淺析某增壓泵機械密封的失效原因及解決措施

0 引言

隨著機械密封技術的發(fā)展，機械密封以其泄漏量少、可靠性高、適用范圍廣、使用壽命長等優(yōu)勢，大量應用在航空離心泵的密封上。然而，在實際使用過程之中，會因為多種因素導致增壓泵機械密封失效。為減少增壓泵機械密封失效的情況，延長增壓泵壽命，降低機務維護成本，本文以某型機上的增壓泵機械密封失效為例，針對機械密封在使用中出現(xiàn)的問題，通過認真研究、故障樹排查分析，得到了機械密封的失效原因，并提出了相應的解決措施。

1 增壓泵介紹

航空增壓泵用于某型預警機液冷系統(tǒng)，是該系統(tǒng)的重要成品。產(chǎn)品主要功能是為飛機液冷系統(tǒng)冷卻液進行增壓，實現(xiàn)冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，由交流電動機和泵體兩部分組成。交流電動機為感應異步式，它由定子組件、轉(zhuǎn)子組件、殼體組件、風扇等組成。泵體部分為單級離心泵的結(jié)構(gòu)，主要由葉輪、蝸殼、機械密封裝置等組成。泵體和電機部分采用花鍵傳動、法蘭連接固定。電機和泵體之間布置有機械密封裝置，防止冷卻液進入電機內(nèi)部。

電機通電后帶動電機軸轉(zhuǎn)動，電機通過花鍵軸傳遞扭矩帶動泵軸轉(zhuǎn)動，此時葉輪通過泵軸上的平鍵被帶動一起轉(zhuǎn)動。充滿葉輪中的冷卻液在葉片離心力作用下被甩向外緣，使之得到增速和增壓。此時，葉輪內(nèi)緣部分產(chǎn)生真空，得以繼續(xù)吸入冷卻液，這樣就形成了冷卻液從葉輪進口到出口連續(xù)不斷的流動。被甩往葉輪外緣的燃油進入蝸殼被收集后輸往泵出口。

2 機械密封結(jié)構(gòu)和工作原理

航空增壓泵機械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括動環(huán)（軸）、靜環(huán)、彈簧、密封圈等零組件。機械密封的工作原理是通過相對轉(zhuǎn)動的動環(huán)（軸）和靜環(huán)相互貼合，并使端面間維持一層極薄的液體膜而達到密封的目的[2]。密封裝置內(nèi)的彈簧保證軸和靜環(huán)端面能夠緊密貼合，同時對靜環(huán)及軸承的磨損有一定的位移補償。

機械密封屬于接觸式動密封，少量漏油屬于正常現(xiàn)象，因此產(chǎn)品的性能指標允許有一定的漏油量（不大于 ，機上設置了專用的排油管，泄漏的燃油通過排油管直接排到機外，對飛行安全無影響。同時，機械密封失效是一個漸變的過程，漏油量從開始漏油到增至3mL/min一般需要數(shù)十小時甚至上百小時時間。

3 機械密封失效原因分析

2023年10月27日，機務人員反映機上的一臺航空增壓泵“漏液量超標”。

3.1 泵性能復試

產(chǎn)品返廠后進行性能復試，試驗記錄如表1所示，產(chǎn)品工作時最大漏液量為 ，超出指標規(guī)定的不大于 ，故障復現(xiàn)。

3.2 分解檢查

對產(chǎn)品進行分解檢查，機械密封的動環(huán)面上出現(xiàn)環(huán)狀摩擦溝痕，石墨靜環(huán)密封面也變得毛糙，如圖3、圖4所示。從磨損形貌看，屬于典型的磨粒磨損。

3.3 故障樹分析

該增壓泵石墨靜環(huán)密封面出現(xiàn)了明顯的摩擦溝痕，表面粗糙度已超差（石墨靜環(huán)端面的粗糙度要求為 R a0.2） ，所以密封性能下降，漏液量超標。更換新的石墨靜環(huán)后再次試驗，該產(chǎn)品密封性能良好。根據(jù)產(chǎn)品的密封結(jié)構(gòu)和工作原理分析，導致石墨靜環(huán)密封面出現(xiàn)溝痕的原因可能有以下幾種，如圖5故障樹所示。

下面對故障樹的底事件逐條進行排查。

3.3.1 機械密封的設計、制造復查

經(jīng)檢測，故障件（動環(huán)、靜環(huán)）的材料、硬度、彈簧力大小等指標均符合圖樣要求，如表2所示，動環(huán)硬度明顯高于靜環(huán)硬度，因此，排除設計、制造的因素。

3.3.2 磨合試驗損傷

配對的密封摩擦副（動環(huán)和靜環(huán)），即使各自的制造質(zhì)量都合格，二者在一起進行磨合試驗時也可能產(chǎn)生表面損傷，因此機械密封需要進行磨合試驗。清查產(chǎn)品的裝配工藝，雖然要求進行磨合試驗和試驗后的分解檢查，但對密封面外觀合格的判斷標準不明確，可能存在誤判致使密封面帶傷出廠。因此，該底事件不能排除。

3.3.3 密封零件清洗不干凈

經(jīng)咨詢石墨靜環(huán)制造廠家，石墨靜環(huán)研磨時添加了金剛石研磨劑，研磨后會進行清洗，但清洗是否干凈僅靠目視檢查。對故障件石墨環(huán)南京機電在電子顯微鏡下進行觀察，發(fā)現(xiàn)了白色顆粒，進行光譜分析，發(fā)現(xiàn)了Si、A1金屬元素，如圖6、圖7所示。因此，該底事件不能排除。

3.3.4石墨材料疏松

如果石墨材料組織疏松，工作時有石墨顆粒剝落，則可能在密封面上產(chǎn)生摩擦溝痕。密封靜環(huán)的石墨材料牌號為M233H，該材料是石墨粉、炭黑和焦炭粉的混合物，以瀝青為粘結(jié)劑，經(jīng)模壓成型，然后在 進行焙燒，制得半成品后用環(huán)氧樹脂浸漬填充氣孔而成[3]。通過對故障石墨靜環(huán)的檢測，材料的硬度、體積密度、開口氣孔率符合要求，可以排除該底事件。

3.3.5冷卻液中含有雜質(zhì)

一般情況下，動靜環(huán)密封面緊密貼合，外界雜質(zhì)不容易進入。但在增壓泵啟停或轉(zhuǎn)速變化的過程中動靜密封面可能瞬間出現(xiàn)分離，雜質(zhì)在離心力作用下可能進入密封面并卡在動靜環(huán)之間，對動環(huán)形成刮磨。

經(jīng)專業(yè)咨詢，液冷系統(tǒng)中有油濾（精度40m）"，冷卻液中含有雜質(zhì)的可能性也很小，因此該底事件可以排除。

3.3.6花鍵軸磨損金屬屑

該故障產(chǎn)品花鍵軸外觀良好，幾乎無磨損，如圖8所示。因此，該底事件可以排除。

3.4 分析結(jié)論

通過對故障樹底事件的逐條排查分析，產(chǎn)品磨合試驗時機械密封面產(chǎn)生損傷未進行處理和密封零件清洗不干凈兩個底事件不能排除。

4解決措施

1）完善增壓泵裝配工藝，明確產(chǎn)品磨合試驗后機械密封面外觀是否合格的判斷標準和處理措施；加強質(zhì)量控制，避免磨合試驗已產(chǎn)生損傷的機械密封交付出廠。

2）制造廠家更改石墨靜環(huán)研磨工藝，最后的精研不再使用研磨劑，改用清水研磨，避免研磨劑顆粒嵌入石墨氣孔內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文通過對某航空增壓泵機械密封失效的情況進行深刻研究和原因分析，提出了相應的解決措施，可減少該產(chǎn)品及同類產(chǎn)品機械密封失效的情況，延長機械密封的使用壽命，降低故障率和機務維護成本，保證飛機的出勤率。

[參考文獻]

[1]南京機電液壓工程研究中心.增壓泵使用維護說明書[Z]，2015.

[2]劉斌.泵用機械密封故障分析及對策[J].機電信息，2011（18）：97-98.

[3]顧永泉.機械密封實用技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.