油氣彈簧密封失效分析

徐夢巖，杜甫，高曉東，萬義強，聶 維

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

由于油氣彈簧往復工作運動頻繁且伴有很大沖擊，因此對密封的可靠性提出了很高的要求，密封的性能直接影響整個懸架系統(tǒng)的性能，油氣彈簧密封件的壽命問題是設計人員經常遇到的難題，成為國內外研究的關鍵技術之一。

1 常用密封件的結構形式及其密封作用

1.1 結構形式

目前，油氣彈簧中常用液壓密封件按密封結合面之間是否具有相對運動，可分為靜密封件和動密封件。若密封結合面之間存在相對運動，那么其使用的密封件稱為往動密封件。若密封結合面之間不存在相對運動，那么稱為靜密封件[1]。

1.2 密封作用

常用液壓密封件的結構形式多種多樣，其密封作用也基本相似，都是通過液壓密封件本身（橡膠、塑料、軟質金屬材料）的彈性、塑性或彈塑性變形對密封表面產生較高的初始接觸應力，阻止液體的泄漏。當液壓系統(tǒng)工作時，壓力液體最大限度地擠壓其密封唇部，使之進一步緊貼密封表面而產生較高的隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應力，結果附加接觸應力與初始接觸應力一起共同阻止壓力液體的泄漏。這就是常用液壓密封件的密封作用。

2 密封設計依據

關于密封件的設計，相關的標準較多，比如涉及膠料的有GJB 250A-1996《耐液壓油和燃油丁腈橡膠膠料規(guī)范》、HG/T 2579-2008《普通液壓系統(tǒng)用O形橡膠密封圈材料》；涉及結構尺寸的有GB /T 3452．1-2005《液壓氣動用O 形橡膠密封圈第1部分：尺寸系列和公差》、GB /T 2879-2005《液壓缸活塞和活塞桿密封溝槽尺寸和公差》、GB /T 10708《往復運動橡膠密封圈結構尺寸系列》、JB /ZQ 4224-97《O形橡膠密封圈》。

3 密封的設計計算

3.1 壓縮率的計算

溝槽密封密封圈的壓縮率是指O形圈截面在溝槽中被壓縮距離與自然狀態(tài)下O形圈截面直徑之比值。壓縮率太小起不到密封效果，壓縮率過大則O形圈最大接觸應力隨之增大，加速表面摩擦損傷，壓縮率過大時也會因壓縮應力的作用而容易產生橡膠的永久變形，從而導致密封失效。壓縮率ε通常用下式表示[2]：

式中，d 為O形圈在自由狀態(tài)下的截面直徑；t 為O形圈槽底與被密封表面的距離，見圖1。

圖1 密封圈在溝槽中的位置

3.2 預壓縮率的計算

對于活塞桿密封，O形圈的外徑尺寸（R1+2 R2）應大于活塞桿溝槽槽底直徑R0。預壓縮率δ的計算表達式為：

式中，R1為O形圈的內徑；R2為O形圈截面直徑；R0為活塞桿溝槽槽底直徑，見圖2。

圖2 活塞桿密封結構形式

4 密封失效原因及失效形式

4.1 密封失效原因

①密封圈不能得到充分潤滑；②液壓油選用不合理；③密封溝槽設計不合理，加工精度差；④裝配時造成的密封件的損壞[2]。

4.2 失效形式

4.2.1 密封溝槽的影響

由式（1）、式（2）可知，O形圈的壓縮量和預壓縮量制約著密封溝槽的尺寸，在工程實際中，O形圈是有不同序列的，設計人員需要根據系統(tǒng)所承載的最大壓力來選定密封圈，根據選用密封圈的參數計算出密封溝槽的結構尺寸。

密封溝槽設計尺寸不合理，當密封間隙過大，O形圈超過其自身的壓縮量時，會引起密封圈與滑動摩擦面間的壓緊力增大，導致O形圈與滑動摩擦面間很難形成油膜，引起O形圈的損壞。密封間隙過小，O形圈裝入密封溝槽后，其橫截面產生壓縮變形小，即O形圈與滑動面的接觸寬度變小，會使密封能夠承受的壓力變小。如圖3所示，接觸寬度與密封承受的壓力成正比[3]。

圖3 接觸寬度隨壓力變化曲線

溝槽槽底的粗糙度，也會引起密封的失效。溝槽槽底粗糙，O形圈與槽底接觸面易發(fā)生磨損，引起O形圈早期磨損失效。溝槽槽底過于光滑，可能會引起氣體的泄露。

4.2.2 密封圈材料與液壓油的影響

由于油氣懸掛裝置廣泛應用于履帶裝甲車輛，其使用環(huán)境也及其惡劣，既有-40℃以下的寒區(qū)適應性試驗，也有40℃以上的熱區(qū)適應性試驗，因此對密封圈及選取的液壓油有嚴格要求。目前市場上的普通密封圈的使用范圍在-40℃～120℃，基本已經滿足密封圈的使用溫度范圍。因此，液壓油的選取會對油氣彈簧的性能產生直接影響。

目前市場上提供的液壓油品種眾多，以目前我們常用的幾種型號來說明液壓油對密封可能造成哪些影響。46號抗磨液壓油：在-43℃時油液成凝固狀態(tài)，不能為密封圈提供潤滑，造成密封圈與缸筒干摩擦，加速密封圈的老化。10號航空液壓油：10號航空液壓油是一款低溫用油，在低溫環(huán)境下性能良好，當液壓油溫度超過80℃，液壓油粘度只有4.66mm2/s，對密封圈同樣起不到潤滑作用，造成密封損傷見圖4。

圖4 臺架試驗X型圈損傷

4.2.3 密封圈受熱后硬化和氧化

圖5為油氣彈簧浮動活塞截面圖，在浮動活塞上布置有兩道高壓組合密封，一道是靠近油側的斯特封，用于密封缸筒中的高壓油介質，另一道是靠近氣側的AQ封，用于密封氣室中的高壓惰性氣體，防止氮氣泄漏進入油缸出現油氣混合現象。當浮動活塞在缸體做往復運動時，由于斯特封和X型圈對液壓油均有密封作用，導致靠近氣室一側的X型圈得到的潤滑程度比靠近油室側差，在實際試驗中可以明顯看出該側X型圈及聚四氟乙烯基體磨損程度更加嚴重。

圖5 浮動活塞組合密封截面視圖

4.2.4 安裝過程中密封圈的損壞

在裝配過程中，密封溝槽上的棱角或導入的倒角設計加工不合理，安裝時沒有涂抹潤滑油，都能夠使密封圈被尖銳的刃口切傷、發(fā)生扭曲或卡住，表面產生凸起或凹痕、起皮或剝落現象。

5 結論

密封圈失效導致泄露的原因有很多，本文分析了由于密封圈的自身設計因素、零件加工因素以及裝配因素導致失效的原因，在以后設計、選取密封圈時應該注意到以下方面：①選擇合理的密封圈壓縮率，根據實際使用環(huán)境，控制密封間隙和配合尺寸公差；②對密封圈材料進行研究，在原有材料的基礎上進行材料改進，并采用高精度模具，提高O形圈的硬度，減小拉伸和壓縮永久變形；③提高零件加工精度，改進裝配工藝。