張 垚 溫育明 王 山

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司技術(shù)中心 四川成都 610092)

液壓油箱在飛機液壓系統(tǒng)中用于儲存液壓油，為液壓泵提供具有一定增壓壓力的液壓油，此外還具有散發(fā)油液熱量，沉淀雜質(zhì)和溢出空氣等功能[1-2]。液壓油箱是液壓系統(tǒng)不可或缺的部件之一，其性能的好壞直接關(guān)系到飛機液壓系統(tǒng)能否正常工作[3]。

為杜絕外界的空氣、水和污染微粒直接進入系統(tǒng)的可能性，實現(xiàn)液壓油箱油氣隔離，當前國內(nèi)外高性能飛機使用的液壓油箱普遍為隔離式增壓油箱[4-6]。某型飛機也根據(jù)系統(tǒng)要求設計有彈簧增壓隔離式液壓油箱。但是，該飛機液壓油箱裝機工作尚不到10次循環(huán)時，即出現(xiàn)液壓油泄漏故障。油液泄漏不但影響系統(tǒng)的工作效率，嚴重時還可能危及飛行安全。本文作者針對液壓油箱泄漏故障，基于液壓油箱工作原理和故障現(xiàn)象，對可能導致故障的因素進行逐一分析，定位了故障原因，并針對性地提出了改進措施，同時進行試驗以驗證改進效果[7-8]。

1 液壓油箱工作原理及故障現(xiàn)象

圖1所示為某型飛機液壓油箱的結(jié)構(gòu)。液壓油箱主要由前端蓋、后端蓋、殼體、活塞、增壓彈簧以及3個管嘴組成?；钊麑⒁簤河拖鋬?nèi)腔分為左側(cè)增壓腔和右側(cè)油液貯存腔，同時活塞會隨油液貯存腔中油液多少在液壓油箱內(nèi)腔中往復運動。左側(cè)增壓腔中在后端蓋和活塞間布置增壓彈簧，用于給油液貯存腔中的液壓油提供增壓壓力。

圖1 液壓油箱結(jié)構(gòu)

圖2所示為活塞局部剖面圖，活塞兩側(cè)分別設計有一個導向環(huán)槽，用于安裝導向環(huán)，以便活塞在油箱殼體內(nèi)往復運動。活塞內(nèi)側(cè)設計有2個密封槽，用于安裝密封圈(每個密封圈兩側(cè)均設計有保護圈)，實現(xiàn)液壓油的密封。

圖2 活塞局部剖面

液壓油箱漏油故障發(fā)生時，工作尚不到10次循環(huán)。將液壓油箱從飛機上拆下，向油箱內(nèi)注入一定量液壓油，保壓過程中，油液增壓壓力緩慢下降，且后端蓋處存在明顯滴油現(xiàn)象,如圖3所示。

圖3 漏油的液壓油箱

分解液壓油箱，發(fā)現(xiàn)油箱殼體及活塞的配合面上未出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，但是安裝在活塞上的2個密封圈均扭轉(zhuǎn)斷裂，進而導致液壓油箱漏油。圖4所示為扭轉(zhuǎn)斷裂的密封圈。液壓油箱的其他零部件均未見損傷。

圖4 扭轉(zhuǎn)斷裂的密封圈

2 故障原因分析

通過分解液壓油箱，判定造成液壓油箱漏油的直接原因為活塞處密封圈斷裂。結(jié)合液壓油箱工作原理，造成密封圈斷裂的可能原因主要有4類，即異物劃傷、加工原因、裝配原因和設計原因。

2.1 異物劃傷

若液壓油箱中進入異物，可能劃傷密封圈表面，致使密封圈在工作過程中長時間擠壓造成斷裂[9]。分解液壓油箱，檢查油箱殼體內(nèi)壁和活塞表面等配合處，發(fā)現(xiàn)各表面均完好，無異物劃傷痕跡。此外，使用清潔汽油清洗液壓油箱零件，檢查清洗后的汽油，同樣未發(fā)現(xiàn)異物。因此，排除異物劃傷這一可能的故障原因。

2.2 加工原因

加工引起的尺寸超差也可能影響密封圈的使用，導致其發(fā)生斷裂故障[10]。影響密封圈的主要尺寸有殼體內(nèi)孔尺寸和活塞尺寸，經(jīng)測量，發(fā)生故障的液壓油箱殼體內(nèi)孔和活塞主要尺寸分別如表1和表2所示。

表1 殼體內(nèi)孔主要尺寸

表2 活塞主要尺寸

表1和表2結(jié)果顯示，活塞主要尺寸滿足要求，但是殼體內(nèi)孔圓柱度和粗糙度不合格。殼體的內(nèi)孔與活塞配合的理論單邊最小間隙為0.04 mm，內(nèi)孔圓柱度為0.037 mm時不影響活塞在殼體內(nèi)靈活滑動，也不會影響密封圈的正常工作。殼體內(nèi)表面粗糙度為0.72 mm，使用該件殼體裝配為組件，測試組件性能，滿足使用要求；檢查密封圈，未出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，故確定殼體內(nèi)孔粗糙度為0.72 mm并不是密封圈斷裂的主要原因。因此殼體內(nèi)孔圓柱度和粗糙度加工超差的因素可以排除。

2.3 裝配原因

密封圈的規(guī)格為φ110 mm×4 mm，由于密封圈直徑較大，整體剛度差，在實際的安裝過程中密封圈會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象。若未及時糾正密封圈的安裝形式，在實際工作中往復運動，密封圈密封形式發(fā)生變化，密封圈受力不均，可能會導致產(chǎn)品工作一段時間后密封圈因扭轉(zhuǎn)疲勞而發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂。因此，裝配因素可能是導致密封圈斷裂的因素之一。

2.4 設計原因

涉及液壓油箱活塞處密封的設計性因素共有4個方面，即密封圈的拉伸率及壓縮率，密封圈的材料及尺寸，密封槽的設計，保護圈的設計[11]。

2.4.1 密封圈的拉伸率及壓縮率

密封結(jié)構(gòu)的密封性，是由密封圈與被密封表面的接觸壓力來實現(xiàn)，產(chǎn)品的拉伸率及壓縮率按航標HB/Z 4—95進行設計，設計值與航標對比見表3[12-14]。對比結(jié)果顯示，密封圈拉伸率和壓縮率的設計滿足要求。

表3 密封圈的拉伸率及壓縮率

2.4.2 密封圈材料及尺寸

液壓油箱活塞密封圈內(nèi)徑D為(110±0.5) mm，密封圈截面直徑d為(4±0.2) mm。D/d值為26.1～29.1。對比圖5所示航標HB/Z 4—95要求的d與D/d關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)密封圈選取的比值過大，不滿足航標要求；且密封圈的材料為氟硅橡膠FS6265，硬度偏軟，致使密封圈整體剛度不夠，導致密封圈在工作過程中容易扭轉(zhuǎn)，長時間工作后容易造成斷裂[15]。另密封圈截面直徑d公差設計值為±0.2 mm，超過HB/Z 4—95要求的(-0.10～+0.15) mm。因此密封圈的尺寸和材料選擇不當是造成密封圈斷裂的主要因素之一。

圖5 航標要求的d與D/d關(guān)系曲線

2.4.3 密封槽的設計

按航標要求，活動密封的槽寬系數(shù)應為1.15～1.25，實際設計時密封槽寬為8 mm，除去密封圈兩側(cè)1.5 mm寬的保護圈，實際用于固定密封圈的寬度為5 mm。密封圈截面直徑為4 mm，則槽寬系數(shù)為1.25，槽寬系數(shù)偏大。液壓油箱工作時，活塞在快速響應時，密封圈在間隙中可能會出現(xiàn)翻滾，導致密封圈扭轉(zhuǎn)疲勞出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)斷裂。因此，密封槽尺寸選擇過大也是造成密封圈斷裂的主要因素之一。

2.4.4 保護圈的設計

保護圈材料為聚四氟乙烯，按航標HB 4—58要求，當保護圈外徑大于100 mm時，保護圈厚度應不小于1.5 mm[16]。實際設計時保護圈厚度選取1.5 mm，滿足要求。

2.5 故障定位

經(jīng)過對故障樹的分析，確認故障發(fā)生的機制為：由于密封槽寬度偏大，當密封圈在密封槽內(nèi)運動時，易發(fā)生翻滾現(xiàn)象；同時，密封圈內(nèi)徑與截面直徑比值偏大，且密封圈材料偏軟，造成密封圈剛度不足，致使密封圈多次翻滾后產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)斷裂，進而發(fā)生液壓油箱漏油故障。

3 改進措施及驗證

3.1 改進措施

針對液壓油箱漏油的故障原因，提出兩項改進措施，即改進密封圈和密封槽。

對于密封圈，重新選取丁腈橡膠5176S密封圈代替氟硅橡膠FS6265密封圈。5176S密封圈相對較硬，具有更高的剛度性能。同時，參考類似產(chǎn)品，適當增大密封圈尺寸，將密封圈尺寸由φ110 mm×4 mm更改為φ110.5 mm×5.3 mm。此外嚴格控制密封圈截面直徑d的設計公差，將公差由±0.2 mm更改為±0.1 mm。密封圈改進后，其D/d值為20.8，滿足圖5所示的航標要求。此外，考慮密封圈尺寸有所增大，故將配套保護圈厚度由1.5 mm調(diào)整為1.85 mm。

對于密封槽，考慮密封圈截面直徑為5.3 mm，左右兩側(cè)的保護圈厚度合計3.7 mm，密封圈直徑與2個保護圈厚度共8.8 mm，為適當降低密封槽的槽寬系數(shù)，故將密封槽寬由8 mm更改為10.2 mm。密封槽的槽寬更改為10.2 mm后，除去保護圈厚度，實際用于固定密封圈的槽寬為6.5 mm，則槽寬系數(shù)為1.22，滿足航標的要求。此外還適應性地更改了密封槽直徑。

密封圈和密封槽改進設計前后，其主要尺寸對比見表4。

表4 密封圈和密封槽尺寸更改情況

3.2 驗證情況

改進措施執(zhí)行到位后，搭建圖6所示液壓油箱耐久性試驗臺。試驗臺主要由液壓油箱、電磁閥、液壓泵、壓力表以及3個作為負載的作動筒組成。液壓油箱向液壓泵供油，液壓泵經(jīng)電磁閥向作動筒提供高壓液壓油，推動作動筒往復運動。經(jīng)2 000次工作循環(huán)，液壓油箱無泄漏，且油箱增壓壓力滿足系統(tǒng)要求。分解液壓油箱，經(jīng)檢查，密封圈和活塞等零部件均完整無損。由此可見，各項改進措施有效，液壓油箱漏油故障消除。

圖6 液壓油箱耐久性試驗臺

4 結(jié)論

針對某飛機液壓油箱漏油的故障，基于液壓油箱工作原理和使用環(huán)境確定了可能的故障原因。對可能的故障原因進行分析，確認液壓油箱漏油的原因為活塞密封槽寬度偏大，同時密封圈材料及尺寸選擇不當，致使密封圈剛度不足，在密封槽中多次翻滾后產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)斷裂。針對漏油故障原因，采取了重新設計密封圈和密封槽的改進措施。經(jīng)耐久性試驗驗證，改進措施有效，故障消除。對于液壓油箱漏油故障的分析與改進，有助于類似產(chǎn)品進行密封設計。