某型直升機液壓油箱密封圈試驗選型及分析

劉瑞杰，徐 峰，程 雄

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

液壓油箱是液壓系統的主要附件，用來儲存保證液壓系統正常工作所需的油液，并有散發系統工作產生的熱量，分離混在油液中的空氣和沉淀油液中污物等作用[1,2]。液壓油箱按油箱內油液與空氣接觸與否可分為非隔離式和隔離式兩大類。隔離式油箱由于油氣隔離，杜絕了外界空氣、水和污染微粒直接進入系統的可能性，有利于油液的清潔，并有較高的工作品質，目前在國內外高性能的飛機上應用非常廣泛[3]。增壓油箱通過對液壓油箱中油液進行增壓，可以提高液壓泵的入口壓力，改善液壓泵起動工作條件，能顯著提高液壓泵的高空性能，目前在飛機上應用也很普遍。對于增壓油箱來說，密封性是其設計的關鍵，尤其是大直徑活塞與外筒之間，密封要求很苛刻，在設計時不僅要求有良好的靜態和動態密封，而且要求低摩擦力保證活塞具有良好的隨動性[4-6]。

某型直升機使用隔離式自增壓液壓油箱，活塞與筒體之間的密封采用聚四氟乙烯材料的U型密封圈。該油箱在使用和維護過程中多次出現油液滲漏的現象，給用戶造成諸多不便。針對此問題，本文在理論分析的基礎上，精選了4種形式的油箱密封結構，通過試驗及分析，選出了最優密封構型，解決了液壓油箱油液滲漏的問題。

1 增壓油箱的工作原理及密封特點

某型機增壓油箱的組成及工作原理如圖1所示，它利用系統返回的高壓油液進行增壓，油箱內安裝有一個增壓彈簧，用于提供初始增壓壓力。油箱分為兩個腔，一腔為儲存油液的儲油腔I，一腔為高壓油腔H。油箱的增壓壓力來源于系統中的液壓泵，經過減壓閥減壓到需要的壓力，該壓力作用在液壓油箱高壓油腔上，使儲油腔內形成一定的增壓壓力。若兩腔的油壓和作用面積分別為PH、SH，PI、SI，在不計摩擦力的情況下，由于SHPH=SIPI，從而PI=PHSH/SI，PI即為液壓油箱的增壓壓力。

圖1 液壓油箱增壓原理示意圖

該液壓油箱活塞與外筒內表面之間的密封為大直徑密封，設計難點除了低摩擦力、良好的靜態和動態密封外，液壓油箱溫度適用范圍也特別寬(-55℃～+70℃)，這使得此液壓油箱活塞密封圈選型難度較大。最初選用的聚四氟乙烯材料的U型密封圈由于試驗不夠充分，在使用和維護過程中多次出現了油液滲漏的現象。針對此問題，本文精選了4種形式的液壓油箱活塞密封結構進行試驗，通過試驗及分析，選出最優密封構型，希望能夠徹底解決液壓油箱油液滲漏的問題。

2 液壓油箱密封設計方案及試驗項目

2.1 油箱活塞密封設計方案

方案1：山形組合密封圈密封

如圖2所示，配套專用防塵圈，密封圈采用山形組合密封圈，該組合密封圈由2個擋圈和1個截面為等腰梯形的聚四氟乙烯密封圈組成。其優點有：①對間隙的抗擠出能力極強；②具有良好的動、靜態密封性和低壓密封性；③摩擦阻力小；④故障率低，使用壽命長。

圖2 山形組合密封圈密封設計方案

方案2：雙層組合密封圈雙密封

如圖3所示，雙密封結構無防塵，密封采用的是雙層組合密封圈，該組合密封圈由內、外兩層組成，外層為PTFE異形密封圈，內圈為O型圈。優點有：①適用于雙向承壓的活塞；②具有良好的抗擠出能力；③有良好的動、靜態密封性能和高低溫適應性；④有良好的耐磨性，使用壽命長；⑤具有良好的性價比。

方案3：齒形密封圈密封

如圖4所示，采用毛氈圈防塵，密封圈采用齒形密封圈。該密封圈具有如下優點：①具有良好的密封性和耐高低溫性能；②對間隙的抗擠出能力較強；③工作壽命長；④安裝容易，可大大減少因裝配不當引起的密封圈失效的故障，但需安裝活塞端蓋。

圖3 雙層組合密封圈雙密封設計方案

圖4 齒形密封圈密封設計方案

方案4：雙層組合密封圈單密封

如圖5所示，采用毛氈圈防塵，密封采用的是雙層組合密封圈，該組合密封圈的優點同方案2。

圖5 雙層組合密封圈單密封設計方案

2.2 試驗項目及說明

液壓油箱需做的試驗項目有6項，所有試驗件必須完成所有試驗項目的考核。若有任一項試驗不合格，可在采取糾正措施后，重新進行全部試驗。試驗全部合格，則該密封設計試驗方案通過。

1)摩擦力測定

測量液壓油箱活塞處最大靜摩擦力，摩擦力應小于規定數值。

2)功能檢查試驗

向液壓油箱儲油腔和高壓油腔交替供壓，使活塞在全行程內循環50次，活塞應運動靈活，無緊澀現象，各密封處密封良好，無油液滲漏現象。

3)低溫工作試驗

將液壓油箱放在高低溫試驗箱內，待溫度穩定在最低使用溫度-40℃后，保持2小時，油箱應無滲漏無變形，且能正常工作。

4)低溫儲存試驗

將液壓油箱放在高低溫試驗箱內，待溫度穩定在最低儲存溫度-55℃后，保持2小時，油箱應無滲漏無變形，恢復工作溫度后能正常工作。

5)高溫工作試驗

將液壓油箱放在高低溫試驗箱內，在規定溫度值33℃～71℃范圍內模擬一天的熱氣候條件進行3個日循環，每個循環24小時，油箱應無滲漏無變形，且能正常工作。

6)高溫儲存試驗

將液壓油箱放在高低溫試驗箱內，待溫度穩定在最高儲存溫度70℃后，保持2小時，油箱應無滲漏無變形，恢復工作溫度后能正常工作。

3 試驗結果及選型分析

3.1 試驗結果

液壓油箱按方案1至方案4共做了4套試驗件，4種活塞密封設計方案分別對應1#-4#試驗件，所有試驗件均完成了第2.2節中所規定的試驗項目。各個油箱試驗件試驗情況及詳細說明如下：

1)1#試驗件在做低溫工作試驗時有油液滲漏現象，如圖6所示。

圖6 低溫工作試驗時1#試驗件滲出的油液

2)1#、3#試驗件在高溫工作試驗時出現油液滲漏現象，如圖7和圖8所示，且1#試驗件在做高溫儲存試驗時有油液微滲現象。

3)2#、4#試驗件按規定完成了所有試驗項目，并重點考核了其低溫和高溫試驗性能，如圖9所示為2#、4#試驗件低溫工作試驗時的狀況，未發現油液滲漏現象。經過試驗，2#、4#試驗件均通過了試驗考核。

圖7 高溫工作試驗時1#試驗件滲出的油液

圖8 高溫工作試驗時3#試驗件滲出的油液

圖9 2#、4#試驗件低溫工作試驗狀況

3.2 試驗分析及選型

由試驗結果可以看出，1#試驗件(方案1)和3#試驗件(方案3)均出現了滲漏，經與廠家聯系，未給出后續解決方案，故該密封設計方案暫不采納。2#、4#試驗件(方案2和方案4)采用雙層組合密封圈的密封結構在低溫試驗時曾出現過油液滲漏現象，在聯系廠家更換改進的密封圈后，2#、4#試驗件均通過了所有試驗項目考核，為合格。

2#試驗件活塞與外筒之間的密封結構形式采用雙密封設計方案，如圖3所示，通過了試驗考核，密封狀況良好。但是，采用雙密封結構的液壓油箱在不斷往復運動過程中，兩道密封結構之間可能因為油液積存產生瞬時高壓[7,8]，易損傷液壓油箱外筒內表面鍍層，對油箱造成損壞，影響油箱的使用壽命，故作為備選方案。4#試驗件活塞與外筒之間的密封結構形式采用單密封設計，并使用毛氈圈防塵，如圖5所示，在此次試驗過程中，未出現油液滲漏現象，滿足液壓油箱的密封使用要求。

鑒于以上原因，同時考慮到雙層組合密封圈在成本、質保以及售后服務等方面的優勢，通過綜合分析比較，液壓油箱活塞密封結構形式最終選擇雙層組合密封圈單密封加氈圈防塵密封設計方案(方案4)。

4 結束語

液壓油箱設計的好壞直接影響到液壓系統的安全性和可靠性，而密封性又是液壓油箱設計的關鍵。隨著科技的不斷發展和進步，各型密封圈在液壓系統及其附件中的應用越來越多，正確地選擇使用密封圈顯得更加重要。本文在涉及到大直徑活塞與筒體之間的密封問題上，選擇了4種密封設計方案。在理論上每種密封設計方案均是可行的，但在具體使用時卻受到諸多因素的影響而密封效果千差萬別。因此，在選用密封圈時應注重理論和試驗的結合，同時還要不斷跟蹤密封圈在飛機上的使用情況，不斷改進，直到徹底解決問題。