石 峰，黃立新

(1.海軍裝備部，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中航飛機(jī)起落架有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410203)

超音速火焰噴涂(HVOF)是利用液體或氣體燃料在高壓氧氣或空氣中燃燒產(chǎn)生的高溫和高壓，融化金屬或金屬粉末并將其噴射附著于基體表面形成保護(hù)涂層的工藝。由于火焰噴射涂層附著力強(qiáng)，具有良好的耐磨和耐蝕性能，目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備及其零部件的表面和接觸面防護(hù)[1-3]。

某飛機(jī)起落架由緩沖器、搖臂組件和機(jī)輪等組成，其緩沖器具有吸收著陸能量、控制著陸載荷、提供適當(dāng)?shù)膭偠燃白枘岱乐箼C(jī)體發(fā)生共振等功能，緩沖器活塞桿表面采用WC-10Co超音速火焰噴涂處理，以增強(qiáng)桿體耐磨耐腐蝕性。根據(jù)緩沖器承載要求，緩沖器支撐套與活塞桿間采用外部活動(dòng)Ⅱ型密封，起落架工作時(shí)，活塞桿與外筒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩道密封環(huán)起密封和導(dǎo)向作用(見(jiàn)圖1)。

圖1 緩沖器結(jié)構(gòu)圖

1 第1次漏油故障

1.1 故障現(xiàn)象

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該起落架應(yīng)在試驗(yàn)臺(tái)上完成累計(jì)15 000次疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)進(jìn)行到8 000余次時(shí)，緩沖器支撐套與外筒之間出現(xiàn)滲油。經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn)，安裝在支撐套內(nèi)起密封和導(dǎo)向作用的2個(gè)O型密封圈均發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂(見(jiàn)圖2)，造成支撐套與活塞桿之間密封失效，內(nèi)部油液呈黑紅色，且含有較多密封圈膠的顆粒粉末，其余零件未現(xiàn)損傷。

a) 分解后支撐套 b) 分解后O型密封圈

1.2 故障分析

進(jìn)一步分解緩沖器各零部件，對(duì)活塞桿、支撐套、外筒的結(jié)構(gòu)尺寸、幾何公差以及密封圈的物理特性進(jìn)行復(fù)查，復(fù)查結(jié)果見(jiàn)表1，均符合要求。

表1 專項(xiàng)檢查結(jié)果

在航空標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有對(duì)表面為超音速火焰噴涂層的粗糙度提出要求，通過(guò)故障現(xiàn)象以及查閱相關(guān)技術(shù)資料進(jìn)行分析，認(rèn)為活塞桿外表面火焰噴涂層表面粗糙度Ra0.4 μm偏大，且由于超音速火焰噴涂層表面致密，不能形成類似鍍鉻層的微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)儲(chǔ)油[4-5]，因此無(wú)法在活塞桿與密封圈的接觸面形成油膜層，是造成本次密封圈磨損、扭轉(zhuǎn)斷裂以致密封失效漏油的主要原因。

1.3 采取措施

基于上述分析，為減小密封圈與活塞桿外表面的摩擦力，對(duì)耐久落震試驗(yàn)件進(jìn)行優(yōu)化：1)將活塞桿表面超音速火焰噴涂層粗糙度由Ra0.4 μm優(yōu)化為Ra0.1 μm；2)增加可注入潤(rùn)滑脂的注油嘴并改進(jìn)支撐環(huán)。

2 第2次漏油故障

2.1 故障現(xiàn)象

起落架裝配并試驗(yàn)合格后，再次安裝到試驗(yàn)臺(tái)開展試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到3 000余次時(shí)，緩沖器支撐套與外筒間又出現(xiàn)漏油。再次分解檢查發(fā)現(xiàn)，安裝在支撐套中的2個(gè)O型密封圈再次發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂，出現(xiàn)漏油(見(jiàn)圖3)，其余零件未見(jiàn)損傷。

a) 分解后支撐套 b) 分解后O型密封圈

2.2 原因分析

由于前次漏油故障中對(duì)緩沖器密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，本次重點(diǎn)從主要零件結(jié)構(gòu)尺寸、O型密封圈性能符合性和密封結(jié)構(gòu)合理性等方面，對(duì)可能造成密封圈扭轉(zhuǎn)斷裂的原因進(jìn)行分析，并擴(kuò)大尺寸檢查范圍。對(duì)活塞桿、支撐套、外筒的結(jié)構(gòu)尺寸、幾何公差以及密封圈的物理特性進(jìn)行檢查，均符合要求。

在模擬起落架工作的疲勞試驗(yàn)中，由于機(jī)輪對(duì)緩沖器活塞桿產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn)力矩[6]，且PTFE材料的支撐環(huán)硬度偏低，目前支撐套內(nèi)孔與活塞桿之間配合間隙0.05～0.40 mm的要求(實(shí)測(cè)為0.26～0.29 mm)上偏差大，可能造成O型密封圈被擠入活塞桿與支撐套間的縫隙而導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)斷裂(見(jiàn)圖4)。第1次故障時(shí)采取的減小活塞桿表面火焰噴涂層粗糙度，有利于減小活塞桿與密封圈之間的摩擦力，但由于密封圈壓縮率偏大，內(nèi)側(cè)密封圈與活塞桿火焰噴涂層結(jié)合緊密，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)刮油能力強(qiáng)，加之火焰噴涂層存油能力弱，導(dǎo)致外側(cè)密封圈與活塞桿之間幾無(wú)潤(rùn)滑，易造成外側(cè)密封圈首先發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂。外側(cè)密封圈斷裂后，緩沖器活塞桿與外筒間平衡被破壞，抗偏載能力下降，內(nèi)側(cè)密封圈工作環(huán)境惡化，繼而導(dǎo)致斷裂。從前2次故障密封圈斷裂情況也印證了這一分析：外側(cè)密封圈往往碎裂成多段，內(nèi)側(cè)密封圈較為完整。根據(jù)航空標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)要求小摩擦力的活動(dòng)密封，且用多個(gè)并排密封圈進(jìn)行密封時(shí)，允許減少壓縮率[7-8]。

圖4 O型密封圈被擠入縫隙示意圖

2.3 采取措施

基于上述分析，對(duì)起落架進(jìn)行如下優(yōu)化。

1)減小支撐套內(nèi)孔直徑0.2 mm，降低支撐套與活塞桿之間間隙。

2)外側(cè)密封圈支撐套溝槽直徑增大0.1 mm，使外側(cè)密封圈壓縮率由20.4%降為19.2%。

3)在支撐套內(nèi)、外2個(gè)密封溝槽間增設(shè)4個(gè)存油槽，增強(qiáng)潤(rùn)滑。

4)因注油嘴改善潤(rùn)滑作用不明顯，取消注油嘴系統(tǒng)。

3 第3次漏油故障

3.1 故障現(xiàn)象

起落架復(fù)裝后，繼續(xù)開展疲勞試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到11 000余次時(shí)，漏油再次出現(xiàn)。經(jīng)分解檢查，發(fā)現(xiàn)支撐套內(nèi)O型密封圈再次出現(xiàn)扭斷(見(jiàn)圖5)，與前2次相比，本次密封圈損壞較輕，未出現(xiàn)斷裂成多段的現(xiàn)象。

圖5 第3次漏油故障密封圈

3.2 原因分析

針對(duì)緩沖器3次發(fā)生O型密封圈扭斷而導(dǎo)致的密封失效和漏油問(wèn)題，對(duì)比分析其他采用HOVF密封設(shè)計(jì)起落架和同類型密封結(jié)構(gòu)，由于3次漏油故障對(duì)密封圈物理性能的復(fù)查均合格，認(rèn)為所使用的標(biāo)準(zhǔn)O型密封圈膠料物理性能不能滿足使用要求。密封圈與火焰噴涂層摩擦力偏大問(wèn)題有所緩解，但仍存在，需進(jìn)一步降低密封圈壓縮量，減小摩擦力[9]。

對(duì)緩沖器裝配過(guò)程進(jìn)行排查，由于結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度原因，活塞桿圓柱與耳片過(guò)渡處無(wú)法加工成大角度倒角圓錐面，只能加工成R2圓棱，在安裝支撐套時(shí)，支撐套內(nèi)的O型密封圈應(yīng)經(jīng)過(guò)R2圓棱，若無(wú)導(dǎo)向工裝輔助O型密封圈平順滑過(guò)R2圓棱，O型密封圈可能發(fā)生初始扭轉(zhuǎn)或損傷(見(jiàn)圖6)。

圖6 支撐套與活塞桿配合安裝示意圖

綜合分析，導(dǎo)致密封圈再次斷裂的原因主要有3個(gè)：一是密封圈與活塞桿火焰噴涂表面摩擦力仍較大；二是使用標(biāo)準(zhǔn)性能的密封圈難以滿足載荷要求；三是裝配過(guò)程中可能使密封圈產(chǎn)生初始扭轉(zhuǎn)或損傷，惡劣的工作環(huán)境使損傷快速擴(kuò)大。

3.3 采取措施

基于上述分析，對(duì)起落架緩沖器再次進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步降低O型密封圈壓縮率并提高密封圈物理特性，增加裝配導(dǎo)向工裝，具體如下。

1)增大內(nèi)、外側(cè)密封圈支撐套溝槽直徑，降低密封圈壓縮量，外側(cè)密封圈壓縮量由19.2%降低為13.6%，內(nèi)側(cè)密封圈壓縮量由20.4%降低為18.1%。

2)支撐環(huán)厚度增加0.5 mm，提高其硬度。

3)更換航標(biāo)O型密封圈為高特性密封圈，使抗拉強(qiáng)度不小于15 MPa，扯斷伸長(zhǎng)率不低于180%，邵氏硬度為(77±5) HA。

4)優(yōu)化裝配工藝，增加支撐套安裝導(dǎo)向工裝，降低O型密封圈在通過(guò)R2圓棱時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)或損傷的可能。

復(fù)裝后在試驗(yàn)臺(tái)架上重新試驗(yàn)，試驗(yàn)順利完成，未出現(xiàn)漏油問(wèn)題，故障排除。

4 結(jié)語(yǔ)

由于超音速火焰噴涂在國(guó)內(nèi)起落架設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用較少，相關(guān)數(shù)據(jù)積累不足，通過(guò)對(duì)本次故障的分析與解決，積累了超音速火焰噴涂工藝應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[10-11]：相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中有各類型密封方式密封圈壓縮量參考值，但當(dāng)出現(xiàn)類似超音速火焰噴涂等新表面處理工藝導(dǎo)致條件變化時(shí)，需要充分考慮其帶來(lái)的影響，在參考值的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整實(shí)際值；由于超音速火焰噴涂層無(wú)類似鍍鉻層的微觀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，存油能力弱，使得涂層密封運(yùn)動(dòng)面潤(rùn)滑條件差，摩擦力增大，當(dāng)密封能力不足時(shí)，提高密封材料性能是可行的方法；密封活動(dòng)結(jié)構(gòu)O型密封圈對(duì)初始安裝損傷或扭轉(zhuǎn)較為敏感，在安裝中應(yīng)采取措施防止損傷和扭轉(zhuǎn)。