楊振華, 蔡迎峰, 高 磊, 江守龍, 安宇晗

(航空工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所, 遼寧沈陽 110035)

引言

近年來,航空武器裝備隨著試飛及訓(xùn)練愈發(fā)頻繁,液壓系統(tǒng)的“跑、冒、滴、漏”是一個不容忽視的質(zhì)量問題。此類質(zhì)量問題最直接的影響是降低液壓系統(tǒng)余度,影響飛行任務(wù)的完成;對于液壓系統(tǒng)單點(diǎn)的成品和附件或管路,直接對飛行安全產(chǎn)生重大影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),“跑、冒、滴、漏”問題主要由于結(jié)構(gòu)油箱漏油、導(dǎo)管裂紋或斷裂漏油、以及成品和附件的管接頭等部位漏油,其中成品和附件密封處漏油問題占比最大,導(dǎo)管類問題次之,占比如圖1所示。

圖1 跑冒滴漏問題統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistical graph of running and leaking problems

液壓傳動以液壓油為工作介質(zhì)來傳遞能量,作為飛機(jī)的二次能源,具有傳遞功率大、運(yùn)動平穩(wěn)、控制方便等優(yōu)點(diǎn),在研、在役飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。與此同時(shí),為了實(shí)現(xiàn)超機(jī)動飛行和快速出勤準(zhǔn)備等特點(diǎn),對飛機(jī)液壓系統(tǒng)提出了適應(yīng)飛機(jī)空間小、短時(shí)大功率的要求,即飛機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要朝著體積小、高壓化、大功率、高生存率的方向發(fā)展。其中28 MPa壓力體制的液壓系統(tǒng)在我國戰(zhàn)斗機(jī)上就得以廣泛應(yīng)用[1]。28 MPa液壓系統(tǒng)系統(tǒng)壓力高,同時(shí)伴隨著壓力沖擊,部分成品和附件離發(fā)動機(jī)較近,工作環(huán)境惡劣,近年來,液壓系統(tǒng)成品和附件與管接頭連接處滲油、漏油問題較為突出。

為解決該類問題,相關(guān)人員對此進(jìn)行了研究。朱強(qiáng)強(qiáng)等[2]對飛機(jī)螺紋連接密封膠圈損傷原因進(jìn)行分析,結(jié)果分析表明,膠圈損傷原因與其硬度偏低及間隙量偏大有關(guān)。控制間隙量在0.06 mm以內(nèi),在保證其他性能符合要求的條件下適當(dāng)提高膠圈硬度,可有效防止該類故障發(fā)生。楊瑞軍等[3]分析了微動損傷與疲勞對管螺紋密封性的影響,分析結(jié)果認(rèn)為,通過提高加工要求、提高擰緊力矩、螺紋間填入密封填料等方式,可提高螺紋密封性能。杜一鳴[4]提出采用工業(yè)膠黏劑以提高液壓管路接頭密封性能,該密封膠有一定黏度并在外力作用下可自由流動,能夠有效填充管螺紋間隙,保障管接頭獲得可靠密封。上述研究表明,可通過控制配合間隙量、提高擰緊力矩、填入密封填料等方式提高密封性能。現(xiàn)有研究雖提出改善螺紋連接密封性能的方法,但仍缺少針對飛機(jī)28 MPa液壓系統(tǒng)密封失效機(jī)理的系統(tǒng)研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

液壓系統(tǒng)成品和附件與管接頭連接處的密封間隙的控制對滲漏油問題影響較大,故此,本研究以螺紋連接Ⅰ型密封結(jié)構(gòu)為代表,進(jìn)行密封失效分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,找到密封間隙和密封端面的質(zhì)量控制原則,進(jìn)而降低飛機(jī)在使用過程出現(xiàn)的“跑、冒、滴、漏”問題風(fēng)險(xiǎn)。

1 液壓系統(tǒng)密封螺紋連接Ⅰ型密封結(jié)構(gòu)及失效模式

擰入式直通連接是一種典型的高壓靜密封結(jié)構(gòu)[5-7],屬于Ⅰ型密封結(jié)構(gòu)[8],用于擰入式的直通管接頭,螺塞和其他類似結(jié)構(gòu)零件用的密封裝置,如圖2所示,將管接頭擰入到成品和附件上,施加擰緊力矩,通過密封圈進(jìn)行密封。若管接頭與成品和附件密封端面的粗糙度及接頭的擰緊力矩不滿足要求,將會影響管接頭與成品和附件的密封間隙,從而影響密封效果。

1.成品和附件殼體 2.密封膠圈 3.管接頭 A.接頭端面 B.螺紋

擰入式直通接頭配合端面粗糙度不滿足技術(shù)要求,在擰緊時(shí)摩擦力消耗的擰緊力矩大,產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力相應(yīng)減小,擰入式直通接頭密封處承受液壓壓力后產(chǎn)生的密封間隙大,密封膠圈被擠出密封區(qū)域,產(chǎn)生間隙咬傷[9],隨后在壓力沖擊作用下逐漸剝落掉塊。

裝配時(shí)施加的擰緊力矩不足,由于連接螺紋副在液壓力作用下產(chǎn)生彈性形變,擰緊力矩越小,產(chǎn)生的密封間隙越大,密封膠圈更易發(fā)生間隙咬傷。

擰入式直通接頭配合端面粗糙度不滿足技術(shù)要求和擰緊力矩不足均會造成密封間隙過大,影響密封效果,造成密封失效,液壓系統(tǒng)液壓油漏光,降低液壓系統(tǒng)余度,影響任務(wù)的完成,甚至可能對飛行安全造成影響[10-12]。

某產(chǎn)品采用Ⅰ型密封結(jié)構(gòu),在服役過程中出現(xiàn)了滲漏油問題。對故障的成品和管接頭分解檢查,發(fā)現(xiàn)密封膠圈磨損嚴(yán)重,如圖3和圖4所示。采用故障樹分析方法進(jìn)行分析,確定其故障原因?yàn)槊芊忾g隙控制不足導(dǎo)致膠圈磨損。

圖3 密封膠圈磨損情況Fig.3 Wear condition of sealing rubber ring

圖4 密封膠圈磨損后脫落情況Fig.4 Loss of sealing ring after wear

2 液壓系統(tǒng)密封螺紋連接Ⅰ型密封結(jié)構(gòu)失效模式機(jī)理分析

在成品和附件的接頭與密封膠圈裝配后,液壓系統(tǒng)工作時(shí),在工作介質(zhì)壓力作用下,系統(tǒng)壓力p作用在擰入式直通接頭及密封膠圈上,使擰入式直通接頭密封面產(chǎn)生間隙,密封膠圈部分被擠入接頭與成品和附件端面的配合間隙內(nèi),在m點(diǎn)上密封膠圈應(yīng)力最大,密封膠圈受到液壓系統(tǒng)工作產(chǎn)生的脈動壓力與沖擊壓力,被反復(fù)擠入密封間隙,嚴(yán)重時(shí)發(fā)生破壞,產(chǎn)生間隙咬傷,如圖5所示[13-15]。當(dāng)擰入式直通接頭密封端面表面粗糙度值過大時(shí),安裝在同樣的成品和附件接口并施加相同的力矩時(shí),擰緊力矩用于抵消端面的摩擦力的比例增加,用于形成軸向預(yù)緊力的比例減少,所以在承受系統(tǒng)壓力后,端面粗糙度差的擰入式直通接頭產(chǎn)生的密封間隙會比端面光滑的接頭產(chǎn)生的密封間隙大。密封處間隙的大小影響密封膠圈的使用壽命,加壓狀態(tài)下的密封間隙越大,密封膠圈間隙咬傷越快。

圖5 密封膠圈安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of sealing rubber ring installation

在油壓脈動和高頻振動的耦合作用下,膠圈在成品和附件倒角和密封間隙處的受力成為一個復(fù)雜的交變過程,從而使膠圈間隙咬傷后,二次損傷的形式呈現(xiàn)多樣化。

對密封膠圈在成品和附件安裝槽內(nèi)所受應(yīng)力進(jìn)行仿真分析,仿真如下:M1,M2兩種方案是在密封間隙為0的情況下,密封膠圈在沒有系統(tǒng)壓力和28 MPa 壓力條件下應(yīng)力分布趨勢;M3,M4兩種方案是在 28 MPa系統(tǒng)壓力情況下,密封膠圈在0.04 mm和0.06 mm間隙位置的應(yīng)力分布趨勢,仿真狀態(tài)見表1,應(yīng)力分布見圖6。

圖6 密封膠圈在4種狀態(tài)下應(yīng)力云圖變化對比Fig.6 Comparison of stress cloud map change of sealing rubber ring in 4 states

仿真結(jié)果:

(1) 當(dāng)不施加壓力的情況下,密封膠圈的應(yīng)力集中區(qū)位于密封膠圈截面中心區(qū)域附近,靠近成品和附件倒角密封面形成的棱邊處;當(dāng)施加28 MPa壓力時(shí),密封膠圈在壓力的作用下填充至成品和附件密封端面倒角處,而應(yīng)力集中區(qū)也轉(zhuǎn)移至倒角尖角處;

(2) 在28 MPa液壓壓力的作用下,模擬出密封端面0.04 mm和0.06 mm的密封間隙,倒角尖角處應(yīng)力值逐步增大,無間隙情況下(M2)的24.38 MPa,0.04 mm 間隙情況下(M3)的28.32 MPa,0.06 mm間隙情況下(M4)增大至30.17 MPa;在0.06 mm密封間隙的情況下,密封膠圈在壓力作用下被擠入尖角端部的程度更大,截面中的應(yīng)力最大值也更高,因此更容易于尖角縫隙處在壓力沖擊循環(huán)的作用下發(fā)生表面損傷。

3 液壓系統(tǒng)螺紋連接密封結(jié)構(gòu)失效模式試驗(yàn)驗(yàn)證

針對以直接頭螺紋連接Ⅰ型密封結(jié)構(gòu)為例,通過設(shè)定在額定工作壓力28 MPa下的直接頭與成品和附件密封間隙分別為A狀態(tài)0.07～0.08 mm和B狀態(tài)0.04～0.05 mm以內(nèi),并分別檢查圓周內(nèi)6個點(diǎn)(直接頭扳手臺上做標(biāo)記)的初始密封間隙并做記錄,如表2所示。

表2 28 MPa額定工作壓力密封間隙記錄Tab.2 Record of 28MPa rated working pressure mm

高溫壓力沖擊試驗(yàn):

(1) 在非壓力沖擊狀態(tài)下,將高溫壓力沖擊試驗(yàn)臺額定壓力調(diào)整至28 MPa;

(2) 調(diào)整高溫壓力沖擊試驗(yàn)臺的沖擊壓力,使試驗(yàn)臺的沖擊壓力從不大于0.5 MPa上升到額定工作壓力,然后再降至不大于0.5 MPa,每次壓力沖擊所達(dá)到的最大壓力沖擊峰值為30～34 MPa,壓力沖擊曲線按GJB 3849-99[16]圖2阻尼波形,如圖7所示。

圖7 壓力沖擊曲線(一個循環(huán)周期)Fig.7 Pressure impact curve (one cyclecycle)

(3) 對成品和附件配套組件進(jìn)行高溫壓力沖擊試驗(yàn)100000次,頻率:60次/分,其中試驗(yàn)油溫為90～125 ℃時(shí),保溫2小時(shí)使溫度穩(wěn)定,沖擊75000次;試驗(yàn)油溫為125～150 ℃時(shí),保溫2小時(shí)使溫度穩(wěn)定,沖擊25000次;

(4) 在28 MPa壓力下,保持3 min,檢查成品和附件配套組件密封性,同時(shí)用塞尺檢查成品和附件A、B配套直接頭密封處的密封間隙并記錄(6個邊均需檢查并記錄);

(5) 分解成品和附件A、B配套直通接頭,每退出1圈檢查密封連接處是否有密封圈損傷及損傷部位,記錄殼體位置標(biāo)記。

試驗(yàn)結(jié)果:

(1) B狀態(tài)配套接頭(合格品)完成了10萬次壓力沖擊試驗(yàn)(含7.5萬次95 ℃常溫和2.5萬次130 ℃高溫試驗(yàn)),試驗(yàn)后沒有發(fā)生泄漏故障,密封膠圈分解檢查發(fā)現(xiàn)磨損較重,如圖8所示;

圖8 出口密封膠圈試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.8 Exit sealing ring post-test status

(2) A狀態(tài)配套接頭(不合格品)完成了7.5萬次的95 ℃常溫壓力沖擊試驗(yàn),在4620次130 ℃高溫試驗(yàn)出現(xiàn)漏油,分解檢查密封膠圈磨損嚴(yán)重并斷開;重新配套接頭(合格品)后,仍將擰入式直通接頭與成品和附件殼體間隙控制在0.07 mm,繼續(xù)完成20380次130 ℃高溫試驗(yàn),試驗(yàn)后分解檢查密封膠圈磨損嚴(yán)重,分別如圖9和圖10所示。

圖9 進(jìn)口密封膠圈試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.9 Import seal rubber ring post-test status

圖10 進(jìn)口密封膠圈試驗(yàn)后狀態(tài)Fig.10 Import seal rubber ring post-test status

試驗(yàn)結(jié)論:成品和附件配套接頭在裝配時(shí),如果接頭配套間隙過大,配套間隙大于0.04 mm,會導(dǎo)致配套密封膠圈發(fā)生間隙咬傷,密封膠圈出現(xiàn)過度磨損,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)泄漏。

4 管接頭擰緊力矩控制要求試驗(yàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)要求,M33×1.5的螺紋連接擰緊力矩為71～87 N·m,為驗(yàn)證不同擰緊力矩的配套間隙,測量50, 71, 87, 100 N·m 4個擰緊力矩值下的配套間隙。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同擰緊力矩下配合間隙Tab.3 Matching clearance for different tightening torques

綜上,在擰緊力矩為71 N·m,也無法保證每件產(chǎn)品配套接頭的配套間隙滿足不大于0.04 mm要求,在87 N·m的擰緊力矩下,能滿足配套間隙不大于0.04 mm要求。將擰緊力矩從87 N·m增大到100 N·m,配套間隙基本無變化。

5 結(jié)論

通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,密封膠圈磨損與額定工作壓力下密封間隙有直接關(guān)系,其中管接頭的密封端面加工質(zhì)量和管接頭的擰緊力矩控制影響著密封間隙,為保證密封不失效,保證密封間隙,所以:

(1) 嚴(yán)格控制配套擰入式直通接頭密封端面的加工質(zhì)量;

(2) 嚴(yán)格按成品和附件的裝配要求進(jìn)行零組件的生產(chǎn)加工和裝配前的準(zhǔn)備工作,并用專用工裝和工具進(jìn)行密封圈的裝配[17-18],擰緊力矩應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的力矩值上限嚴(yán)格控制;加壓后,進(jìn)行接頭端面與成品和附件間的間隙檢查,保證28 MPa額定工作壓力下的密封間隙不大于0.04 mm,間隙不合格時(shí),重新選配接頭。

本研究針對28 MPa液壓系統(tǒng)螺紋連接I型密封形式,研究影響密封性能的參數(shù)和工藝控制要求,開展了失效分析的仿真研究與試驗(yàn)驗(yàn)證,提出了密封間隙、零組件加工質(zhì)量、擰緊力矩和裝配工藝的控制措施,實(shí)現(xiàn)了對I型密封結(jié)構(gòu)的可靠性提升,具有良好的實(shí)際工程意義和國防價(jià)值。