直升機液壓油箱密封圈優化設計研究

趙冬冬 羅江

摘要：密封性能的優劣對液壓油箱的工作狀態以及壽命周期有著重要意義。為探索液壓油箱密封的新構型優化設計方案，文章通過對直升機液壓油箱的使用工況及要求進行深入分析，提出了一種彈簧蓄能組合密封的改進方案。通過充分理論分析和試驗驗證，改進后的組合密封方案滿足了液壓油箱密封性能要求，為產品后期的使用驗證提供了依據，同時也為同類型液壓油箱密封設計提供了有益參考。

關鍵詞：液壓油箱；密封性能；彈簧蓄能密封圈；壓縮率；高、低溫試驗

中圖分類號：TH137.8? 文獻標志碼：A

0 引言

自增壓式液壓油箱通過對液壓油箱中的油液進行增壓，提高液壓泵的入口壓力，能顯著提高液壓泵的高空性能，在航空液壓系統中應用廣泛［1-4］。對于增壓油箱而言，密封性是其設計的關鍵，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。其中組合密封圈，通過特定的方式進行組合、復合兩種或兩種以上不同特性的材質，克服單一材質密封圈的不足，充分體現磨損補償和自潤滑等特性，有效地提升了密封圈的綜合性能［5］。為了提高直升機液壓系統的密封性能，近些年組合密封圈在直升機液壓系統中得到廣泛應用［6］。某型直升機液壓油箱通過試驗驗證分析，選出了最優液壓油箱活塞密封設計方案，解決了液壓油箱油液滲漏的問題［7］。某液壓油箱通過分析油箱中比較關鍵或容易出現問題的密封結構，建立密封結構可靠性分析模型，詳細評估密封改進方案的可行性，以提高航空液壓油箱使用壽命［8］。

本文首先介紹了直升機自增壓油箱的工作原理，然后基于密封結構的特點進行方案設計和分析，提出了一種基于彈簧蓄能組合密封的方案，并通過試驗驗證彈簧蓄能組合密封滿足液壓油箱功能和技術性能的要求。

1 自增壓油箱的工作原理及密封特點

自增壓油箱組成及工作原理如圖1所示，利用系統返回的高壓油液進行增壓，油箱內安裝一個增壓彈簧，形成自增壓壓力，保證液壓系統取樣、排氣時油箱活塞的隨動以及液壓泵啟動時吸油。油箱分為兩個腔，一腔為儲存油液的儲油腔，一腔為高壓油腔。液壓系統工作時，泵出口的壓力油通過減壓閥形成油箱增壓所需要的壓力，在液壓油箱內部通過面積比使儲油腔形成一定的增壓壓力，維持液壓系統正常運轉時液壓泵的進口壓力。

在對液壓油箱活塞與外筒內表面之間的大直徑密封進行優化設計時，為了滿足低摩擦力、動靜態密封功能和高低溫適應性等特性，對密封件材料的選擇，特別在耐受范圍、軟硬程度、摩擦表面粗糙度等方面提出較高要求。本文通過對格萊圈和彈簧蓄能圈進行設計分析，提出了一種基于彈簧蓄能組合密封的優化方案，并通過理論分析和試驗驗證了改進后的組合密封圈滿足液壓油箱密封性能要求。

2 組合密封圈方案設計

2.1 整體方案設計

液壓活塞往復密封一般采用自預緊型組合密封，可以分為比較典型的兩類。一類是以橡膠部件作為施力元件，改性氟塑料為動態部件的組合密封，如格萊圈密封一般由O形圈與矩形滑環共同組成。通過調節徑向的過盈配合，連同O形圈的預壓縮來實現不同形式的密封效果；一類是以金屬彈簧作為蓄能施力元件，改性氟塑料為動態部件的組合密封，如彈簧蓄能密封，一般采用高性能聚合物作為夾套材料，并配合耐腐蝕的金屬蓄能彈簧。當彈簧蓄能密封圈安裝在密封溝槽中時，彈簧的形變壓力會提供密封唇的初始預緊壓力，形成初始密封應力。同時由于系統工作壓力的疊加，使得這個密封系統能夠適應不同壓力條件下的密封，如圖2所示。

本文考慮到格萊圈密封形式對O形圈的材料及尺寸要求很高，同時為了保證密封圈在油箱活塞處的安裝簡便性，此次方案選用V形彈簧蓄能密封圈作為主密封結構，用于提供密封所需徑向和軸向的預緊力，頂部設計的唇形圓弧面保證密封件接觸面的穩定，也有利于在油箱活塞密封溝槽中順利安裝。同時由于液壓油箱活塞與外筒內表面之間的密封具有大直徑密封、閉合式溝槽等特點，在彈簧蓄能密封圈和溝槽底部之間添加一個異形格萊圈，用于穩定安裝溝槽。接觸斜面設計一個凸臺作為輔助密封唇，可以提供滑動及靜態密封二次補償。由于低壓密封時主要依靠彈簧張力提供預壓緊力，預壓緊力偏小，密封性能未達到最佳，因此在底部增加一個O形密封圈，可補充一定的預壓縮量，與彈簧蓄能密封圈組合保證在低壓下的密封效果。組合密封圈整體結構如圖3所示。

2.2 材料選擇

彈簧蓄能密封圈，其典型設計普遍采用高性能聚合物作為夾套材料，并配合耐腐蝕的金屬蓄能彈簧。本文選用某型M06改性聚四氟乙烯（PTFE），該材料是基于聚四氟乙烯添加芳香族聚合物填充的材料，具有偏軟、耐磨、低溫性好等優點，佐配301不銹鋼（GB/T 4231—93）為材料的金屬蓄能彈簧，能使密封圈具備更好的貼合以及密封效果，符合減少低溫泄漏的需求。

Ｏ形密封圈一般由橡膠材料制作，隨著材料基礎研究的廣泛開展，各種新型橡膠材料被開發出來，被廣泛應用于各種密封場合。本文選擇氟硅橡膠作為Ｏ形密封圈的材料，該材料兼具成本優勢的同時，化學和溫度環境的相容性也十分優異，低溫下具有非常好的彈性。

2.3 壓縮率

壓縮率是密封圈設計的重要指標。本文選擇彈簧蓄能密封圈，用于提供密封所需徑向和軸向的預緊力，因此V形彈簧的壓縮率是設計的難點之一。該彈簧的壓縮率主要包括兩部分；一是V形彈簧在安裝進入密封圈彈簧腔時產生的壓縮率，另一部分則是密封圈在裝入液壓油箱活塞密封溝槽時產生的壓縮率。壓縮率過小不利于彈簧蓄能密封圈發揮作用，也存在密封失效的隱患，不能滿足設計要求；壓縮率過大，密封可靠，但摩擦和變形增大，甚至導致彈簧過度壓縮而永久變形。因此該彈簧的經驗壓縮率范圍應該為47%～51%。

本文中液壓油箱活塞密封溝槽截面尺寸H1約為10.5 mm，組合密封圈整體截面高度H2約為10.8 mm，密封圈彈簧腔高度為H3為2.7 mm，V形彈簧無負載時高度H4為4.7 mm。因此彈簧壓縮量（H2-H1） + （H4-H3） = 2.3 mm，彈簧壓縮率為49%，符合經驗壓縮率范圍要求。

2.4 仿真分析

為了進一步評估組合密封圈設計結構的合理性，文章建立了密封系統簡化二維軸對稱模型。借助Abqus軟件模擬該設計方案在使用過程中不同部位的受力變化，分析設計結構的合理性［10-12］。仿真前根據組合密封圈設計方案，對其應用工況、材料屬性等進行相關參數設置，密封圈安裝進入溝槽前的結構如圖4所示。

具體仿真模擬工況有4種：模擬組合密封圈安裝進入溝槽、模擬油箱工作時密封件表面受到的工作流體壓力載荷（油箱儲油腔液壓壓力0.25 MPa）、模擬軸向推進對活塞施加正向位移、模擬軸向推進對活塞施加反向位移。仿真計算所得的密封von Mises應力云圖如圖5所示。

由圖5可知，在安裝狀態下密封圈的von Mises應力主要集中在彈簧蓄能密封圈主密封唇、彈簧腔上表面和格萊圈凸臺處的輔助密封唇。相較于活塞正向位移時，密封在位移摩擦力和流體負載的作用下，最大應力值有所提升。整個仿真過程中所得von Mises應力分布合理，組合密封圈結構符合設計要求。

3 試驗驗證

準備組合密封圈樣品，通過試驗驗證密封圈樣品是否滿足液壓油箱功能和技術性能規定的相關要求，評估組合密封圈方案的合理性，試驗油箱如圖6所示。

3.1 試驗項目

液壓油箱需做的試驗項目主要分為功能性試驗和環境適應性試驗，試驗件應當完成所有試驗項目的考核，用以說明該密封設計試驗方案通過。

（1）功能性能試驗：對油箱進行包括增壓壓力、密封性、耐壓、負壓、爆破等多項功能性能檢查，試驗結果符合相關技術要求。

（2）壽命試驗：向液壓油箱儲油腔和增壓腔交替供壓，使活塞在設計壽命內做全行程循環運動，活塞應運動靈活，無緊澀現象，無油液滲漏現象。

（3）低溫儲存試驗：將液壓油箱放在高低溫試驗箱內，增壓口提供一定液壓壓力，待溫度穩定在最低儲存溫度后，保持4 h，油箱應無滲漏、無變形，恢復工作溫度后能正常工作。

（4）低溫工作試驗：將液壓油箱放在高低溫試驗箱內，待溫度穩定在最低工作溫度后，保持2 h，期間進行一次功能檢查，油箱工作正常。

（5）高溫貯存試驗：將液壓油箱放在高低溫試驗箱內，在規定溫度值33～70℃范圍內模擬一天的熱氣候條件進行7個日循環，油箱應無滲漏、無變形，恢復工作溫度后能正常工作。

（6）高溫工作試驗：將液壓油箱放在高低溫試驗箱內，增壓口提供一定液壓壓力，在規定溫度值70～110℃范圍內模擬一天的熱氣候條件進行3個日循環，每次循環內進行一次功能檢查，油箱工作正常。

（7）振動試驗：將液壓油箱放在振動臺上，按規定振動試驗譜進行循環的功能試驗，每次試驗后進行一次功能檢查，油箱工作正常。

3.2 試驗結果及分析

此次油箱試驗一共準備了兩套試驗件（1號、2號），1號主要完成3.1規定的（1）～（6）試驗項目，重點考核其低溫試驗性能，2號主要完成振動試驗。

（1）1號試驗件在功能性能試驗中，活塞運動靈活，無緊澀現象，無成滴泄漏及材料失效跡象；耐久性試驗中每1 000次往返全行程后進行的檢查中油箱無工作異常，整個試驗過程中活動密封處無泄漏，各部件無永久變形，固定密封處無成滴泄漏；高、低溫試驗中功能檢查正常，規定溫度范圍內油箱無異常，低溫下活塞密封處無泄漏現象，符合液壓油箱環境適應性的要求。

（2）2號試驗件在振動試驗中油箱功能性能完好，活塞運動靈活，各密封處無成滴泄漏及材料失效跡象。

因此經過試驗驗證，1號、2號試驗件順利通過功能性能試驗和環境適應性試驗考核，彈簧蓄能組合密封方案滿足液壓油箱的密封使用要求。

4 結語

（1）本文針對直升機液壓油箱的動密封優化設計，提出了彈簧蓄能組合密封設計方案：整體方案以V形彈簧蓄能密封圈為主密封結構，搭配異形格萊圈的輔助密封唇凸臺，構建穩定的密封安裝溝槽，底部增加一個O形密封圈，補充低壓時的密封預緊力。

（2）對密封圈設計方案進行壓縮量分析，計算得出V形彈簧壓縮率為49%，滿足該型彈簧的經驗壓縮率要求，同時基于Abqus軟件建模，仿真所得的密封圈von Mises應力云圖效果良好，進一步驗證了組合密封圈設計結構的合理性。

（3）將組合密封圈樣件安裝在液壓油箱上，進行功能性能試驗和環境適應性試驗。試驗結果表明試驗件能順利通過功能性能試驗和環境適應性試驗考核，彈簧蓄能組合密封圈滿足液壓油箱的密封使用要求。

綜上所述，彈簧蓄能組合密封圈的改進方案滿足液壓油箱密封性能要求，為產品后期的使用驗證提供了依據，同時也為同類型液壓油箱密封設計提供了有益參考。

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（編輯 王雪芬）

Research on optimization design of sealing ring for the helicopter hydraulic tank

Zhao? Dongdong， Luo? Jiang

（China Helicopter Research and Development Institute， Jingdezhen 333001， China）

Abstract：? The degree of sealing performance is of great significance to the working state and life cycle of the hydraulic tank. In order to explore the new configuration design scheme of dynamic seal of hydraulic tank， this paper proposes an improved scheme of spring energy storage combined seal through in-depth analysis of the working conditions and requirements of the helicopter hydraulic tank. Through sufficient theoretical analysis and experimental verification， it is shown that the improved combined sealing scheme meets the sealing performance requirements of hydraulic tank， which provides a useful reference for the product， and also provides useful reference for the seal design of the same type of hydraulic tank.

Key words： hydraulic tank; sealing performance; spring energized seal ring; compression ratio; high and low temperature test