直升機傳動系統圓周密封技術研究

王瑩

(中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，哈爾濱 150066)

0 引言

直升機傳動系統的功能是將發動機功率傳遞到旋翼系統和不同附件之間。這依靠多級的齒輪系統，在這些傳動系統中，密封件的功能是防止潤滑油溢出和防止水或碎屑進入機匣而影響齒輪和軸承的工作。直升機傳動系統密封件主要分為端面密封、圓周密封及唇形油封。本文主要介紹圓周密封的結構、工作原理、工作條件及性能[1-3]。

1 圓周密封結構

圓周密封應用在已投產的主減速器的高速輸入端。它是一種三環設計結構（石墨封嚴環），由彈簧朝向軸的表面產生徑向載荷，在軸與石墨封嚴環之間進行相對轉動。圓周密封采用飛濺潤滑的形式，在軸和石墨密封環之間建立潤滑油膜[4]。

石墨封嚴環結構如圖1所示，由分塊的石墨環組成，其中寬石墨環由3塊組成，3塊之間的間隙很大，3個長隔銷插在此間隙中，用以防止石墨塊轉動。寬石墨環的內部裝有3塊扇形內窄石墨環和3塊外窄石墨環，3塊內窄石墨環之間的間隙插入3個防止轉動的短隔銷，3塊外窄石墨環之間的間隙也由長隔銷隔開，以防止石墨環轉動。石墨環徑向收緊力由石墨封嚴環彈簧提供，軸向靠波形彈簧壓緊。

2 圓周密封工作原理

圖1 石墨封嚴碗結構

圓周密封工作時石墨環不轉動，但可以跟隨軸的徑向跳動，當滑油從高壓腔向低壓腔流動時，首先受到寬石墨環內徑及端面的阻擋，其次從寬石墨環之間的間隙流過的滑油以及從寬石墨環內徑與軸外徑之間滲出的滑油一方面受到內窄石墨環外徑的阻擋，另一方面又受內、外窄石墨環端面的阻擋，從而達到密封的目的。石墨密封的封嚴效果較高，很少滲漏，尤其是高溫、高壓、高速條件下仍能保證可靠密封。但在密封軸徑由靜止而轉為旋轉的較短時間內，含在石墨密封中的滑油可能會滲出，這是動密封普遍存在的問題。

在石墨封嚴碗裝配到軸上后，由于石墨塊與軸的曲率不可能完全一致，在工作初期可能會產生輕微漏油,隨著時間的加長，石墨塊與軸的曲率逐漸接近，輕微漏油現象可得到改善[5-6]。

3 圓周密封的工作條件

圓周密封的應用需要規定所有工作參數。這些參數包括速度、壓力、內部環境、外部環境、壽命要求和泄漏限制[7]。

通常，直升機傳動系統密封的工作條件很相似，最大的差異僅在軸的轉速上體現。

圓周密封工作的內部環境相似。溫度在330～394 K之間變化，測量壓力幾乎為零的滑油飛濺被密封在外部環境內。直升機傳動系統中使用的滑油通常是合成的發動機油或礦物油。滑油通過齒輪和支撐軸承的飛濺進入密封區域，并由通向內部鑄造管路或外部管路的機匣孔排到油池。

圓周密封工作的外部環境取決于飛行任務和工作區域。目前的工作極限環境包括：高溫天氣及粉塵、低溫（嚴寒）和鹽霧。

圓周密封工作的泄漏限制取決于密封位置和泄漏對飛機性能的影響。圓周密封的壽命要求基于傳動零件預定的翻修間隔期。

4 圓周密封的性能

由圓周密封的工作條件來決定圓周密封的性能，圓周密封主要性能包括速度性能，壓力性能，溫度性能，偏差、軸跳動和軸的圓度的影響，裝配及分解的影響，泄漏限制及壽命因素[8-9]。

4.1 速度性能

圓周密封應在預計的最大壓力和偏心狀態下具有滑行速度性能，應大于或等于預期的最大工作速度[10]。

通常，帶有碳-石墨元件的圓周密封比橡膠唇形密封有更高的速度性能，因為它的材料本身具有較好的高溫特性。使用碳-石墨可以在干起動階段和不充分潤滑情況下工作，然而這對唇形密封卻是有害的。

4.2 壓力性能

即使很低的壓力依然是直升機傳動系統密封設計的重要參數。減速器有通風器通到大氣，說明密封區域經受低壓。密封區域的壓力一般在0～3.44 N/cm2(0～5 psi)之間。只有在排油不暢造成滑油浸沒時，才會記錄到較高的壓力[11]。

在直升機傳動系統中使用的圓周密封，其壓力性能（從泄漏觀點來看）低于唇形密封或端面密封。當滑油端的壓力略高于空氣端的壓力時，圓周密封一般會發生泄漏。但是，可以通過使用回旋裝置或甩油環使滑油遠離圓周密封來抑制泄漏。圓周密封現已成功應用在高達1.38 N/cm2(2 psi)的壓力下。

4.3 溫度性能

溫度范圍可以從冷起動時的219 K(-65°F)到最大工作溫度時的394 K(250°F)。但是如果存在剪應力或檢測到了滑油沸點，那么主密封溫度會高于環境溫度。如果潤滑油膜不連續且固體表面發生摩擦接觸，那么可以想像會有更高的溫度。

圓周密封應具有在規定的整個溫度范圍內穩定工作的能力（對整個傳動系統壽命）。溫度范圍可以從冷起動時的219 K到最大工作溫度時的394 K。但是如果存在剪應力或檢測到了滑油沸點，那么主密封溫度會高于環境溫度。如果潤滑油膜不連續且固體表面發生摩擦接觸，那么可能會達到更高的溫度。

圓周密封和端面密封的碳-石墨摩擦元件比唇形密封的橡膠有更高的溫度上限。同時，碳-石墨不存在與橡膠有關的兼容性問題；因此，力學性能不會隨時間而改變。碳-石墨的氧化限制了其使用溫度，對某些級別來說使用溫度在533 K(500°F)左右；特殊的高溫級別的碳-石墨可以在810 K(1000°F)的溫度下工作。

4.4 偏差、軸跳動、圓度的影響

4.4.1 偏差

偏差可以分為下列特殊類型：1）機匣孔的中心線與軸的旋轉軸線之間的平行度偏差；2）機匣與軸的中心線之間的角度偏差。

通常，機匣孔和軸的中心線之間的平行度和角度偏差起因于加工誤差和工作載荷引起的彈性位移（在很多情況下角度偏差主要源于齒輪接觸壓力）。在工作載荷下產生的總偏差（平行度和角度）通常無法得知，但是無載荷情況下的平行度偏差可以通過檢驗裝配零件來確定，這稱為靜態偏心。

4.4.2 軸跳動

可以通過在機匣上安裝指示器來檢測軸表面的跳動，由以下部分組成[12]：1）軸表面相對于旋轉軸線的偏心；2）軸的抖動（旋轉軸線的軌跡）。與平行度和角度偏差一樣，工作載荷下的實際總跳動通常無法得知。但是無載荷情況下的軸表面相對于旋轉軸線的偏差可以得到，該偏差稱為徑向跳動。

除了軸和機匣組件的偏差和跳動之外，密封組件自身也存在主密封面由于熱和機械的位移引起的偏差。由于潤滑油膜很薄，這些小規模的偏差可能對主密封的潤滑產生影響。

4.4.3 軸的圓度

對于在軸上安裝的密封，另一個非常重要的因素是軸的圓度（圓柱度）。不圓度的定義是軸與正圓的偏離。記錄在極坐標圖上的，圓度作為兩個同心圓間的徑向距離進行測量，描述了包含整個輪廓的一個圓形。不圓度是由加工或裝配引起的。機加產生的不圓度源于刀具和加工件的共振頻率引起的顫振，或者源于夾緊的加工件。顫振產生的不圓度通常會導致一些不規則的凸起。裝配引起的不圓度一般是由于在滾道上裝有過盈配合的鍵槽或花鍵產生的結果。

4.4.4 圓周密封的影響

圓周密封可以調節靜態偏心，因為扇形碳環沒有徑向約束。可接受的靜態偏心量是由防轉銷、碳-石墨扇環和環狀螺旋彈簧之間的徑向間隙決定的。但是，跳動會促進扇形碳環的液力推動，這增大了泄漏（密封的滑油浸沒會加劇液力推動）。目前沒有獲得關于圓周密封的跳動或偏差的大小限制的數據[13-14]。

4.5 軸向定位和軸向跳動

可以通過裝配零件公差的累積來確定可能的軸向工作位置。也應該考慮軸向熱膨脹的影響。

對于軸上安裝的密封（唇形和圓周密封），對軸向竄動的唯一限制是應確保軸的幾何尺寸和表面狀態能夠適合密封在軸向竄動范圍內工作。

4.6 振動因素

直升機傳動系統是組合了大量不同振動頻率的復雜系統。這些頻率包括軸的轉動頻率和齒輪嚙合頻率。軸的轉動頻率很低，在3～350 cps范圍內。由這些頻率引起的振動通常是因為軸的偏心轉動或不平衡。在該頻率范圍內發生的最大振動可以達到10 g，并且帶有較大的位移[15]。

達到5400 cps的齒輪嚙合頻率可以激起高達45 g的振動，并伴隨著很小的位移。這些振動可以聽見，并且可以激起機匣和其它組件的振動，例如密封件在密封方向的軸向和徑向均出現了振動。

由于黏滑運動的影響，密封接觸面的臨界潤滑可能會激起圓周振動。這在傳動系統密封中不常出現，因為潤滑通常是足夠的。

圓周密封的結構是這樣的，大量的阻尼由碳石墨元件與殼體凸緣間的軸向載荷（摩擦阻尼）獲得。超過限制的扭轉振動（或黏滑運動條件）可能引起防轉銷磨損進入密封扇環。在扇環上應用矩形銷塊或金屬護罩可以有效地消除這種“銷釘磨損”。

4.7 環境限制

盡管直升機在相當臟并且易腐蝕的環境下工作，但傳動系統和傳動軸通常覆蓋有片狀金屬罩來提供一些保護。但是，由于傳動機匣表面冷卻的需要，一些密封暴露在臟且易腐蝕的環境中。環境污染和溫度極限可能會嚴重影響密封性能。

當在保護罩下工作時，圓周密封關于污染和低溫的環境影響均可以忽略。當固體污染物以灰塵、污垢和鹽結晶(鹽水蒸發產生)的形式進入密封接觸面時會產生劇烈的磨損。使用不銹鋼、鍍鉻鋼的接合環和軸滾道可以預防重要密封元件的腐蝕。在臟污環境中，相對軟質的滾道和接合環會因擦傷而造成磨損；因此，應使用鍍鉻表面或硬化表面(＞55 Rc)。通常，表面越硬，在磨蝕條件下的壽命越長。

4.8 潤滑因素

主要有3種不同的主密封潤滑方式 (能量損失)：1)完整的油膜潤滑，具有黏性流體旋轉速度防泄漏的特性；2)干滑動接觸，用于非黏性液體的密封，如燃氣渦輪軸的密封；3)混合或邊界潤滑，這經常出現在高速應用中。邊界潤滑結合了第一種和第二種潤滑方式，不易于分析或使用數學模型。通常情況下的完整油膜潤滑可分為兩種特殊類型：其一是填充油膜潤滑，該種潤滑的邊界表面是剛性的，且滑油黏度不是關于油膜壓力的函數；其二是流體彈性動力潤滑，該種潤滑的高接觸壓力會增加接觸面間的黏度和變形。應用在直升機傳動系統中的圓周密封都可能出現這兩種潤滑形式。

4.9 裝配與分解的影響

4.9.1 裝配的影響

合理的裝配技術能夠對傳動系統密封的性能有所幫助。而裝配引起的損傷能導致密封的過早失效。其中最關鍵的裝配操作是在滾道上安裝圓周密封。由于不合理的滾道設計或不完善的裝配技術，石墨環非常容易損壞。

圖2 貼緊參考軸肩安裝密封

圖3 通過機匣的參考表面安裝密封

正確的安裝方法是用如圖2所示的工具將圓周密封壓入機匣直至靠緊定位軸肩。如果沒有軸肩，可以采用圖3所示的方法。在某些情況下，加熱殼體引起的熱膨脹能夠減少配合緊度和將密封件壓入機匣所需的軸向力。在安裝密封件和軸時，軸必須有一個足夠大的倒角，用來防止密封件損壞并且便于安裝。倒角與軸外徑轉接處的尖角或毛刺造成的密封件損壞是一個常見的問題。

4.9.2 分解的影響

分解密封件通常會產生破壞，這排除了密封件重復使用的可能。殼帶有拆卸環槽的圓周密封（圖4），可以減少分解引起的損壞。但如果分解密封件用力過大，這種拆卸環槽的方法可能會引起機匣邊緣變形。

圖4 帶有拆卸環槽的圓周密封

5 結 語

本文針對直升機傳動系統圓周密封技術進行研究，具體在圓周密封結構、工作原理、工作條件及性能等方面進行了詳細闡述。對后續直升機傳動系統圓周密封的應用具有一定意義。

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