蔣 聰 劉 冕 胡 冬 李皓冉 陳靖華

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司金城南京機(jī)電液壓工程研究中心 江蘇南京 211106)

機(jī)械密封是流體動(dòng)密封中最主要的形式，是旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)防止泄漏和污染的重要部件，其被廣泛應(yīng)用于石油化工、葉輪機(jī)械和航空航天產(chǎn)業(yè)。隨著國內(nèi)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展和航空類產(chǎn)品的大量交付使用，減少機(jī)械密封泄漏量、降低泄漏概率受到廣泛關(guān)注[1]。某型航空用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)在使用中發(fā)現(xiàn)存在渦輪端動(dòng)密封機(jī)構(gòu)滑油泄漏量超過3 mL/h的情況[2]。該型起動(dòng)機(jī)為獨(dú)立潤滑，大量的滑油泄漏將使滑油腔液面下降，引起內(nèi)部齒輪機(jī)構(gòu)潤滑散熱不佳，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響航空器的飛行安全和出勤率。

為探究動(dòng)密封滑油泄漏原因，本文作者結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用環(huán)境編制詳細(xì)故障樹，并針對(duì)輔助膠圈、彈性元件、摩擦副等零組件開展大量校核計(jì)算、試驗(yàn)對(duì)比和仿真分析，歸納總結(jié)出一套針對(duì)動(dòng)密封滑油泄漏的檢查方法，最終得出該動(dòng)密封滑油泄漏的主要原因。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

該型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的動(dòng)密封機(jī)構(gòu)采用較為緊湊的內(nèi)裝內(nèi)流型單端面接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意Fig 1 Mechanical seal structure

摩擦副中動(dòng)環(huán)(金屬環(huán))材料為9Cr18Mo，采用過盈約束固定于旋轉(zhuǎn)軸，隨軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。靜環(huán)(石墨密封環(huán))材料為滲銅石墨M298K,安裝在密封殼體上，通過輔助密封O形膠圈實(shí)現(xiàn)其與密封殼體間的密封。靜環(huán)與動(dòng)環(huán)相互貼合構(gòu)成滑動(dòng)端面，彈性元件(波形彈簧)和密封介質(zhì)壓力共同作用于密封端面，形成壓緊力，保持端面緊密貼合，在旋轉(zhuǎn)軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)和靜止時(shí)均能維持一層極薄的流體膜[3]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部滑油介質(zhì)的密封。

該機(jī)械密封基本工作參數(shù)如表1所示。

表1 基本工作參數(shù)Table 1 Basic working parameters

2 故障原因分析

2.1 分解檢查

將該空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)分解，部分零件如圖2所示，分解中未發(fā)現(xiàn)輔助密封膠圈破損和硬化的情況，因此可以排除滑油從輔助密封膠圈泄漏的可能，可以初步判定泄漏的滑油來源于摩擦副中靜環(huán)與動(dòng)環(huán)的貼合端面。

圖2 機(jī)械密封部分零件Fig 2 Some parts of mechanical seal

2.2 故障樹排查

2.2.1 故障樹編制

根據(jù)機(jī)械端面密封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分解檢查初步結(jié)果,以“摩擦副貼合端面滑油泄漏”為頂事件編制故障樹，如圖3所示。

圖3 摩擦副貼合端面滑油泄漏故障樹Fig 3 Fault tree of lubricating oil leakage on sealing face

2.2.2 氣震

摩擦副間發(fā)生氣震將導(dǎo)致貼合面無法緊密貼合，產(chǎn)生間歇性分離。發(fā)生氣震的可能原因?yàn)槟Σ粮痹诟咚傧鄬?duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生高溫，引發(fā)貼合面的介質(zhì)氣化或閃蒸。因此需要對(duì)動(dòng)密封處介質(zhì)溫度和摩擦副溫度場(chǎng)開展試驗(yàn)測(cè)量和仿真計(jì)算。

采用多物理仿真軟件，建立動(dòng)密封的二維軸對(duì)稱熱-固耦合模型，通過仿真計(jì)算驗(yàn)證貼合端面的工作溫度。為方便計(jì)算，作以下基本假設(shè)：

(1)摩擦副所有的尺寸都是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所受載荷也具有軸對(duì)稱特性；摩擦副材料連續(xù)均勻、各向同性、完全彈性，且物理性能不受力和溫度的影響[4]；假定摩擦副穩(wěn)定運(yùn)行，摩擦因數(shù)保持不變，忽略材料磨損的影響[5]；

(2)假設(shè)在密封面間摩擦產(chǎn)生的熱量全部在密封環(huán)間傳遞，同時(shí)假設(shè)密封端面上的熱流密度是均勻分布的[6-8]；攪拌產(chǎn)生的熱量相對(duì)摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量較小，模擬時(shí)忽略攪拌熱；忽略摩擦副端面間液膜的熱傳導(dǎo)；不計(jì)少量被泄漏帶走的摩擦熱，忽略輻射所帶走的熱[9]。

選擇該機(jī)械密封縱截面的1/2建立有限元模型，并根據(jù)實(shí)際工況和所處的環(huán)境配置相應(yīng)的邊界條件。如圖4所示為摩擦副溫度場(chǎng)邊界示意圖。動(dòng)環(huán)部分：A1-A2與滑油接觸，類似于流體掠過平板的強(qiáng)制對(duì)流換熱；A2-A3與滑油接觸；A3-A4與A1-A2類似；A4-A5流體相對(duì)靜止，一般處理為絕熱邊界；A5-A6邊界與固體接觸，也處理為絕熱；A6-A7與空氣接觸，屬于空氣強(qiáng)制對(duì)流換熱；A7-A1為密封端面，通過摩擦產(chǎn)生熱量，是該結(jié)構(gòu)的熱源。

圖4 摩擦副溫度場(chǎng)邊界Fig 4 Temperature field boundary of mechanical seal

靜環(huán)部分：B1-B2由于附件滑油介質(zhì)受到動(dòng)環(huán)攪動(dòng)，類似A1-A2邊界的強(qiáng)制對(duì)流作用；B2-B3空間狹窄，滑油保持靜止，換熱效應(yīng)不明顯，可處理為絕熱邊界；B3-B4邊界與固體接觸，處理為絕熱邊界；B4-B6邊界與空氣接觸，屬于空氣自然對(duì)流，可忽略；B6-B1與動(dòng)環(huán)A7-A1邊界一樣，是端面熱源。

具體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示，采用常規(guī)的自由三角形網(wǎng)格，取最大單元尺寸為0.6 mm，最小單元尺寸為0.01 mm，最大單元增長率為1.2，曲率因子為0.4。在密封介質(zhì)溫度為100 ℃,動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速為29 000 r/min的工況條件下，計(jì)算得到的溫度場(chǎng)三維云圖如圖6所示，等溫線圖如圖7所示。

圖5 網(wǎng)格劃分Fig 5 Grid division

圖6 溫度場(chǎng)三維云圖Fig 6 Three dimensional cloud image of temperature field

圖7 等溫線圖Fig 7 Lsotherm diagram

由圖6、7可知：摩擦副總體溫度在106.3～115.5 ℃之間，最高溫度出現(xiàn)在動(dòng)靜環(huán)接觸端面，最低溫度出現(xiàn)在動(dòng)環(huán)外圓柱面處。試驗(yàn)中溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示最高溫度為119 ℃，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，最高溫度遠(yuǎn)低于密封介質(zhì)(飛馬Ⅱ號(hào)油)在摩擦副端面間發(fā)生氣震的溫度，因此排除該項(xiàng)可能性。

2.2.3 摩擦副端面損傷

接觸式機(jī)械密封的本質(zhì)是指摩擦副貼合面微凸體接觸的機(jī)械密封，由于沒有氣膜和液膜動(dòng)壓力使其貼合面產(chǎn)生間隙，因此接觸式機(jī)械密封機(jī)構(gòu)中貼合面的平面度、平行度、粗糙度、硬度和光潔度等表面質(zhì)量對(duì)于其密封性能至關(guān)重要[10]。

主要的金屬端面損傷形貌通常有：圓周凹陷磨痕、非圓周條帶狀磨痕和徑向劃痕等，工程分析中采用目視或金相檢測(cè)等較為簡單的方法就可以發(fā)現(xiàn)[11]。檢查該空氣渦輪起動(dòng)機(jī)的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)中的金屬環(huán)，并未發(fā)現(xiàn)存在端面損傷，且貼合面摩擦痕跡光潔均勻，因此可以排除泄漏事件是摩擦副端面損傷造成的。

根據(jù)空氣渦輪起動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，通常將石墨密封環(huán)作為靜環(huán)，以此來減少高速旋轉(zhuǎn)下離心力對(duì)波形彈簧彈力和輔助密封膠圈性能的影響。但由于石墨材料中填料顆粒碳和黏結(jié)碳的密度不同，在高溫下因?qū)岵煌蕉纬商盍项w粒凸出，隨著摩擦副中動(dòng)環(huán)的高速旋轉(zhuǎn)被帶離石墨表面，從而出現(xiàn)機(jī)械剝蝕[12]。

該型空氣渦輪起動(dòng)機(jī)采用M298K滲銅石墨作為靜環(huán)材料，相比于與原石墨其熱導(dǎo)率、強(qiáng)度提高，達(dá)到整體增韌的綜合效果，同時(shí)具有更好的抗熱震性能，不易發(fā)生靜環(huán)剝蝕情況。同時(shí)，結(jié)合微觀檢查結(jié)果，也未發(fā)現(xiàn)靜環(huán)破損的情況，因此也可以排除泄漏事件是靜環(huán)剝落破損造成的。

2.2.4 軸向壓緊力分析

以彈性元件為主的緩沖補(bǔ)償機(jī)構(gòu)其作用主要是提供軸向壓緊力促使密封端面的緊密貼合，彈性元件彈力不足將會(huì)導(dǎo)致摩擦副的追隨性不良[13]，從而引發(fā)密封介質(zhì)泄漏。該空氣渦輪起動(dòng)機(jī)機(jī)械密封中采用波形彈簧作為主要彈性元件，為探討波形彈簧提供的壓緊力能否滿足要求，文中對(duì)貼合所需壓緊力以及彈簧提供的壓緊力進(jìn)行分析校核。

針對(duì)內(nèi)裝內(nèi)流型機(jī)械密封采用如下公式對(duì)壓緊力Ft進(jìn)行校核：

(1)

pt=pb-p1(K-λ)

(2)

(3)

(4)

式中：pb為端面比壓,一般中等黏度介質(zhì)pb應(yīng)在0.4～0.6 MPa范圍內(nèi)；K為載荷系數(shù)，平衡型取0.6～0.85；λ為膜壓系數(shù)，中等黏度介質(zhì)取0.4～0.6。

上述公式計(jì)算可得所需壓緊力Ft為10.8～12.3 N。根據(jù)圖8可知，壓緊力Ft為波形彈簧彈力Fb與輔助密封膠圈摩擦阻力R的合力,因此有Fb=Ft+R。

圖8 波形彈簧受力示意Fig 8 Schematic of force of wave spring

研究的機(jī)械密封的膠圈材料為F275，摩擦阻力無法通過計(jì)算準(zhǔn)確得到[14]，只能通過試驗(yàn)實(shí)際測(cè)得。在是否安裝輔助密封膠圈的2種情況下，讓動(dòng)環(huán)在彈力機(jī)作用下移動(dòng)相同位移Δh(如圖8所示)，彈力機(jī)作用力的差值便是膠圈實(shí)際摩擦阻力。試驗(yàn)選取6個(gè)不同批次的12只新膠圈和發(fā)生漏油的機(jī)械密封的膠圈在充分潤滑條件下開展測(cè)試，每只膠圈測(cè)試3次取平均值。由于在檢查中發(fā)現(xiàn)該膠圈存在泡油使用后體積脹大的情況，因此同時(shí)針對(duì)該12只新膠圈開展膨脹率試驗(yàn)。膨脹率試驗(yàn)中滑油介質(zhì)溫度115 ℃，試驗(yàn)時(shí)長48 h，試驗(yàn)后檢測(cè)其體積膨脹率，結(jié)果如表2所示。

表2 摩擦阻力測(cè)試結(jié)果Table 2 Friction test results

表2的試驗(yàn)結(jié)果表明，泡油膨脹試驗(yàn)后膠圈體積均有增大，體積平均增大6.3%，平均摩擦阻力從3.81 N增大到5.73 N，證明輔助密封膠圈在工作中浸泡滑油后體積脹大對(duì)摩擦阻力的影響不可忽略[15]。

該型機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，并未重視膠圈泡油膨脹的影響，在選取波形彈簧時(shí)僅使用最小壓緊力Ft與膠圈膨脹前平均摩擦力R0之和，這會(huì)導(dǎo)致密封機(jī)構(gòu)在工作初期密封性良好，而在逐漸使用中出現(xiàn)密封性降低泄漏超標(biāo)的現(xiàn)象。

對(duì)該機(jī)械密封的波形彈簧進(jìn)行實(shí)測(cè)，得到在工作高度下能提供的彈力Fb為15.2 N，扣除膠圈膨脹后的摩擦阻力(R1)6.12 N，實(shí)際提供的壓緊力Ft只有9.1 N，相比于所需的壓緊力Ft下限10.8 N降低15.7%。因此可以判定導(dǎo)致該機(jī)械密封泄漏的主要原因是輔助密封膠圈泡油后膨脹，摩擦阻力增大，導(dǎo)致摩擦副貼合及跟隨性不佳，無法對(duì)密封介質(zhì)達(dá)到全時(shí)密閉。

根據(jù)分析結(jié)果，為補(bǔ)償膠圈膨脹后摩擦阻力的作用，對(duì)該動(dòng)密封結(jié)構(gòu)中波形彈簧的彈力進(jìn)行調(diào)整，增加預(yù)緊力至合格范圍，并開展試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)后并未發(fā)現(xiàn)有滲漏情況發(fā)生，證明措施有效。

3 結(jié)束語

針對(duì)某型航空用空氣渦輪起動(dòng)機(jī)動(dòng)密封泄漏問題，采用故障樹分析法開展定性分析和研究。研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)密封泄漏的主要原因是輔助密封膠圈膨脹后摩擦阻力增大，導(dǎo)致貼合端面壓緊力降低，從而引發(fā)密封介質(zhì)泄漏。因此在動(dòng)密封設(shè)計(jì)時(shí)，輔助密封膠圈泡油膨脹后摩擦阻力增大的問題不容忽視，尤其是在壓緊力較小的情況下，該現(xiàn)象更應(yīng)得到重視。文中采用的動(dòng)密封泄漏故障分析方法，是一種適用于工程實(shí)際的針對(duì)動(dòng)密封泄漏的排故方法，可為動(dòng)密封的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。