基于ABAQUS的航空泵類(lèi)產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)滲油分析

王會(huì)敏，郭垠昊，楊志武，戚得新，劉建芳

(1.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司；2.陸裝駐洛陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室,河南 新鄉(xiāng) 4530003；3.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，陜西 西安 710129）

隨著我國(guó)航空裝備的不斷發(fā)展，機(jī)載航空部件質(zhì)量問(wèn)題頻發(fā)，逐漸引起生產(chǎn)方與客戶的重視。

在航空眾多系統(tǒng)中，泵類(lèi)部件作為系統(tǒng)的動(dòng)力源，其正常工作是系統(tǒng)整體可靠性中關(guān)鍵的一環(huán)。由于泵類(lèi)產(chǎn)品配套裝備全域氣象環(huán)境、嚴(yán)苛工況環(huán)境等因素，泵類(lèi)產(chǎn)品在實(shí)際使用中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。當(dāng)出現(xiàn)漏油現(xiàn)象時(shí)，主要是從密封結(jié)構(gòu)尺寸、密封圈表面質(zhì)量等方面進(jìn)行排查，復(fù)查與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不一致之處，并通過(guò)定性的改進(jìn)密封結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)重復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，摸索并確定改進(jìn)措施。此方法為面向工程實(shí)際中解決問(wèn)題的手段，難以從根本上查找漏油原因。

本文針對(duì)某型泵類(lèi)產(chǎn)品漏油問(wèn)題，在傳統(tǒng)行業(yè)故障分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Abaqus軟件對(duì)泵類(lèi)產(chǎn)品橡膠材料密封圈進(jìn)行分析，查找漏油的根本原因，這一方法為同類(lèi)型航空泵類(lèi)部件故障漏油分析提供新的解決思路。

1 產(chǎn)品組成

圖1為某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)用齒輪泵。

圖1 齒輪泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

主要由微型齒輪泵、高轉(zhuǎn)速直流電動(dòng)機(jī)、輸油活門(mén)、排氣活門(mén)、單向活門(mén)、調(diào)壓活門(mén)和微動(dòng)開(kāi)關(guān)組成。其主要功能，一方面，是將合適流量的燃油增壓后供給給其他零組件；另一方面，當(dāng)油泵停止工作時(shí)，防止油氣倒流至油箱。

由于該型齒輪泵涉及的零件眾多，并且電機(jī)轉(zhuǎn)速最高可達(dá)10000r/min，產(chǎn)品有多處需要密封的部位，導(dǎo)致其可能出現(xiàn)滲漏點(diǎn)較多。

2 故障分析

2.1 故障現(xiàn)象

在某次發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該燃油泵出現(xiàn)了漏油故障，漏油位置位于微型泵電機(jī)輸出端結(jié)合面，如圖2所示。

圖2 漏油點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

2.2 故障分析

2.2.1 故障樹(shù)分析及原因排查

根據(jù)該型齒輪泵漏油位置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以漏油問(wèn)題作為頂事件，建立故障樹(shù)。故障底事件為：

（1）軸組件制造偏離X1、X2；（2）泵座制造偏離X3、X4、X5；（3）密封圈制造偏離 X6、X7、X8；（4）彈簧尺寸超差X9；（5）軸向壓緊力超差相關(guān)底事件X10、X11、X12；（6）裝配試驗(yàn)過(guò)程質(zhì)量控制不到位X13；（7）密封零件倒角設(shè)計(jì)不合理X14；（8）彈簧彈力設(shè)計(jì)不合理X15；（9）密封圈材料選擇不合理X16；（10）主動(dòng)軸粗糙度設(shè)計(jì)不合理X17。

經(jīng)過(guò)對(duì)故障樹(shù)底事件的排查，不能排除的故障底事件為：密封零件倒角設(shè)計(jì)不合理X14。

該泵產(chǎn)品有國(guó)外樣機(jī)，經(jīng)計(jì)量測(cè)繪，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)軸處存在一處尺寸與原件不一致。經(jīng)進(jìn)一步分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，確定此處倒角影響產(chǎn)品密封性。

2.2.2 機(jī)理分析

該型泵的密封結(jié)構(gòu)為平面式動(dòng)密封（見(jiàn)圖2）。在彈簧力作用下，通過(guò)主動(dòng)軸和泵前座組件壓緊密封圈兩端面進(jìn)行密封，上端面與主動(dòng)軸貼合，下端面與泵前座孔底面貼合。產(chǎn)品工作時(shí)，摩擦副之間存在適當(dāng)間隙，液體滲入間隙，使得密封端有足夠的液膜。由內(nèi)部工作液壓力和彈簧預(yù)緊力形成正壓力，電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦副之間的正壓力與液膜張力達(dá)到平衡，使主動(dòng)軸與密封圈自行貼緊，形成有效密封面。

產(chǎn)品余油孔漏油主要因?yàn)楸们白椎撞棵芊馐АＲ蛎芊馊ν鈴脚c泵前座孔內(nèi)徑為過(guò)盈配合，當(dāng)主動(dòng)軸壓緊密封圈時(shí)，主動(dòng)軸端密封圈被壓縮后無(wú)延伸空間，故密封圈外圓部分卷起。主動(dòng)軸密封面外圓倒角較小時(shí)，會(huì)與密封圈卷起部分產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致主動(dòng)軸與密封圈無(wú)法完全貼合，當(dāng)產(chǎn)品處于振動(dòng)的工作環(huán)境中，部分燃油會(huì)從泵前座孔與密封圈卷起部分處滲入，由于連續(xù)振動(dòng)的影響，部分燃油將沿著密封圈與主動(dòng)軸的間隙處滲出，最終導(dǎo)致漏油孔滲漏。

當(dāng)產(chǎn)品充分磨合后，主動(dòng)軸與密封圈的干涉位置會(huì)減小或消失，密封圈兩端密封面能夠完全壓緊貼合，達(dá)到密封效果，阻斷燃油泄漏。

3 計(jì)算分析

主動(dòng)軸與泵前座組件孔之間的間隙（取極限值），經(jīng)計(jì)算如下：

縫隙面積為0.00525mm2，軸向過(guò)盈量為0.1mm，軸向間隙量0.4mm，徑向過(guò)盈量0.23mm，徑向間隙量為0.191mm。

以軸向尺寸為x軸，以徑向尺寸為y軸，過(guò)盈為+，間隙為-，創(chuàng)建二維笛卡爾坐標(biāo)系，見(jiàn)圖3所示。

根據(jù)圖3，橡膠圈的公差變形函數(shù)可寫(xiě)為f=2x+0.4y+xy。

圖3 坐標(biāo)系

當(dāng)f＞0，橡膠圈開(kāi)始填充間隙；當(dāng)f＞A，橡膠圈填滿間隙。

求解上述不等式包絡(luò)線，如圖4所示。

圖4 包絡(luò)線示意圖

軸向、徑向配合公差落在紅色包絡(luò)線右側(cè)，表示縫隙被完全填充的概率很大，軸向、徑向配合公差落在黑色包絡(luò)線左側(cè)，表示縫隙未填充的概率很大。

根據(jù)尺寸計(jì)算分析，加工出的零件中存在一定概率對(duì)縫隙進(jìn)行填充的結(jié)果，進(jìn)而形成密封作用的失效。

4 計(jì)算機(jī)仿真分析

4.1 模型簡(jiǎn)化

產(chǎn)品對(duì)象為橡膠類(lèi)密封，采用業(yè)界彈性類(lèi)材料受力分析功能強(qiáng)大的軟件Abaqus，首先對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化思路為：（1）依據(jù)密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將仿真計(jì)算模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱模型；（2）主動(dòng)軸、泵前座材料為金屬材料，其彈性模量較橡膠材料大很多，因此，將主動(dòng)軸、泵前座簡(jiǎn)化為解析剛體部件；（3）仿真計(jì)算模型右側(cè)添加一個(gè)輔助擋圈，避免泵前座上推時(shí)將密封圈擠出導(dǎo)致計(jì)算終止；（4）密封圈、泵前座增加0.05mm倒圓角，以增加仿真計(jì)算模型收斂性。簡(jiǎn)化前后的模型如圖5所示。

圖5 密封模型簡(jiǎn)化

4.2 密封圈變形分析

4.2.1 連接關(guān)系

在主動(dòng)軸、輔助擋圈和密封圈之間設(shè)置為摩擦接觸連接關(guān)系，見(jiàn)圖6所示。

圖6 仿真連接關(guān)系設(shè)置

4.2.2 邊界條件

Step1：主動(dòng)軸、輔助擋圈固定約束，泵前座上推0.02mm，該分析目的是加緊密封圈使接觸關(guān)系生效；Step2：主動(dòng)軸、泵前座固定約束，輔助擋圈左移0.03mm，該分析目的避免泵前座上推時(shí)將密封圈擠出導(dǎo)致計(jì)算終止；Step3：主動(dòng)軸、輔助擋圈固定約束，泵前座上推至保留密封圈真實(shí)厚度的位置（密封圈厚度尺寸在公差范圍內(nèi)浮動(dòng)。

4.2.3 分析結(jié)果

不添加輔助擋圈，泵前軸直接上推，密封圈位移、等效應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。可以看出，泵前軸上推過(guò)程中由于摩擦力緣故，導(dǎo)致密封圈擠出，甚至剪斷，仿真分析過(guò)程計(jì)算終止。添加輔助擋圈，泵前座分步上推，分析結(jié)果如8所示。由結(jié)果可以看出，泵前座上推至密封圈被壓緊狀態(tài)，密封圈存在擠入縫隙的傾向，易導(dǎo)致密封圈的磨損或啃傷風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 位移及等效應(yīng)力圖（無(wú)擋圈，直接上推）

提取泵前座上推過(guò)程力，如圖9所示。左側(cè)接觸應(yīng)力為0MPa，處于小縫隙狀態(tài)；右側(cè)接觸應(yīng)力＞0MPa,處于接觸狀態(tài)，密封圈在水平面內(nèi)平直度較差，彈簧力傳遞到右側(cè)成分較大，局部應(yīng)力集中，易造成密封圈磨損風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 泵前座過(guò)程力分析結(jié)果

5 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

5.1 改進(jìn)措施

根據(jù)前節(jié)分析及仿真結(jié)果，提出改進(jìn)措施：

（1）主動(dòng)軸設(shè)計(jì)圖紙倒角R0.1增加公差。

（2）優(yōu)化加工過(guò)程，固化砂輪的修正頻次，優(yōu)化倒角R0.1的公差。

圖8 位移及等效應(yīng)力圖（有擋圈，分步上推）

（3）細(xì)化檢驗(yàn)要求，外磨工序和總檢工序100%使用投影儀測(cè)量主動(dòng)軸倒角的實(shí)際值，不允許倒角兩端有翻邊毛刺。

5.2 措施驗(yàn)證

選取8臺(tái)采取改進(jìn)后產(chǎn)品進(jìn)行措施驗(yàn)證工作。在廠內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)，并隨主機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行5次啟動(dòng)試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)均無(wú)漏油現(xiàn)象。

6 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于機(jī)載部件密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)充分利用計(jì)算機(jī)仿真、流體力學(xué)分析等分析手段，從泵的工作原理出發(fā)對(duì)設(shè)計(jì)尺寸、公差配合予以優(yōu)化。

企業(yè)在進(jìn)行設(shè)備的升級(jí)改造的同時(shí)，應(yīng)把原先生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)由人工操作積累的成熟的經(jīng)驗(yàn)方法固化至工藝文件中，避免產(chǎn)品的質(zhì)量波動(dòng)。對(duì)同類(lèi)型的泵出現(xiàn)的問(wèn)題不斷歸納總結(jié)成經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，在以后的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中避免類(lèi)似問(wèn)題重復(fù)發(fā)生。