李海嶙 張 偉 高云琦 司 俊 劉龍飛 索昊圓

(1.航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所 陜西西安 710065； 2.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院 陜西西安 710071)

密封件是現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中不可或缺的關(guān)鍵組成部分，尤其是在航空航天領(lǐng)域中[1]。以美國(guó)大力神II洲際導(dǎo)彈為例，其上一共使用了340多種材質(zhì)的橡膠密封件，密封位置達(dá)900多處，并且?guī)缀醵继幱陉P(guān)鍵部位[2]。航空航天產(chǎn)品上的密封件通常工作在極其惡劣的環(huán)境下，要經(jīng)受高低溫、鹽霧、霉菌惡劣環(huán)境等的考驗(yàn)，因此密封件的穩(wěn)定性和安全性直接關(guān)系到航空航天裝備的服役可靠性和壽命。然而，從實(shí)際應(yīng)該過(guò)程中得出密封結(jié)構(gòu)主要的問(wèn)題是密封泄漏，該問(wèn)題也引起了研究人員的極大關(guān)注[3]。

張妙恬和李德才[4]對(duì)航空作動(dòng)器中常用的斯特封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化分析，為往復(fù)密封圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。楊敏等人[5]通過(guò)ANSYS Workbench軟件建立了2種密封圈的仿真模型，并探討了介質(zhì)壓力、壓縮率、接觸的摩擦因數(shù)對(duì)伺服液壓缸密封性能的影響。蘇衍均[6]根據(jù)密封圈接觸應(yīng)力及等效應(yīng)力云圖對(duì)密封圈、活塞溝槽尺寸及材料硬度等進(jìn)行了優(yōu)化仿真，試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后密封圈使用效果得到了較大程度改善。LI等[7]用大型有限元分析程序MARC對(duì)聚四氟乙烯旋轉(zhuǎn)密封進(jìn)行了有限元分析，得出了不同溫度情況下密封件的力學(xué)性能，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。劉媛媛等[8]對(duì)低溫下密封圈的回彈性能進(jìn)行了研究。顧鋮璋[9]對(duì)深冷環(huán)境下橡膠密封的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，聚酰亞胺粉改性低苯基硅橡膠密封在超低溫下的密封性能較好。張國(guó)淵等[10]對(duì)低溫、低黏度潤(rùn)滑介質(zhì)下的機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了分析，并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。李小芬和葉小強(qiáng)[11]采用ANSYS分析了彈簧蓄能密封圈在常溫和低溫下的應(yīng)力變化，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果。樊智敏等[12]針對(duì)密封環(huán)接觸面之間的潤(rùn)滑問(wèn)題，對(duì)不同織構(gòu)參數(shù)、不同粗糙度參數(shù)下潤(rùn)滑膜壓力大小及分布情況進(jìn)行了研究。目前，密封研究主要集中在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封件本身的研究上，缺少對(duì)密封結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量的深入研究。

本文作者針對(duì)某航空液壓作動(dòng)器在低溫環(huán)境下易發(fā)生潤(rùn)滑油滲漏的問(wèn)題，以活塞/襯套組件為對(duì)象，設(shè)計(jì)了低溫試驗(yàn)方案，對(duì)密封結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量進(jìn)行了表征，研究了密封結(jié)構(gòu)表面評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)低溫密封性能的影響規(guī)律，得出了能提高該產(chǎn)品低溫密封性能的有效方法。

1 問(wèn)題的提出

航空用液壓制動(dòng)器是航空裝備中的關(guān)鍵零部件，尤其是旋轉(zhuǎn)類作動(dòng)器的核心部件，其安全可靠工作是保證飛行安全的前提。液壓作動(dòng)器的工作原理如圖1所示，液壓制動(dòng)器中包含了活塞、襯套、靜摩擦盤、動(dòng)摩擦盤、彈簧、密封圈等零件，襯套和靜摩擦盤安裝在液壓殼體內(nèi)，活塞安裝在襯套中，動(dòng)摩擦盤通過(guò)花鍵與傳動(dòng)軸連接，彈簧安裝在活塞內(nèi)部。

圖1 液壓制動(dòng)器原理

正常工作情況下，液壓油從殼體中流入襯套的環(huán)槽中，再由襯套上的油路孔流入活塞的環(huán)槽中，在壓力的作用下推動(dòng)活塞克服彈簧力運(yùn)動(dòng)，從而使靜摩擦盤和動(dòng)摩擦盤分開(kāi)，傳動(dòng)軸正常轉(zhuǎn)動(dòng)。在非工作情況下，切斷液壓源，活塞則在彈簧的回復(fù)力下運(yùn)動(dòng)，活塞擠壓動(dòng)摩擦盤，動(dòng)摩擦盤與靜摩擦盤接觸，從而使傳動(dòng)軸制動(dòng)。

液壓制動(dòng)器由于工作在極端苛刻的環(huán)境中，其面臨的主要問(wèn)題為低溫密封失效，即發(fā)生液壓油滲漏。液壓油滲漏一方面會(huì)造成機(jī)上環(huán)境的污染，增加地勤維修工作的難度；另一方面，液壓油的滲漏也可能會(huì)影響到機(jī)上其他產(chǎn)品的可靠工作，甚至導(dǎo)致液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性降低。

現(xiàn)有液壓產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通常用表面輪廓的算術(shù)平均偏差Ra來(lái)表征密封結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量，相應(yīng)的密封標(biāo)準(zhǔn)[13]中也僅僅是給出了Ra的設(shè)計(jì)參考值。然而，在實(shí)際產(chǎn)品的使用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在極端苛刻的環(huán)境下，如低溫-55 ℃，即使嚴(yán)格遵守相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也不能得到理想的密封使用效果。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)密封表面進(jìn)行拋光處理后，會(huì)有效改善低溫密封性能。然而，拋光是個(gè)定性的工藝過(guò)程，沒(méi)有定量的指標(biāo)進(jìn)行約束，導(dǎo)致低溫密封特性的穩(wěn)定性較差。

除了Ra外，零件表面質(zhì)量的表征參數(shù)還包括了Rp和Rz，示意圖見(jiàn)圖2。Ra為表面輪廓的算術(shù)平均偏差，即在取樣長(zhǎng)度內(nèi)輪廓偏距絕對(duì)值的算術(shù)平均值；Rp為輪廓最大峰值，即一個(gè)取樣長(zhǎng)度內(nèi)相對(duì)于平均線的最大峰值；Rz為表面輪廓的最大高度，即輪廓峰頂線和谷底線之間的距離[14]。即使Ra值相同，零件表面幾何形貌的差異也會(huì)有很大差異，對(duì)結(jié)構(gòu)的密封性能產(chǎn)生不同的影響，見(jiàn)圖3。

圖2 不同表面質(zhì)量表征參數(shù)示意

圖3 相同Ra下的零件表面質(zhì)量對(duì)比示意

因此，本文作者將從產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度研究影響液壓制動(dòng)器低溫密封特性的表面質(zhì)量因素，分析了Ra、Rp和Rz等表面質(zhì)量參數(shù)對(duì)密封特性的影響規(guī)律，給出指導(dǎo)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般性結(jié)論，從而保證產(chǎn)品在極端環(huán)境下仍具有良好的密封特性。

2 試驗(yàn)方案

研究對(duì)象為某航空裝備中液壓制動(dòng)器中的活塞/襯套組件，其外形如圖4所示?；钊?襯套一共有四處密封：①和②為靜密封，③和④為動(dòng)密封。密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

圖4 活塞/襯套組件

表1 活塞/襯套密封結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)流程見(jiàn)圖5。在開(kāi)始試驗(yàn)之前，對(duì)零件密封表面的Ra、Rp和Rz等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并記錄。同一位置，每隔90°測(cè)量一組數(shù)據(jù)，共測(cè)量四組平行數(shù)據(jù),測(cè)量方案如圖6所示。低溫試驗(yàn)時(shí)，零件先在-55 ℃條件下保溫2 h，再在28 MPa油液壓力下啟動(dòng)活塞，使其往復(fù)運(yùn)動(dòng)50次，觀測(cè)活塞/襯套組件是否出現(xiàn)滲漏。若沒(méi)有發(fā)生滲漏，說(shuō)明密封性能良好，試驗(yàn)結(jié)束；反之，對(duì)活塞/襯套的密封表面進(jìn)行拋光處理，重復(fù)該試驗(yàn)。

圖5 試驗(yàn)流程

圖6 測(cè)量位置示意

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下的低溫密封情況

原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下對(duì)密封件表面質(zhì)量的要求為Ra0.8 μm。

對(duì)原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下的12件活塞/襯套組件進(jìn)行低溫試驗(yàn)，原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下的12件活塞/襯套中僅有3件通過(guò)低溫試驗(yàn)，9件出現(xiàn)低溫滲漏，低溫試驗(yàn)通過(guò)率為25%。

3.2 返修拋光后的低溫密封情況

圖7所示為某編號(hào)活塞/襯套組件返修拋光前后的表面數(shù)據(jù)對(duì)比。可以看出，返修拋光后產(chǎn)品密封表面的Ra、Rp和Rz指標(biāo)大幅降低，并且6個(gè)測(cè)量位置處的表面質(zhì)量數(shù)據(jù)分散性更小。

從圖7(a)中還可以看出，原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下的產(chǎn)品表面質(zhì)量滿足指標(biāo)Ra0.8 μm的要求，但Rp卻達(dá)到1.2 μm，Rz達(dá)到3.0 μm，見(jiàn)圖7(b)和(c)。即使Ra相同，其Rz和Rp的不同也會(huì)導(dǎo)致不同的密封效果。

圖7 某編號(hào)活塞/襯套組件返修前后表面數(shù)據(jù)對(duì)比

對(duì)34件活塞/襯套組件進(jìn)行了返修拋光處理，經(jīng)過(guò)低溫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)共有27件活塞/襯套通過(guò)低溫試驗(yàn)，7件發(fā)生了低溫滲漏，低溫試驗(yàn)通過(guò)率為79.4%。

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相比于原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下的低溫密封情況，返修拋光工藝能有效改善活塞/襯套的低溫密封特性。

4 分析討論

為進(jìn)一步確定影響活塞/襯套組件低溫密封性能的關(guān)鍵因素，現(xiàn)對(duì)34組活塞/襯套組件的Rp、Rz數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)圖8和圖9，其中藍(lán)色標(biāo)注為低溫試驗(yàn)通過(guò)的活塞/襯套組件的計(jì)量數(shù)據(jù)，其他顏色標(biāo)注為低溫試驗(yàn)滲漏的活塞/襯套組件的計(jì)量數(shù)據(jù)。從圖8可以看出，低溫試驗(yàn)通過(guò)的活塞/襯套組件，其Rp的數(shù)值均小于0.7 μm。

圖8 返修后活塞/襯套組件的Rp分布情況

在返修拋光的34件產(chǎn)品中，滿足Rp≤0.7 μm的活塞/襯套組件共有32件，這32件產(chǎn)品中低溫通過(guò)數(shù)量為27件，通過(guò)率為84.4%；滿足Rp≤0.6 μm的活塞/襯套組件共有29件，其中低溫通過(guò)數(shù)量為25件，通過(guò)率為86.2%。結(jié)果表明，減小Rp并不能顯著地提高低溫通過(guò)率。

從圖9中可以看出，低溫試驗(yàn)通過(guò)的產(chǎn)品其Rz集中分布在1.3 μm以下。返修拋光的產(chǎn)品中，滿足Rz≤1.3 μm的活塞/襯套組件共有29件，其中低溫試驗(yàn)通過(guò)數(shù)量為26件，通過(guò)率為89.7%；然而，滿足Rz≤1.0 μm的活塞/襯套組件共有11件，其中低溫試驗(yàn)通過(guò)數(shù)量為11件，通過(guò)率為100%。結(jié)果表明，降低Rz能顯著提高低溫通過(guò)率。需要指出的是，該100%通過(guò)率只針對(duì)文中的樣本量，當(dāng)樣本量足夠大時(shí)，該值并不能也不可能維持在100%，但一定會(huì)趨于某一較高的穩(wěn)定值。

圖9 返修后活塞/襯套組件的Rz分布情況

對(duì)不同約束條件下的活塞/襯套組件的低溫試驗(yàn)通過(guò)率進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖10。原始設(shè)計(jì)狀態(tài)下的活塞/襯套組件低溫通過(guò)率較低，增加返修拋光工藝后，低溫通過(guò)率達(dá)到79.4%。然而，返修拋光是個(gè)定性的工藝，不同的人，不同的設(shè)備，其拋光效果會(huì)存在較大差異。因此，需要對(duì)拋光工藝進(jìn)行定量約束。在Rp0.7 μm約束條件下，低溫通過(guò)率為84.4%；在Rz1.3 μm約束下，低溫通過(guò)率為89.7%；針對(duì)文中的樣本量，在Rz1.0 μm約束下，低溫通過(guò)率可達(dá)到100%。

因此，為了能更好地保證活塞/襯套組件在低溫環(huán)境下的密封性能，需對(duì)現(xiàn)有的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的Ra表征方法不能很好地適應(yīng)極端苛刻環(huán)境下密封結(jié)構(gòu)的使用需求，通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)Rz和Rp都能更好地表征和約束密封結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量，其中Rz更加嚴(yán)格。

圖10 不同約束條件下的低溫試驗(yàn)通過(guò)率

5 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)Ra指標(biāo)約束下的密封表面不能完全滿足液壓制動(dòng)器低溫密封要求。相比于Ra，Rz和Rp都更好地表征和約束密封結(jié)構(gòu)的表面加工質(zhì)量，采用Rz和Rp指標(biāo)約束能顯著提高密封結(jié)構(gòu)的低溫密封性能。

(2)試驗(yàn)中通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到,Rz≤1.3 μm時(shí)活塞/襯套組件的低溫密封通過(guò)率為89.7%。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，建議對(duì)該指標(biāo)稍微加嚴(yán)，推薦使用Rz≤1.0 μm。

(3)建議在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用Rz指標(biāo)來(lái)約束密封表面質(zhì)量，而不是傳統(tǒng)的Ra指標(biāo)。