Cessna172R型飛機(jī)前起落架減震支柱滲漏分析

摘 要：隨著Cessna172R飛機(jī)使用時間的逐漸增加，飛機(jī)前起落架減震支柱出現(xiàn)故障幾率逐漸增加。其主要表現(xiàn)為內(nèi)部密封圈失效、支柱鏡面點(diǎn)蝕，支撐環(huán)磨損等原因?qū)е碌钠鹇浼軠p震支柱液壓油滲漏等。飛機(jī)前起落架減震支柱起落架最重要的部件之一，主要功能是承受飛機(jī)在地面停放、滑行、起飛著陸滑跑時的重力；承受、消耗和吸收飛機(jī)在著陸與地面運(yùn)動時的撞擊和顛簸的能量；實現(xiàn)飛機(jī)滑行時轉(zhuǎn)彎操縱等。如不能科學(xué)、正確、良好的維護(hù)和翻修前起落架減震支柱，將會導(dǎo)致前起落架支柱翻修使用壽命陡降，故障率升高，且嚴(yán)重影響飛機(jī)運(yùn)行中前起落架系統(tǒng)的可靠性。通過對前起落架減震支柱工作原理、故障現(xiàn)象和原因的分析，能提高飛機(jī)運(yùn)行中前起落架支柱工作的可靠性，降低故障出現(xiàn)的幾率，同時能快速、準(zhǔn)確、有效的對故障作出判斷，提高故障排除效率，保證飛機(jī)運(yùn)行安全。

關(guān)鍵詞：失效；磨損；變形；點(diǎn)蝕；熱效應(yīng)

1 前起落架減震支柱密封工作原理

Cessna172R飛機(jī)使用的前起落架減震支柱為油氣式減震支柱，通過內(nèi)部高壓氣體和液壓油的流動來吸收飛機(jī)著陸時的動能。前起落架支柱密封主要部件為支柱內(nèi)筒、支撐環(huán)、密封圈、密封圈保持環(huán)、以及充氣嘴氣門芯等。主要承擔(dān)內(nèi)部液壓油密封的構(gòu)件為支撐環(huán)上的O型密封圈。目前統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)的支柱滲漏主要也是發(fā)生在支柱于支撐環(huán)之間的0型密封圈。

2 前起落架減震支柱滲漏的故障現(xiàn)象和原因

1）現(xiàn)象：前支柱液壓油滲漏。

2）位置：滲漏位置支柱內(nèi)外筒結(jié)合部支撐環(huán)處。

3）原因：支撐環(huán)與內(nèi)筒間密封圈失效。

4）故障密封圈主要失效形式：扭曲；斷裂（其他形式：磨損、變形、脫落）。

3 密封相關(guān)部件分析

重點(diǎn)分析：密封圈、支撐環(huán)、支柱內(nèi)筒、保持環(huán)。

1）密封圈：安裝于支撐環(huán)內(nèi)，由保持環(huán)對其進(jìn)行位置約束，主要功能是實現(xiàn)支柱內(nèi)外筒之間的密封，防止液壓油滲漏，保障支柱減震性能、以及前起落架的轉(zhuǎn)向性能。密封圈老化、扭曲、斷裂、磨損而造成的支柱密封性能下降或失去密封性能。

2）支撐環(huán)：安裝于支柱外筒底部與內(nèi)筒之間，主要用于限制支柱內(nèi)筒運(yùn)動副，為內(nèi)筒移動其支撐功能，并承載相應(yīng)機(jī)械載荷。

3）保持環(huán)：硬塑料材質(zhì)，用于限制密封圈位置，防止密封圈脫落、運(yùn)動。

4）支柱內(nèi)筒：承載飛機(jī)載荷，地面摩擦作用力，故障形式為變形、表面磨損、損傷、粗糙、點(diǎn)蝕等。

4 密封圈扭曲、斷裂失效過程分析、密封件性能分析

4.1 扭曲（斷裂）失效分析

（1）扭曲是指O形圈沿周向發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，扭曲現(xiàn)象一般發(fā)生在運(yùn)動密封狀態(tài)。

（2）O形圈如果裝配正確，且使用條件適當(dāng)，一般極少出現(xiàn)在往復(fù)運(yùn)動狀態(tài)下產(chǎn)生滾動或扭曲，因為O形圈與其保持環(huán)溝槽的接觸面積大于在滑動表面上的摩擦接觸面積，而且O形圈本身的抗扭能力就能阻止其扭轉(zhuǎn)。因為靜摩擦大于滑動摩擦，且保持環(huán)溝槽的表面粗糙度比滑動表面的粗糙度大，摩擦力的分布也趨向保持O形圈在其溝槽中靜止不動。

（3）支撐環(huán)與內(nèi)筒之間隙不均勻、偏心過大、O形密封圈斷面直徑不均勻等原因造成。由于以上現(xiàn)象造成O形圈在周向上橫截斷面尺寸大小不均，容易產(chǎn)生摩擦力不均勻，O形圈的局部摩擦過大，發(fā)生扭曲。另外，由于支撐環(huán)密封溝槽存在著同軸度偏差，密封高度不相等，以及O形密封圈橫截斷面直徑不均勻等現(xiàn)象，可引起O形密封圈的一部分壓縮過大，另一部分過小或不受壓縮。當(dāng)支撐環(huán)溝槽存在偏心（即與支柱的同軸度）誤差大于O形圈的壓縮量時，密封會完全失效。支撐環(huán)密封溝槽與支柱同軸度偏差大的另一個害處是使O形密封圈沿圓周壓縮不均。

4.2 密封圈與保持環(huán)安裝

分析原因：密封圈與保持環(huán)安裝不正確在運(yùn)動過程中可能引起以下問題：

（1）支柱運(yùn)動過程中，保持環(huán)與密封圈接觸面積減小，對密封圈位置度、摩擦力、運(yùn)動狀態(tài)的約束不到位，引起密封圈在支撐環(huán)密封槽內(nèi)轉(zhuǎn)動、扭曲、甚至脫位。

（2）對密封圈變形形態(tài)的約束不正確，從而引起密封圈變形后與支柱內(nèi)筒表面的貼合面積發(fā)生改變。形變量過小，密封能力下降；形變量過大，貼合面的增加，增大密封圈與支柱內(nèi)筒表面摩擦力。

4.3 間隙（支撐環(huán)與內(nèi)筒表面之間的磨損、變形、腐蝕）

被密封的零件存在著幾何精度（包括圓度、橢圓度、圓柱度、同軸度等）不良、零件之間同軸度誤差較大等現(xiàn)象，都會引起密封間隙的擴(kuò)大和間隙擠出現(xiàn)象的加劇。導(dǎo)致密封性能下降、間隙咬傷；不均勻間隙引起的密封圈在相對運(yùn)動中的扭曲。

4.4 滑動表面（支柱內(nèi)筒表面）對O形圈的影響：（參見下圖）

（1）滑動表面的粗糙度變差，導(dǎo)致O形圈周向摩擦不均引起扭曲發(fā)生、或密封圈磨損加劇密封失效。

（2）滑動表面的點(diǎn)蝕對密封圈的啃咬損傷。

4.5 摩擦力與O形圈

（1）濕摩擦：當(dāng)支柱伸長時，支柱內(nèi)筒相對密封圈的運(yùn)動表面充滿了液壓油，與密封圈相對運(yùn)動的摩擦為濕摩擦，其效果相當(dāng)于潤滑。

（2）干摩擦：當(dāng)飛機(jī)著陸或地面滑行時支柱壓縮，支柱內(nèi)筒相對于密封圈的運(yùn)動表面裸露于空氣中，在飛行或滑行過程中氣流作用表面干燥，且附著有空氣中的灰塵、塵埃顆粒等物質(zhì)，使得相對運(yùn)動的摩擦力增大，且著陸時支柱內(nèi)外筒相對運(yùn)動速度很快，容易局部摩擦過大造成密封圈扭曲。

4.6 熱效應(yīng)

橡膠材料的熱效應(yīng)，是指處于拉伸狀態(tài)的橡膠遇熱產(chǎn)生收縮的現(xiàn)象。減震支柱在使用過程中，因相對運(yùn)動和內(nèi)部壓縮而引起的能量形式的轉(zhuǎn)換，由機(jī)械能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能（熱能），液壓油溫度升高。且安裝（緊箍）在支柱內(nèi)筒上的O形密封圈，因相對運(yùn)動產(chǎn)生的摩擦熱而收縮，進(jìn)而使這種壓縮（緊箍）力增大。這樣，產(chǎn)生摩擦熱→收縮→壓縮（緊箍）力增大→產(chǎn)生摩擦熱→……，如此反復(fù)循環(huán)，就增大了相對運(yùn)動的摩擦力，同時大大地促進(jìn)了橡膠的老化和磨損。

4.7 密封圈性能分析

O形密封圈用的合成橡膠材料（如：丁腈橡膠，三元乙丙橡膠，氟橡膠）屬于粘彈性材料，經(jīng)長時間的使用，密封圈會產(chǎn)生永久變形（因運(yùn)動中變形不能恢復(fù)到初始形態(tài)），初期設(shè)定的壓緊量和回彈堵塞能力而逐漸喪失，最終發(fā)生泄漏。永久變形和彈力消失是O形圈失去密封性能的主要原因。其主要影響因素有：工作狀態(tài)下密封圈的壓縮率；工作環(huán)境溫度、壓力、介質(zhì)。

（1）密封圈的壓縮率：在壓縮狀態(tài)下都會產(chǎn)生壓縮應(yīng)力松弛現(xiàn)象，此時，壓縮應(yīng)力隨著時間的增長而減小。使用時間越長、壓縮率和拉伸量越大，則由橡膠應(yīng)力松弛而產(chǎn)生的應(yīng)力下降就越大，以致O形圈彈性不足，失去密封能力。

（2）工作環(huán)境：溫度、壓力、介質(zhì)是影響O形圈永久變形的另一個重要因素。高溫、高壓、油液環(huán)境會加速橡膠材料的老化。

（3）使用一定時間后長時間放置不運(yùn)動引起密封圈永久變形、彈力消失等老化現(xiàn)象，密封性能下降，抗變形能力低下，運(yùn)動中容易出現(xiàn)扭曲裂紋。

（4）密封圈生產(chǎn)性能不佳、存放條件差、或存放周期過長，導(dǎo)致其性能差。

5 解決措施

密封圈材質(zhì)為橡膠類物質(zhì)，具有使用壽命周期，因此密封失效是最終都可能發(fā)生的。加強(qiáng)日常維護(hù)，可以增加密封件的使用壽命，保證飛機(jī)運(yùn)行中的安全，提高在密封件壽命周期內(nèi)使用的可靠性。因此面對支柱滲漏故障，應(yīng)做好以下的日常維護(hù)工作：

5.1飛行后維護(hù)（外場）要求飛機(jī)在完成技術(shù)狀態(tài)檢查時應(yīng)完成支柱勤務(wù)工作

（1）頂升飛機(jī)，使飛機(jī)前起落架減震支柱內(nèi)筒在內(nèi)部氣壓作用力下伸長；

（2）使用清潔抹布，沾清潔溶劑清潔支柱內(nèi)筒表面，清潔時應(yīng)從伸出的清潔區(qū)域開始向長期外露的污染區(qū)域進(jìn)行清潔；

（3）待清潔溶劑完全揮發(fā)，內(nèi)筒表面清潔完成后，使用抹布沾支柱液壓油擦拭支柱內(nèi)筒所有外露表面；

（4）放下飛機(jī)，檢查支柱伸長量。

（5）定期檢查支柱灌充壓力；

（6）定期更換支柱內(nèi)液壓油，以減少液壓油使用過程中變質(zhì)而引起對密封圈壽命的影響。

5.2 支柱分解、組裝

（1）支柱分解時認(rèn)真檢查支撐環(huán)磨損、變形情況；支柱內(nèi)筒變形、表面磨損、點(diǎn)蝕、粗糙度等情況。

（2）支柱組裝前檢查檢查確認(rèn)密封圈、保持環(huán)應(yīng)在使用壽命周期內(nèi)，且無變形、老化、脫落等情況；

（3）支柱組裝時確認(rèn)密封圈潤滑良好，密封圈、保持環(huán)安裝位置、形態(tài)正確，無扭曲；

（4）支撐環(huán)裝配到支柱內(nèi)筒上，檢查應(yīng)無徑向間隙，和軸向偏轉(zhuǎn)，且相對運(yùn)動無干涉現(xiàn)象。

5.3 飛機(jī)停放運(yùn)轉(zhuǎn)

（1）按規(guī)定時間周期完成飛機(jī)停放運(yùn)轉(zhuǎn)工作。

（2）先頂升飛機(jī)，使用干凈抹布沾清潔溶劑后清潔支柱內(nèi)筒表面，清潔時應(yīng)從伸出的清潔區(qū)域開始向長期外露的污染區(qū)域進(jìn)行清潔；待清潔溶劑揮發(fā)后，使用抹布沾支柱液壓油擦拭支柱內(nèi)筒所有外露表面；最后操作支柱內(nèi)筒伸縮往復(fù)幾次。

5.4 密封圈存放環(huán)境

應(yīng)滿足行標(biāo)中對應(yīng)橡膠件材質(zhì)件的存放條件要求，嚴(yán)格按照壽命要求來控制密封件的庫存壽命要求。

參考文獻(xiàn)：

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[3]羅裕富.Cessna172R型飛機(jī)前起落架原理及故障分析，中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（10）.

[4]孫恒，陳作模.機(jī)械原理，高等教育出版社，第六版.

作者簡介：羅裕富（1983-），男，漢族，四川遂寧人，中國民航飛行學(xué)院綿陽分院機(jī)務(wù)部工程師，主要研究領(lǐng)域：飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)。