李明全，王長清，王增強

（1.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400045；2.中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，黑龍江哈爾濱 150001；3.湖南大學機械與運載工程學院，湖南長沙 410082）

0 引言

滑油封嚴漲圈是一個有切口的金屬彈性環(huán)。漲圈在自由狀態(tài)時切口張開，裝入缸體后切口合攏，漲圈外徑依靠彈力與缸體內(nèi)表面貼緊。工作過程中，漲圈受工作介質(zhì)壓力而與漲圈槽一側(cè)貼緊，由漲圈外徑柱面及貼緊端面共同承擔密封作用，其典型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。漲圈類彈性金屬環(huán)作為一種典型的端面接觸密封形式廣泛應用于高速發(fā)動機的油氣綜合密封結(jié)構(gòu)中[1-2]。國內(nèi)外學者從漲圈力學行為、材料及其熱處理工藝等方面做了較多探索工作。

圖1 單道漲圈密封結(jié)構(gòu)

洪軍華等[3]分析了漲圈密封環(huán)的力學行為，認為漲圈密封環(huán)的切口間隙主要取決于摩擦因數(shù)、漲圈外徑、徑差、軸向厚度和工作油壓。王文濤等[4]根據(jù)材料力學，對漲圈環(huán)進行了力學分析，同時考慮漲圈工作狀態(tài)下工作介質(zhì)壓力對漲圈的作用應力，計算出漲圈密封環(huán)自由狀態(tài)下切口間隙的取值范圍。韓鵬等[5]從材料熱處理的角度研究了鐵素體球墨鑄鐵、奧-貝球墨鑄鐵等對高速發(fā)動機密封漲圈彈性模量、橫向斷裂韌性、硬度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)奧-貝球墨鑄鐵材料漲圈在硬度、彈性模量和橫向斷裂韌性等方面優(yōu)于45#鋼和白口鐵。牛紅蓮[6]通過斷口分析、金相檢驗、硬度測試等對漲圈斷裂原因進行了分析，認為材料夾雜，尤其是次表層夾雜帶降低了材料的塑性及強度，是漲圈斷裂的主要原因。

然而，由于種種原因，上述學者較新的研究成果難以快速應用到軍工產(chǎn)品質(zhì)量的改善中。大部分的航空發(fā)動機或減速器均是通過測繪仿制而定型生產(chǎn)的，缺乏理論基礎研究，部分結(jié)構(gòu)的工作機理不清楚，且測繪存在誤差（使用磨損等導致與最初設計尺寸不符），導致許多機型雖然能夠工作，但各種故障頻發(fā)、性能較差。加強基礎技術理論的研究，對于實現(xiàn)測繪機型性能提升具有重要意義。近期，測繪國外樣機的漲圈零件，并在測繪的基礎上嘗試進行二次優(yōu)化設計，數(shù)值計算結(jié)果證實了方法的合理性。

1 測繪

1.1 材料及表面處理

根據(jù)理化分析結(jié)論，樣機漲圈材料可能為TCrMo 鑄鐵，漲圈材料心部硬度28.5～30 HRC。漲圈表面為正常鉻層硬度。漲圈工作表面鍍鉻，其余表面磷化處理，鉻層表面有明顯交叉網(wǎng)紋，為松孔鉻，鉻層厚度約0.171 mm。漲圈工作表面鍍松孔鉻可以使工作中保持邊界潤滑和適當冷卻，有利于保證漲圈的密封性能，減輕零件磨損。測繪件外觀及組織分析具體組織形態(tài)如圖2 所示。

圖2 測繪件外觀及組織分析

1.2 結(jié)構(gòu)尺寸

由于樣機漲圈存在使用磨損，且各漲圈測量尺寸不一致，所測尺寸只具有參考價值，其與原始設計尺寸存在差異。樣件自由開口尺寸為16.46～16.67 mm，樣件自由狀態(tài)內(nèi)徑Φ146.95 mm-Φ147.83 mm，軸向?qū)?.35～2.36 mm，徑向厚3.98～3.99 mm。非鍍層粗糙度Ra 為0.1～0.4。

2 漲圈設計準則及理論

漲圈主要應用于旋轉(zhuǎn)軸動密封，工作中，機匣靜止，旋轉(zhuǎn)軸相對機匣轉(zhuǎn)動，漲圈依靠自身彈力及工作介質(zhì)的離心力壓緊在機匣襯套中。依據(jù)漲圈工作原理，其合理的設計準則包括：①力平衡，工作介質(zhì)壓差能夠?qū)q圈推靠在旋轉(zhuǎn)軸端面上，保證二者貼合；②力矩平衡，漲圈不隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；③強度約束，漲圈工作中最大應力不能使材料屈服破壞；④裝配約束，漲圈自由狀態(tài)內(nèi)徑應小于漲圈槽外徑。

2.1 力平衡

為保證漲圈工作可靠和良好的密封特性，初始狀態(tài)下，漲圈外徑表面上的軸向摩擦力應小于工作介質(zhì)所產(chǎn)生的軸向推力。初始壓差產(chǎn)生的軸向推力為：

其中 p——漲圈兩側(cè)密封壓差，MPa

R3——襯套內(nèi)徑，mm

R1——漲圈工作狀態(tài)下的內(nèi)徑態(tài)下的內(nèi)徑，mm

漲圈旋轉(zhuǎn)過程中，因慣性力而使主密封面增加的壓強：

其中 N——漲圈座轉(zhuǎn)速，r/min

m——漲圈質(zhì)量，kg

其中，漲圈材料密度為ρ。

Rc——漲圈截面形心半徑，Rc=Dco/2=（D-t）/2

Ac——漲圈與襯套接觸面積，Ac=bπD

副密封面所產(chǎn)生的摩擦力：

其中，p 為漲圈彈力在襯套上所產(chǎn)生的均布壓強。

取可靠系數(shù)1.2，則要求：

2.2 力矩平衡

力矩平衡條件必須使?jié)q圈相對襯套不轉(zhuǎn)動，副密封面所產(chǎn)生的摩擦力矩：

其中，f2=0.22，為副密封面摩擦因數(shù)，取鑄鐵與氮化鋼摩擦因數(shù)。

工作中，主密封面摩擦力矩：

其中，f1為漲圈與漲圈座的摩擦因數(shù)。

取可靠系數(shù)1.2，則要求：

為保證可靠工作，漲圈彈力所產(chǎn)生的均布壓強p 需要同時滿足式（4）與式（8）。

2.3 強度約束

確定了彈力所產(chǎn)生的均布壓強后，漲圈能夠產(chǎn)生此彈力值的開口間隙為：

其中：E 為漲圈材料彈性模量。

漲圈工作時存在溫升，保證裝配時工作間隙足夠的裝配間隙S2為：

其中 αr——漲圈的線膨脹系數(shù)，1×10-5K-1

Tw——漲圈最高工作溫度，Tw=1.3×（273+90）=471.9 K

T0——襯套的最低跟隨溫度，T0=0.6×471.9=283.14 K

αs——襯套的線膨脹系數(shù)，12.3×10-6K-1

漲圈總自由開口間隙：

矩形截面漲圈工作狀態(tài)下最大彎曲應力σ1為：

其中，［σ］為材料許用彎曲應力。

2.4 裝配約束

漲圈安裝時須增大開口并卡入漲圈槽中，故反向張開量須滿足：

利用力、力矩、強度及裝配4 個約束條件構(gòu)成的方程組可最終確定漲圈自由開口間隙范圍。

2.5 確定檢驗用徑向力Fr

假定在漲圈開口處施加切向力Ft，能夠使其達到安裝狀態(tài)（未閉合，保留裝配熱間隙），F(xiàn)r與Ft位置關系如圖3 所示，則由最終所獲取的有效開口間隙S1可確定該切向力：

圖3 Fr 與Ft 位置關系

3 數(shù)值分析及結(jié)果

由于單位無材料TCrMo 的采購及使用記錄，因此，新漲圈使用與其性能相似的稀土球鐵B2 材料代替。稀土球鐵B2 屬于球墨鑄鐵，組織為珠光體，經(jīng)熱處理后具有很好的耐磨性、韌性，可用于溫度不超過200 ℃的滑油密封，能滿足使用需要。稀土球鐵B2 硬度為21～30 HRC，涵蓋漲圈樣件實測結(jié)果。

3.1 參數(shù)設置

（1）松孔鉻與氮化鋼之間的摩擦因數(shù)f1與潤滑條件有關，航空設計手冊中給出干摩擦下的摩擦因數(shù)為0.11，有關文獻建議在邊界潤滑條件下?。?.01～0.05），綜合二者并考慮安全因素，計算中取（0.05～0.11）。

（2）工作介質(zhì)壓差▽p 取0.1 MPa，工作中可能會有波動。

（3）B2 球鐵材料的彈性模量取159 MPa，參考相關文獻并考慮材料屬性變動，?。?51～160）MPa。

（4）漲圈的厚度T 及寬度B 依據(jù)原型機漲圈確定，隨著工況及使用時間可能存在較大變化的是自由開口尺寸與自由狀態(tài)內(nèi)外徑，因此計算中設計外徑取與漲圈配合的襯套內(nèi)徑（Φ150～150.02 mm）。

（5）材料的許用安全應力初定為［σ］=320 MPa，該值為280～360 MPa 時，漲圈自由開口間隙與檢驗力隨之變化。

3.2 數(shù)值結(jié)果

計算中，先確定兩個擬分析的變量，然后將其他輸入?yún)?shù)設定為其取值范圍的中值，計算在漲圈設計準則的約束下，能夠滿足條件的兩分析變量的取值搭配關系，即兩變量的設計范圍。給出了主密封面摩擦副松孔鉻與氮化鋼間摩擦因數(shù)與自由開口間隙及檢驗用徑向力Fr的取值關系如圖4 所示。當f1一定時，滿足設計條件的自由開口間隙是一個范圍，而不是定值。不同的自由開口間隙也決定了檢驗用徑向力Fr是不同的。自由開口間隙S 的最大值受裝配約束是一個定值，但其最小值隨主密封面摩擦因數(shù)的增大而減小。這也是顯而易見的，當摩擦因數(shù)f1較小時，較小的自由開口間隙即可保證漲圈不隨軸轉(zhuǎn)動。另外，由圖4a）觀察樣機實測自由開口間隙7.63～7.73 mm 范圍所在位置，可以發(fā)現(xiàn)其基本取了最小值3 與最大值11.3 的中間值，是最合理的自由間隙設計位置。由此，可以有如下結(jié)論，①數(shù)值計算的參數(shù)設置及計算方法是合理的；②所選材料B2 球墨鑄鐵與樣件材料性能是非常相似的。

圖4 松孔鉻與氮化鋼f1 同S 及Fr 的取值關系

球墨鑄鐵彈性模量E與自由開口間隙及檢驗徑向力的取值關系如圖5 所示，彈性模量較小的灰白口鑄鐵取值規(guī)律如圖6所示。滿足設計理論的最小自由開口間隙隨著彈性模量的增加而減小，較大彈性模量的材料可以在較小開口下保證漲圈工作所需彈力，同時保持彈力不變。當彈性模量大于140 GPa 時，最大開口間隙隨彈性模量的增大而減小，這是因為在材料許用應力約束下，大彈性模量的材料配合較小開口間隙就可以達到材料許用應力；當彈性模量小于140 GPa 時，最大自由開口間隙受裝配約束條件限制而保持不變。結(jié)合彈性模量與自由開口間隙，檢驗徑向力的變化規(guī)律不難理解。對球墨鑄鐵材料，彈性模量對設計參數(shù)的影響遠沒有主摩擦因數(shù)f1大。工作介質(zhì)壓差▽p 為設計預先給定值，理論上不該有太大變動。

圖5 球墨鑄鐵E 與S 及Fr 的取值關系

圖6 灰白口鑄鐵E 與S 及Fr 的取值關系。

當工作介質(zhì)壓差▽p 在0.05～0.15 MPa，變化時自由開口間隙S 與檢驗用力Fr的變化情況如圖7 所示。取材料許用彎曲應力為320 MPa，當介質(zhì)壓差增大時，自由開口間隙S 及檢驗用力Fr變化規(guī)律基本一致。最小自由開口間隙隨介質(zhì)壓差的增大而增大，因為若沒有較大的開口來提供彈力，主摩擦副的摩擦力距將使?jié)q圈隨軸轉(zhuǎn)動，從而磨損失效。最大自由開口間隙依然受到裝配約束而保持不變。材料許用應力［σ］與自由開口間隙S及檢驗徑向力Fr的取值關系如圖8 所示。最小自由開口間隙不受材料許用應力的影響。當許用應力［σ］＜350 MPa 時，最大自由開口隨許用應力的增大而增大；當許用應力［σ］≥350 MPa 時，受裝配約束限制，最大自由開口間隙保持不變。在設計中，若材料選定，則其許用應力一般查手冊確定為一個定值。

圖8 ［σ］與S 及Fr 的取值關系

4 結(jié)束語

對國外樣機漲圈進行測繪的基礎上，考慮到測繪誤差的影響，利用數(shù)值手段，對漲圈進行了校核及二次設計。分析發(fā)現(xiàn)，該型號漲圈滿足工況要求的自由開口間隙公差與檢驗力公差是較大的，當材料確定后，設計中最應該考慮的參數(shù)是主密封面摩擦因數(shù)，即涂層的材料選擇與噴鍍。由于制造中以工作狀態(tài)進行磨削且冷熱工藝交替進行，對自由開口間隙存在多次冷校，很難一次性保證±1 mm 的間隙公差。采用較小的自由間隙與檢驗力公差會大大降低零件的合格率，造成較大的浪費，沒有必要對自由開口間隙作較嚴格的限制。