某型舵機密封失效分析

李雪 郭海利 劉永俊

國營蕪湖機械廠 安徽 蕪湖 241007

0 引言

某型舵機為飛機舵面操縱的核心部件，密封失效是該舵機常見故障之一。出現(xiàn)密封失效故障不僅影響產(chǎn)品自身性能，還會造成液壓系統(tǒng)油量短缺，無法實現(xiàn)飛機操縱，同時還污染環(huán)境。本文以舵機連通活門密封失效為研究對象，對造成密封失效的原因進行分析，并制定相應(yīng)改進措施。

1 密封失效現(xiàn)象

某型飛機在進行飛行作業(yè)時出現(xiàn)液壓系統(tǒng)壓力急劇下降現(xiàn)象。經(jīng)系統(tǒng)排查確認漏油部位為該飛機中的某型舵機。通過試驗驗證，確認該舵機密封失效部位為連通活門，舵機結(jié)構(gòu)圖見圖1。通過對舵機進一步分解，確定造成該連通活門密封失效的主要原因為該處密封圈出現(xiàn)損壞，見圖2。

圖1 某型舵機結(jié)構(gòu)圖

圖2 密封圈失效狀態(tài)

2 密封失效原因分析

2.1 原因分析

針對連通活門進油口密封圈擠壓、破損情況，建立O型密封圈密封失效故障樹，見圖3。

圖3 O型密封圈密封失效故障樹

根據(jù)上述故障樹，引起密封圈靜密封失效的可能影響因素有：無損泄漏、老化變形、介質(zhì)腐蝕、密封圈質(zhì)量缺陷、間隙咬傷等。

2.2 故障點定位

無損泄漏指密封圈尺寸偏小與裝配槽不匹配導(dǎo)致密封圈完好的情況下發(fā)生的泄漏。經(jīng)現(xiàn)場檢查，排除無損泄漏的可能。

老化變形指密封圈長期使用或存放導(dǎo)致材質(zhì)老化，因該密封圈制造出廠僅1年時間，且包裝儲存正常，裝機使用時間較短，故排除老化變形的可能。

介質(zhì)腐蝕指密封圈材料與安裝部位材料不相容，該密封圈使用2-5013膠料，經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，可以排除介質(zhì)腐蝕的情況。

密封圈質(zhì)量缺陷，包括膠料質(zhì)量問題或制造問題，導(dǎo)致密封圈密封性能降低，不能滿足高壓密封要求。

間隙咬傷指由于密封配合件之間存在一定的間隙，密封圈在高壓力液壓油作用下部分被擠入間隙而被咬傷。造成間隙咬傷的原因為裝配控制不當(dāng)或密封圈受壓擠入間隙被咬傷。由于密封圈裝配屬于手工操作，存在裝配密封圈時控制不當(dāng)或密封圈受壓擠入間隙被咬傷的可能。

基于以上分析，確認造成該舵機密封失效的可能原因為：密封圈質(zhì)量缺陷及間隙咬傷。

2.3 密封圈失效分析

2.3.1 斷口宏觀觀察

失效密封圈存在約總長五分之一的缺失，其中一端存在局部翹起（記為A端），并存在局部缺失；另一端斷口較為平齊（記為B端）。圖4為密封圈與連通活門殼體接觸面體式顯微鏡形貌，圖5為斷口A端體式顯微鏡形貌。由圖5可見舵機殼體表面接觸的密封圈存在周向損傷痕跡，痕跡的深淺、寬窄程度不同，在缺失部位損傷痕跡較寬、較深，損傷部位對面位置的密封圈邊緣擠壓痕跡較窄、較淺。

圖4 舵機連通活門殼體宏觀形貌

圖5 密封圈與連通活門殼體接觸面體式顯微鏡形貌

利用體式顯微鏡觀察A端和B端形貌，如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，A端斷口形狀不規(guī)則，局部缺失，B端斷口相對平整，兩者不是匹配斷口。

圖6 斷口A端體式顯微鏡形貌

圖7 斷口B端體式顯微鏡形貌

2.3.2 斷口微觀觀察

利用掃面電子顯微鏡對A端、B端及密封圈周向擠壓痕跡進行微觀觀察，其形貌如圖8～圖14所示。圖中顯示A端附近掉塊嚴重，B端附近掉塊較A端輕，距離A、B兩端越遠周向損傷擠壓痕跡越輕，并且擠壓痕跡越靠近密封面。

圖8 A端斷口掃描形貌電鏡形貌之一

圖9 A端斷口掃描形貌電鏡形貌之二

圖10 B端斷口掃描形貌電鏡形貌之一

圖11 B端斷口掃描形貌電鏡形貌之二

圖12 靠近A端斷口掃描電鏡形貌

圖13 靠近B端斷口掃描電鏡形貌

圖14 遠離A、B端周向損傷掃描電鏡形貌

圖15 密封圈紅外檢測結(jié)果

2.3.3 化學(xué)成分及力學(xué)性能分析

對失效密封圈和同規(guī)格的新品進行紅外檢測，檢測結(jié)果如圖15所示。兩條曲線分別為失效件及新品紅外吸收曲線，兩者均為丁腈橡膠，屬于同一類產(chǎn)品。對兩密封圈進行邵爾硬度(非標(biāo))測試，值分別為76、78。非金屬材料性能數(shù)據(jù)庫中規(guī)定2-5013橡膠硬度指標(biāo)為68～83，由此可知該膠圈性能符合要求。

2.4 間隙咬傷情況分析

由某型舵機結(jié)構(gòu)圖可知，連通活門與該舵機殼體密封方式為平面密封。對該模型進行簡化，如圖16所示。舵機連通活門殼體與舵機殼體通過6個螺釘緊固。如固定螺釘擰緊不到位，導(dǎo)致該部位存在異常間隙，在不同壓力作用下，密封圈會發(fā)生如圖16（a）～（c）模型所示的一種往復(fù)式的工作，一段時間后，密封圈則會出現(xiàn)間隙咬傷，最終斷裂，密封失效。

（a）低壓下

（b）中壓下

（c）高壓下

圖16 密封圈工作狀態(tài)

分別擬定安裝間 體材料均擬定為鍛鋁，密封圈材料均 規(guī)格相同，密封圈承受的壓力均為2下，對不同的安裝間隙下密封圈狀 模型[2-6]，如圖17所示，劃分網(wǎng)格 可知，隨著間隙的增加，密封圈形變

圖17 密封圈模型

圖18 劃分網(wǎng)格

圖19 施加約束及荷載

圖20 0.2mm間隙密封圈狀態(tài)

圖21 0.3mm間隙密封圈狀態(tài)

圖22 0.5mm間隙密封圈狀態(tài)

3 結(jié)論

通過對失效膠圈斷口的分析及化學(xué)成分、性能的檢測，可排除密封圈質(zhì)量缺陷的可能。Ansys模型的分析結(jié)果表明，在密封圈質(zhì)量穩(wěn)定及外界壓力條件相同的情況下，平面安裝間隙越大，密封圈越容易被擠入間隙，出現(xiàn)損傷的幾率越大。故該舵機密封失效的主要原因為安裝間隙控制不當(dāng)，導(dǎo)致密封圈被間隙咬傷。為保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，應(yīng)盡量控制安裝后兩平面間間隙。