某型渦軸發動機磁性密封圈滲漏油原因分析研究

鄧海勇 伍彩文

(中國南方航空工業(集團)有限公司,湖南株洲 412000)

某型渦軸發動機磁性密封圈滲漏油原因分析研究

鄧海勇 伍彩文

(中國南方航空工業(集團)有限公司,湖南株洲 412000)

本文針對某型渦軸系列發動機磁性密封圈滲漏油故障,從磁性密封圈的結構和密封原理方面,總結歸納了滲漏油的故障模式,深入分析研究了滲漏油原因和機理,對于外場排故具有較強的理論指導意義和參考價值。

渦軸發動機 磁性密封圈 切向箍緊力 軸向箍緊力 密封性

1 引言

目前,我國最重要的直升機動力之一——某型渦軸系列發動機在功率軸、起動發電機和油霧分離器等三處軸承均采用磁性密封圈結構密封。根據歷年來外場故障統計分析,磁性密封圈滲漏滑油故障占所有外購成附件故障的10%～30%(見表1),是比較常見的典型故障。

因此,從結構和原理上詳細探討磁性密封圈滲漏滑油故障模式和形成機理,具有十分重要的現實意義,對于外場排除這類故障具有較強的理論指導和參考價值,提出了改善磁性密封圈密封性的新措施,并取得了較好的效果。

2 磁性密封圈的結構和密封原理

2.1 磁性密封圈的結構

某型渦軸系列發動機采用的磁性密封圈是一種柔性安裝非完全補償的磁力機械密封,具有構造簡單、體積小、不易磨損和壽命長的優點。其結構主要由三個部分組成：①磁性靜止環、②帶石墨摩擦副的動環和③輔助密封的O形橡膠圈,其中磁性靜止環具有比較強的磁力,且要求隨溫度變化磁力衰減小,同時與動環上石墨環相接觸的一面為鏡面;動環中央一圈有一層石墨環,靠粘結劑將二者粘結在一起,起主密封作用;磁性靜止環的外圈和動環的內圈各有一個O形橡膠圈安裝槽,起輔助密封作用。其結構如圖1所示。

2.2 密封原理

由磁性密封圈的結構可知：在正常工作條件下,磁性靜止環安裝在轉接座等靜止部件內,沒有相對運動,二者之間的密封靠O形橡膠圈起輔助密封作用;而帶石墨環摩擦副的動環依靠O形橡膠圈的壓縮產生箍緊力和旋轉軸一起轉動,同時O形橡膠圈也起到輔助密封作用,磁性靜止環施加給動環的磁力,保證動環的石墨環和磁性靜止環的鏡面貼緊,這樣就實現了在靜止或運動狀態下滑油在磁性靜止環和動環間的密封,起主密封作用。

由于粘結在動環上的石墨環具有自潤滑性以及良好的導熱能力,耐磨性能也極佳,使用壽命長。同時動環與旋轉軸一同旋轉,相互間無相對運動,旋轉軸不會被磨損,磁性靜止環上磁性分布均勻,使動環密封面受力均勻,不會發生“磨偏”現象,預緊力及密封性能不受旋轉軸轉速的影響。

由圖1可知,動環與旋轉軸之間有一個O形橡膠圈,將動環內圈上膠圈和旋轉軸之間的壓縮力分為切向箍緊力f和軸向箍緊力G,同時動環還受到磁性靜止環的磁力P(正壓力),石墨環與磁性靜止環的鏡面之間相對滑動,設其滑動摩擦系數為μ,摩擦力為F,因此,石墨環受到的滑動摩擦力為：

表1 2009年以來磁性密封圈漏油故障統計

表2 磁性密封圈各部分的膨脹系數

要使磁性密封圈保持良好的密封性,只要保證石墨環與磁性靜止環的鏡面之間保持緊密貼合,這樣二者之間的動密封的密封性就能保證,因此必須滿足以下關系式：

其中,滿足關系式(2)表示動環與旋轉軸之間無相對運動,二者之間是相對靜密封;滿足關系式(3)表示一旦動環和旋轉軸之間的間隙過大,磁性靜止環施加的磁力P能夠克服動環內圈的O形橡膠圈的軸向箍緊力G,從而使動環能夠向磁性靜止環端軸向移動。

根據磁性密封圈的結構特點和密封原理,滑油在磁性密封圈中可能存在以下3種滲漏途徑：①磁性靜止環與殼體之間的泄漏,由于二者是靜密封,是次要滲漏點。②動環與旋轉軸之間的泄漏,由于二者相對靜止,是次要滲漏點。③動環的石墨環和磁性靜止環的鏡面之間的泄漏,二者是相對滑動的動密封,是磁性密封圈的主要滲漏點。

3 影響磁性密封圈滲漏油的原因分析

通過對磁性密封圈的結構和密封原理及受力特性的詳細分析可知,磁性密封圈滑油泄漏通道只有3個,下面分別研究。

3.1 磁性靜止環的O形橡膠圈的影響

圖1 磁性密封圈的結構

由于磁性靜止環通過O形橡膠圈與殼體構成靜密封,并且某型渦軸發動機磁性靜止環用O形橡膠圈的內徑一般在20mm～50mm,根據機械設計手冊中關于徑向封嚴用的O形橡膠圈密封參數設計要求,磁性靜止環的O形橡膠圈拉伸率通常應為1．05～1．03,壓縮率通常應為18%～22%。如果拉伸率小于1．03,壓縮率大于22%,則可能出現安裝困難,容易切膠,同時由于壓縮率過大,增大了安裝時的摩擦力,安裝時需用較大的外力,尤其是采用手工安裝時不容易到位,并且由于用力不均勻,可能產生接合面貼合不均勻,造成漏油,因此O形橡膠圈必須保持適當的拉伸率和壓縮率。在實際安裝磁性靜止環的O形橡膠圈時一般會涂密封膠,從而保證其具有良好的密封性,所

以該處漏油的可能性最小。

3.2 動環內圈O形橡膠圈的影響

由于動環與旋轉軸需要保持相對靜止,其密封結構為相對靜密封,動環的轉動是靠壓縮O形橡膠圈獲得較大的箍緊力來保證的,這個箍緊力既要克服石墨環與磁性靜止環之間的摩擦力,又要克服動環的重力和磁性靜止環的磁力,即同時滿足上述關系式(2)和(3),因此,需保證O形橡膠圈有足夠的壓縮量。否則,不足以提供需要的箍緊力來帶動動環,導致動環與旋轉軸之間形成相對滑動的動密封,主密封就失去作用。

由于動環內圈O形橡膠圈在安裝時也涂一層密封膠,因此,該處漏油的概率較小,即使漏油也比較容易解決。

3.3 磁性密封圈主密封的影響

柔性安裝的磁性密封圈是一種非完全補償的磁力機械密封,動環上的石墨環端面和磁性靜止環的鏡面之間是浮動式接觸,相互之間構成相對滑動的動密封,這形成了磁性密封圈的主密封。

在滿足磁性靜止環和動環的結合面平面度和表面粗糙度等要求的情況下,下列幾個因素可能會引起密封面間隙過大,造成主密封結合面漏油：

(1)安裝不正的影響。磁性密封圈是柔性安裝,只有安裝端正、不歪斜,才能使結合面緊密貼合,這是有一定的難度,因磁性靜止環和動環上各有一個O形橡膠圈,尤其是磁性靜止環必須安裝在轉接座等靜止部件安裝孔內,即使安裝到位,也可能由于O形橡膠圈的彈性而回彈,導致歪斜,所以在安裝磁性靜止環時,應該采用氣動工裝等機械壓入方式,來保證安裝端正,不宜采用手工安裝。此外,安裝磁性靜止環和動環組合時,應在磁性靜止環裝于安裝孔內后,再將動環貼合在磁性靜止環的鏡面上一起壓入旋轉軸,使二者更好的貼合,如果將二者分別安裝后,再相互裝配,就很難保證主密封面的間隙要求,可能導致主密封結合面漏油。

(2)磁力和溫度的影響。磁性元件的磁力隨溫度變化而衰減,因此,磁性靜止環的磁力必須經過高、低溫交變時衰減很小,否則隨著使用時間的增加,在高、低溫交變的環境中,極易因磁力衰減,不能保證關系式(3)即P＞G成立,而使主密封不起作用。

溫度的變化除了引起磁力衰減外,還可能使磁性密封圈各部分熱脹冷縮不一致,導致主密封面的間隙過大。構成磁性密封圈各部分的材料不同,其膨脹系數不同。

由表2可知,因材料的膨脹系數不同,經過冷、熱交變時,可能使磁性靜止環和動環的位置改變,如果磁力克服不了這種變形力,動環就不能及時被拉回,使二者結合面不能很好的貼合,就可能導致漏油。

(3)異物進入主密封結合面的影響。某型渦軸發動機起動發電機轉接座內部的磁性密封圈因在結構設計時未考慮起動發電機花鍵軸端面安裝O形橡膠圈,導致花鍵軸上的石墨油膏在運動過程中受熱變稀后滲入磁性密封圈主密封結合面之間,碾磨鏡面和石墨環,因此,即使是石墨油膏這樣細小的異物進入,在二者相互運動時也可能破壞磁性靜止環的鏡面或石墨環,這樣可能導致主密封結合面漏油。

(4)與相配合的零件如旋轉軸、轉接座等表面加工質量的影響。

與磁性密封圈相配合的零件如旋轉軸、轉接座等表面加工質量也會影響主密封的效果,若旋轉軸表面粗糙度較高,則可能使動環的O形橡膠圈和旋轉軸之間的軸向箍緊力G過大,不能保證磁力P＞G成立,在動環脫開時,磁力P不能將動環拉回,使其間隙變大,導致主密封面漏油。

4 結語

基于上述分析,可得出如下結論：(1)磁性密封圈是機械密封的一種,其密封性不可能為零,允許有一定的滲漏油量,在日常維護工作中必須掌握這個度。(2)磁性密封圈的主要漏油點是主密封面,為保證主密封面具有良好的密封性,可采取的措施有：選擇適當的動環O形橡膠圈壓縮量來保證適當的軸向箍緊力G,防止動環與旋轉軸之間相對滑動;提高與旋轉軸相配合表面加工精度,降低表面粗糙度,減小膠圈與旋轉軸之間的摩擦力,有利于石墨環與磁性靜止環貼合或脫開后立即軸向滑動再貼合;磁性靜止環的磁力必須足夠大,且磁力衰減隨溫度變化小。(3)磁性密封圈的正確裝配也是影響其密封性的主要因素。磁性靜止環外圈的O形橡膠圈的拉伸率和壓縮率必須選擇適當,否則,影響磁性靜止環的安裝,導致安裝歪斜、不到位,進而影響主密封面的密封性,因此必須采用氣動工具安裝。另一方面,在安裝磁性靜止環時必須保證鏡面干凈,禁止敲打。

[1]《某型渦軸發動機維護手冊》.中國南方航空工業(集團)有限公司,2009年版.

[2]《HB/Z4-83 圓截面橡膠圈密封結構設計與計算的指導技術文件》.

[3]聞幫椿.《機械設計手冊》.機械工業出版社,2010年版.

[4]陳德才,崔德容.《機械密封設計制造與使用》.機械工業出版社,1993年.

鄧海勇,男,中國南方航空工業(集團)有限公司,二級技術專家,專業主攻:航空發動機故障診斷與維護。伍彩文,男,中航工業南方航空工業(集團)有限公司,一級技術專家,專業主攻:航空發動機故障診斷與維護、外場試飛。