失效從而引發軸尾滲油。

解決上述問題的關鍵是避免斜盤與密封座的不同步運動。產品已落實的改進方案為：在斜盤軸上銑平臺，密封座上增加平臺（見圖 6、圖 7），使得斜盤通過平臺直接帶動密封座同步轉動，消除彈簧扭轉造成的不同步運動。改進后的軸尾密封結構見圖8。

圖6 斜盤改進形式

圖7 密封座改進形式

圖8 改進后軸尾密封結構示意圖

2 原因分析

現對改進后出現的密封座燒傷問題進行分析。根據機械設計手冊[3]，該產品的軸尾密封結構屬于旋轉式內裝內流式單端面密封。針對此類型的軸尾密封結構進行分析。

2.1 Pcυ值合理性復核

根據產品圖樣中的尺寸：

密封環內徑：D1=21.7(mm)；

密封環外徑：D1=24.5(mm)；

密封環旋轉線速度：v=πn(D1+D2)/120=4.7(m/s)，其中，產品額定轉速：n=3940(r/min)；

根據彈簧設計尺寸以及裝配后的壓縮量，計算得彈簧工作時壓緊力為Fs=20(N)。

因產品內部介質通大氣，故因油壓帶來的密封環接觸面壓力及密封腔內介質作用力均為零。

密封環受力F=Fs=20(N)；

端面比壓Pc=Fs/A=0.18(MPa)；

Pcυ=0.87(MPa·m/s)。

根據機械手冊對于銅環作為靜環，鋼環作為動環的軸尾密封設計，其許用[Pcυ]值為 9MPa·m/s～20MPa·m/s。因此該產品軸尾密封設計具有較高安全系數。該產品改進前從未發生因密封環與密封座異常磨損或過燒問題；且改進方案中彈簧壓緊力未經調整，因此密封座與密封環不會因Pcυ過高引發過燒、磨損現象。

2.2 尺寸鏈復核

對改進后軸尾結構作進一步的分析，密封座內的密封圈（見圖 3中?）實現密封需滿足兩條件：1）密封圈確保有足夠的壓縮率；2）密封圈不能落入斜盤軸頸的平臺位置。經計算，動環內密封圈的壓縮量為15%，滿足密封要求；條件二要求圖8中C（斜盤平臺邊界）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。滿足這兩個條件，可保證密封圈的使用要求，同時保證密封環、密封座兩磨合面為彈性接觸。因 AC取值范圍較小，需要嚴格控制，因此以該尺寸作為封閉環建立尺寸鏈（見圖 9）[4]。

圖9 軸尾密封結構裝配尺寸鏈

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

對該臺產品的軸尾各零件軸向尺寸進行實測，計算 AC尺寸為-0.2mm，即密封座與斜盤平臺側面存在0.2mm的裝配干涉。因尺寸鏈中含膠圈（圖3中⑩）尺寸，發生干涉后端蓋處的密封圈則會被過度壓縮，產品裝配時無法察覺。此時密封環與密封座之間的結合面近似為剛性接觸，無法維持彈性壓緊狀態，從而導致磨合中發生漏油、過燒現象。

3 改進方案

3.1 重新設計尺寸鏈

為解決此裝配干涉問題，需要對裝配尺寸鏈中各零件的尺寸嚴格控制，確保封閉環的尺寸要求。因尺寸鏈中環數較多，且包含密封圈尺寸，因此考慮對尺寸鏈進行簡化。通過對十余臺不同批次產品的墊子、端蓋、密封圈及密封環進行測量，四件零件組合后的尺寸簡化為再根據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圖10。

圖10 改進后軸尾密封裝配尺寸鏈

按照改進后尺寸鏈計算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。

計算可得AC控制為0.21～0.77之間，可保證密封座與斜盤不發生干涉，同時密封圈不會露在斜盤臺階處，滿足軸尾密封要求。按照改進后的尺寸鏈中的各尺寸，對零件進行設計更改。

3.2 針對返修品改進方案

按照上述改進方案可以滿足新出廠產品的裝配要求。因該產品有較多的返修、大修件，如完全按照上述尺寸鏈控制零件尺寸，會造成大量的零件報廢。因此可通過對零件返修，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所示尺寸鏈進行轉換，以殼體到斜盤的高度差（H3）作為閉環，形成的尺寸鏈見圖11。

圖11 裝配尺寸鏈圖

計算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 斜盤與殼體裝配示意圖

4 試驗驗證情況

基于上述分析，對本文提到的故障產品的斜盤平臺側面進行返修，實測裝配尺寸H3為0.42mm，滿足H3取值要求。對產品重新進行磨試，試驗后檢查密封座、密封環磨痕正常、均勻，產品無滲漏。

上述改進方案落實后，根據后續70余臺新出廠產品及20余臺返修產品的試驗情況，再無出現類似軸尾問題，產品一次磨試合格率為 100%。密封環、密封座磨試后分解狀態如圖13所示。

圖13 密封環、密封座磨試后分解狀態

5 總結

本文針對某型號產品出現的軸尾漏油問題，基于對該產品的結構分析，完成故障原因的排除，并提出了改進方案：

1）根據結構設計特點，建立尺寸鏈；查明是由于零件尺寸公差控制不嚴，導致發生裝配干涉，密封座與密封環無法形成彈性貼合，引發磨試中出現過燒現象；

2）通過對尺寸鏈中的零件尺寸進行控制，并結合產品裝配關系，并對尺寸鏈轉化，通過實測裝配尺寸，保證裝配間隙要求；

3）針對新出廠產品及返修產品制定了改進措施，通過試驗驗證了的改進措施的有效性。

[1] 張海泉. 機械密封在旋轉設備中的應用[J]. 裝備制造技術, 2012(07): 275-277.

[2] 張啟發. 鍋爐給水泵軸端機械密封的應用研究[D].山東大學, 2006.

[3] 成大先. 機械設計手冊 第10篇 潤滑與密封[M] .北京: 化學工業出版社, 2010.

[4] 王先逵. 機械制造工藝學[M]. 北京: 機械工業出版社, 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，主要從事機電專業。