主泵調(diào)節(jié)器回油活門襯套橡膠密封圈損傷分析

彭中亞 楊曉飛 胡平 張東晉川 李曉超 陳搖

摘要：主泵調(diào)節(jié)器回油活門襯套橡膠密封圈損傷失效直接影響計量活門前后油壓的穩(wěn)定，給飛行帶來安全隱患。通過紅外材質(zhì)對比、形貌觀察，結(jié)合橡膠密封圈的受力特性，分析了主泵調(diào)節(jié)器回油活門橡膠密封圈的破損失效性質(zhì)和原因。結(jié)果表明，回油活門襯套第一道橡膠密封圈破損的原因是因采用專用拔具分解時在沖擊力作用下產(chǎn)生的一定側(cè)向力造成的橡膠密封圈局部撕裂。

關(guān)鍵詞：橡膠密封圈；回油活門；失效；分解

Keywords：rubber sealing ring；oil return valve；failure；decomposition

0 引言

橡膠密封件具有高的彈性和抗壓變性能[1]，可以有效阻止壓力介質(zhì)的泄漏，在飛行器中得到廣泛應(yīng)用。橡膠密封件失效的直接后果是密封流體泄漏，重則導(dǎo)致機械設(shè)備操縱失效，甚至發(fā)生爆炸、引起火災(zāi)，在航空領(lǐng)域更會造成機毀人亡的重大惡性事故。據(jù)初步統(tǒng)計，機械設(shè)備和武器裝備三分之一以上的質(zhì)量事故都是由密封件失效引起的[2]。

某型航空發(fā)動機主泵調(diào)節(jié)器的壓差控制器通過調(diào)節(jié)齒輪泵的回油量保持計量活門前后油壓差穩(wěn)定，回油活門是壓差控制器的執(zhí)行元件，若主泵調(diào)節(jié)器回油活門上橡膠密封圈在裝配過程中破損、斷裂失效，會造成燃油泄漏，勢必影響計量活門前后的油壓差，從而給飛行帶來安全隱患。

本研究通過紅外材質(zhì)對比、形貌觀察，結(jié)合橡膠密封件的受力特性，分析了主泵調(diào)節(jié)器回油活門密封圈破損失效的性質(zhì)和原因。

1 試驗方法

1.1 試驗設(shè)備

包括體式顯微鏡，放大倍數(shù)0～40倍；電子掃描電鏡；傅里葉紅外光譜儀。

1.2 分析方法

首先，對失效橡膠密封件殘骸的材質(zhì)進行分析；其次，對殘骸的形貌進行拼湊，找出故障源的部位；第三，通過體式顯微鏡和電子掃描電鏡進行斷口分析；最后，通過橡膠密封件的受力特性，分析主泵調(diào)節(jié)器回油活門橡膠密封圈破損失效性質(zhì)和原因[3]。

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀檢查

橡膠密封圈的破損位置位于回油活門襯套第一道橡膠密封圈外側(cè)表面（見圖1），破損長度約10.78mm，最寬處約0.88mm，最窄處約0.42mm。橡膠密封圈呈棕色，彈性良好，無龜裂等老化現(xiàn)象。對應(yīng)片狀物呈棕色，具有彈性，與破損橡膠密封圈破損形貌基本一致，破損橡膠圈靠近回油活門襯套的一端粗糙，下端較平直。

2.2 材料分析

采用紅外光譜儀對破損橡膠密封圈的成分進行分析，見圖2。

2.3 斷口分析

在體式顯微鏡下觀察橡膠密封圈破損處（見圖3）。破損處斷面粗糙，呈禮花狀，無疲勞斷裂特征。破損處靠蓋子側(cè)為不規(guī)則撕裂狀，另一側(cè)較為平齊。破損處可見白色添加劑顆粒。分析認為，密封圈破損起源于平齊一側(cè)[5]。

在電子掃描鏡下觀察破損橡膠密封圈對應(yīng)的片狀物（見圖4）。片狀物一面光滑，另一面表面粗糙，具有斷裂特征，可見添加劑顆粒，片狀物兩面無磨損痕跡，未見老化特征。片狀物內(nèi)最大添加劑顆粒如圖5所示，尺寸約為23.21μm，寬為18.04μm，符合Q/6S1822-2002《FX-17氟橡膠膠料》[6]“膠料不允許混入0.15mm組分顆粒存在”的要求，添加劑顆粒表面光滑、無磨痕。通過能譜分析可知，添加劑顆粒主要含O、Mg、Ca元素，與FX-17氟橡膠添加劑主要成分相符。

破損處一側(cè)較平整，另一側(cè)可見撕裂痕跡和撕裂凸起。根據(jù)斷口形貌判斷，回油活門襯套橡膠密封圈的破損是由于機械損傷造成，破損橡膠密封圈材質(zhì)未見異常，無明顯老化現(xiàn)象[7]。

2.4 回油活門結(jié)構(gòu)與受力分析

橡膠密封圈安裝在回油活門襯套上，回油活門襯套有三道橡膠密封圈，回油活門殼體襯套安裝孔有三個密封臺階與之對應(yīng)，殼體每個密封臺階從襯套裝入方向均有1×25°倒角，檢查發(fā)現(xiàn)破損的橡膠密封圈為靠近襯套擋邊的第一道（見圖6）。

安裝襯套時，在橡膠密封圈上涂抹潤滑油，將裝有橡膠密封圈的襯套壓入殼體，橡膠密封圈經(jīng)過殼體倒角后最終停留在密封臺階處（見圖7左）。此時，襯套擋邊壓緊在殼體的結(jié)合面上，橡膠密封圈處于襯套密封槽靠近上端位置，橡膠密封圈在殼體與襯套之間的壓縮緊度約0.4mm。分解襯套時由于緊度較大，需要通過專用拔具靠沖擊才能拔出。在分解沖擊力下的拔出過程中，橡膠密封圈向下翻滾直至密封槽最下端，同時橡膠密封圈部分表面從下部開始撕裂，產(chǎn)生破皮，帶橡膠密封圈的襯套隨專用拔具一起拔出，橡膠密封圈恢復(fù)自由狀態(tài)，因而造成了橡膠橡膠圈的破損（見圖7右）[8]。

因此，回油活門襯套第一道橡膠密封圈破皮的原因為采用專用拔具分解時在沖擊力作用下產(chǎn)生了一定的側(cè)向力，從而造成橡膠密封圈的局部撕裂。

3 結(jié)論

通過對回油活門襯套第一道橡膠密封圈的破皮外觀、材質(zhì)、斷口進行分析，結(jié)合回油活門的結(jié)構(gòu)以及分解方式，判定回油活門襯套第一道橡膠密封圈破皮的原因是在采用專用拔具分解過程中，沖擊力作用下產(chǎn)生的一定的側(cè)向力造成了橡膠密封圈局部撕裂。

參考文獻

[1]雷曉娟.O型橡膠密封圈的失效分析及預(yù)防[J].特種橡膠制品，2015，36（3）：60-62.

[2]張洪雁，曹壽德，王景鶴.高性能橡膠密封材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[3]許風(fēng)和，邸祥發(fā)，過梅麗，等.航空非金屬失效分析[M].北京：科學(xué)出版社，1993.

[4]劉凱，宮聲凱，陳斌，等.某航空橡膠密封材料成分分析[J].化學(xué)分析計量，2010，19（3）：65-67.

[5]朱強強，許宜軍，等.螺紋連接密封膠圈損傷分析[J].失效分析與預(yù)防，2020，15（1）：52-54.

[6]王珍，張洪雁，蔣洪罡，等. Q/6S1822-2002FX-17氟橡膠膠料[S].北京航空材料研究院，2002.

[7]侯學(xué)勤，范金娟.橡膠密封件的失效分析與橡膠斷口形態(tài)[J].世界橡膠工業(yè)，2010，37（12）：33-37.

[8]李詠，張曉峰，曹蕾，等.某型發(fā)動機插入式導(dǎo)管滲油故障分析及約訪措施[J].航空維修與工程，2015，294（12）：59-61.

作者簡介

彭中亞，高級工程師，主要從事非金屬材料、復(fù)合材料技術(shù)研究工作。