基于某型起動機(jī)的機(jī)械密封失效分析

喬思佳，胡 冬

(航空機(jī)電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室 航空工業(yè)南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇 南京 211106)

0 引言

機(jī)械密封是旋轉(zhuǎn)機(jī)械中常用的一種密封形式。它是由至少一對垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力作用下保持貼合,并相對滑動而構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置[1]，它主要由密封端蓋、彈簧、靜環(huán)、動環(huán)和O型密封圈組成。通過彈性元件和介質(zhì)的壓緊力保持端面貼合，并維持一層極薄的流體膜，進(jìn)而達(dá)到密封的目的。

與其他密封方法相比，機(jī)械密封具有工作可靠、密封效果好且使用壽命長等特點[2]。據(jù)不完全統(tǒng)計，國內(nèi)外在各種旋轉(zhuǎn)類機(jī)械設(shè)備和儀器上常采用機(jī)械密封，采用這種密封方式的旋轉(zhuǎn)設(shè)備高達(dá)95%左右[3]。但在如今的工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)械密封失效很普遍，且密封件失效后的維修工作較為繁瑣，費用高昂，失效問題已成為影響產(chǎn)品性能和技術(shù)發(fā)展的瓶頸[4]。

1 失效模式分析

機(jī)械密封通常是整個旋轉(zhuǎn)機(jī)械的薄弱環(huán)節(jié)，其故障或失效往往是造成設(shè)備維修的主要原因。據(jù)統(tǒng)計，在旋轉(zhuǎn)設(shè)備發(fā)生的故障中，因機(jī)械密封失效而維修的占維修設(shè)備總量的50%左右[5]。

機(jī)械密封失效的主要表現(xiàn)形式就是泄漏，圖1為端面動密封結(jié)構(gòu)簡圖。圖1中，h為端面高度；d1為端面內(nèi)徑；d2為端面外徑；db為平衡直徑。其主要有以下5處泄漏點：①摩擦副端面之間；②靜環(huán)(補(bǔ)償環(huán))處的輔助密封圈；③密封腔與端蓋之間的結(jié)合面；④動環(huán)與轉(zhuǎn)軸之間的接觸面；⑤靜環(huán)(石墨環(huán))本身可能存在的泄漏孔隙。

圖1 端面動密封結(jié)構(gòu)圖

以下對各泄漏點的具體情況進(jìn)行分析。

1.1 摩擦副端面之間的泄漏

端面之間的泄漏原因包括零件超差、安裝等因素。

(1) 零件超差一般包括彈性元件彈力不足和端面表面質(zhì)量不足，前者可重新設(shè)計或更換彈簧，端面表面質(zhì)量不足通常是平面度、粗糙度達(dá)不到密封要求，解決方法一般是重新研磨拋光達(dá)到密封技術(shù)要求，或者直接更換密封環(huán)。

(2) 裝配問題也是端面泄漏失效的重要因素，未嚴(yán)格按照工藝規(guī)程進(jìn)行安裝時，可能導(dǎo)致安裝尺寸偏差較大，從而導(dǎo)致端面泄漏失效。因此，必須仔細(xì)閱讀安裝說明書及附圖。

1.2 補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈處的泄漏

(1) 設(shè)計缺陷。主要體現(xiàn)為輔助密封圈的選型不合理和材料不相容，密封圈的壓縮率偏小或偏大都有可能造成失效泄漏。對此，應(yīng)重新選用適宜的密封圈型式和材料。

(2) 工藝問題。表現(xiàn)為加工出的軸存在較大的尺寸公差和粗糙度，導(dǎo)致與密封圈無法緊密貼合，發(fā)生泄漏失效。對此，應(yīng)修正零件尺寸和粗糙度，或直接用合格品替換。

1.3 密封端蓋與腔體結(jié)合面之間的泄漏

端蓋與腔體結(jié)合面的泄漏主要原因在于配合端面存在缺陷。針對凹坑、劃痕等缺陷，可涂布密封膠進(jìn)行應(yīng)急處理；對于端面間的異物，需要拆卸清理，必要時更換受損密封墊片；對于端面壓緊力過大、過小或受力不均的問題，應(yīng)重新調(diào)整螺栓力。

1.4 動環(huán)與軸之間的泄漏

由于動環(huán)通常處于密封腔內(nèi)部，拆卸和檢查都較為麻煩，因此動環(huán)和軸之間的泄漏往往被忽略或誤判，結(jié)果延誤了采取準(zhǔn)確措施的時機(jī)。為此，可以試著觀察泄漏量的變化。一般來說，其他泄漏點的泄漏量往往不穩(wěn)定，如端面不平造成的泄漏，有可能經(jīng)過磨合泄漏量逐漸減??；而動環(huán)與軸之間的泄漏，一般源于安裝不當(dāng)或損傷，泄漏量較為穩(wěn)定。

1.5 石墨環(huán)本身的孔隙泄漏

由于碳石墨制品本身含有孔隙，因此容易發(fā)生泄漏。通常石墨環(huán)需要經(jīng)過浸漬與固化處理，方能投入使用。如果浸漬或固化未達(dá)到要求，或處理后又經(jīng)過切削等加工，加工余量過大就會產(chǎn)生泄漏失效。為此，應(yīng)對機(jī)械加工的最終成品再一次進(jìn)行浸漬處理。

2 故障分析

通過失效分析，并采取一定的改進(jìn)措施，可以提高機(jī)械密封的技術(shù)水平。

2.1 失效分析方法

對發(fā)生失效的機(jī)械密封進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查是失效分析的首要環(huán)節(jié)。一般失效調(diào)查內(nèi)容如下：

(1) 設(shè)備停車前檢查，包括：設(shè)備進(jìn)出口壓力檢查；設(shè)備運行歷史檢查；產(chǎn)品和密封腔的溫度測量；泄漏點檢查；泄漏類型判斷，如產(chǎn)品泄漏、閃蒸或急冷泄漏；噪聲或振動強(qiáng)度。

(2) 設(shè)備拆卸后的調(diào)查，包括：設(shè)備結(jié)構(gòu)分析;軸承狀態(tài)檢查；安裝調(diào)整狀況檢查；密封腔、沉積物和磨損狀況檢查。

(3) 機(jī)械密封零件調(diào)查，包括：密封件運行歷史調(diào)查；密封件污染、結(jié)垢、腐蝕狀況；密封件表面磨損狀況；機(jī)械密封泄漏點分析；機(jī)械密封泄漏機(jī)理分析。

本文采用上述分析方法，對某型渦輪起動機(jī)機(jī)械密封漏油故障進(jìn)行失效分析。

2.2 故障概述與設(shè)備停車前檢查

2019年6月11日，某型渦輪起動機(jī)(以下簡稱“產(chǎn)品”)在使用時發(fā)生漏油故障，由于使用現(xiàn)場不支持故障復(fù)現(xiàn)和相關(guān)參數(shù)測量，于2019年7月12日安排返廠檢查，按照“設(shè)備停車前檢查”要求進(jìn)行相關(guān)故障分析工作。檢查內(nèi)容包括噪聲或振動強(qiáng)度、設(shè)備運行歷史、設(shè)備進(jìn)氣壓力和溫度、泄漏點檢查以及泄漏類型判斷。

首先，在設(shè)備工作現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)渦輪排氣邊處有滑油，底部有油滴，無噪聲或振動異常。

調(diào)查設(shè)備運行歷史，發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品累計工作121 h。

產(chǎn)品返廠后，依據(jù)驗收試驗大綱進(jìn)行了4次性能復(fù)試，試驗條件見表1，未出現(xiàn)滑油掛滴。

表1 復(fù)試項目及試驗條件

為模擬起動機(jī)隨發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，增加1.5 h的反帶試驗，并設(shè)置4個滑油檢測點，檢查機(jī)械密封漏油情況。試驗完成后排氣通道底部出現(xiàn)滑油掛滴，故障復(fù)現(xiàn)。

通過觀察4個滑油監(jiān)測點，排除了滑油來自于通氣螺塞噴油滴落、轉(zhuǎn)速傳感器處滑油滲漏和接合面滲漏的可能性，確定渦輪排氣通道下方掛滴的油液來自于渦輪端機(jī)械密封結(jié)構(gòu)處。

2.3 設(shè)備拆卸后的調(diào)查

按照“設(shè)備拆卸后的調(diào)查” 要求對產(chǎn)品進(jìn)行分解，主要進(jìn)行設(shè)備結(jié)構(gòu)分析、軸承狀態(tài)檢查、安裝調(diào)整狀況檢查、密封腔、沉積物和磨損狀況檢查。

首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，渦輪端機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示，1、2處貼合面均涂樂泰620粘接，3、4處采用膠圈密封。

圖2 渦輪端機(jī)械密封結(jié)構(gòu)圖

接著檢查軸承狀態(tài)和安裝調(diào)整狀況，經(jīng)過觀察，起動機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、渦輪軸狀態(tài)完好，安裝狀況正常，各處密封膠完好。

最后，對密封腔體、介質(zhì)狀態(tài)等進(jìn)行檢查，未見異物及異常磨損。

綜上所述，可將問題定位到渦輪端機(jī)械密封失效。

2.4 機(jī)械密封拆卸后的調(diào)查

對機(jī)械密封進(jìn)行拆解，按照“機(jī)械密封拆卸后的調(diào)查”要求進(jìn)行相關(guān)檢查。主要內(nèi)容包括密封件的運行歷史、密封件表面磨損狀況以及污染、結(jié)垢、腐蝕狀況等，在此基礎(chǔ)上分析確定機(jī)械密封泄漏點。

首先，機(jī)械密封運行歷史與起動機(jī)一致。下面直接以“機(jī)械密封泄漏”為頂事件，分析機(jī)械密封零部件，確定泄漏點，如圖3所示。

圖3 機(jī)械密封泄漏定位分析故障樹

通過檢查發(fā)現(xiàn)：石墨密封端蓋與渦輪殼體或密封腔體之間的密封膠完好，可排除密封端蓋與腔體結(jié)合面之間的泄漏；石墨密封環(huán)內(nèi)的膠圈完好無破損，彈性良好，無變硬、鼓泡等現(xiàn)象，校核該膠圈的實際壓縮率為19.34%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求，排除補(bǔ)償環(huán)輔助密封圈處的泄漏；同時，考慮到性能復(fù)試時沒有出現(xiàn)泄漏，簡單檢查機(jī)械密封的軸承，并未發(fā)現(xiàn)安裝問題，基本可排除動環(huán)與軸之間的泄漏和石墨環(huán)本身的孔隙泄漏。因此，可將問題定位在摩擦副端面之間的泄漏。

接著，以“摩擦副端面泄漏”為頂事件，列出如圖4所示故障樹，進(jìn)行排查工作。

圖4 摩擦副端面泄漏故障樹

首先檢查機(jī)械密封裝配狀況和端面表面狀況，未發(fā)現(xiàn)安裝問題和表面異物，可排除這兩個底事件。

石墨密封組件主要由密封殼體、石墨靜環(huán)、動環(huán)、波浪圈構(gòu)成，零件尺寸超差會導(dǎo)致機(jī)械密封實際工況與設(shè)計不符，可能會引起漏油。復(fù)測相關(guān)零件尺寸，均符合圖紙要求，該底事件可以排除。

對石墨密封組件內(nèi)波浪圈進(jìn)行彈力復(fù)測，結(jié)果見表2，彈力合格，該底事件可排除。

表2 波浪圈彈力復(fù)測

從本次返廠后的性能復(fù)試來看，該產(chǎn)品符合試驗大綱要求標(biāo)準(zhǔn)。這說明該產(chǎn)品在符合原先的密封性設(shè)計要求下仍然在外場發(fā)生了漏油故障，因此原有的設(shè)計要求不滿足外場實際使用需求，該底事件不可排除。

2.5 設(shè)計改進(jìn)

對機(jī)械密封端面重新進(jìn)行計算，過程如下：

根據(jù)經(jīng)驗，該機(jī)械密封端面比壓在(0.133～0.137) MPa范圍內(nèi)時，工作狀態(tài)較為理想。端面比壓pr由式(1)計算可得：

pr=ps+(B-λ)Δp.

(1)

其中：ps為彈簧比壓；B為平衡系數(shù)；λ為介質(zhì)反壓系數(shù)，取經(jīng)驗值1/3；Δp為端面的外壓差，為0.13 MPa。

平衡系數(shù)B由下式計算：

(2)

其中：Ae為有效作用面積；A為端面面積；d2=38.2 mm;db=31.8 mm;d1=32.4 mm。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)計算得B≈1.094。

將上述參數(shù)代入式(1)，計算得彈簧比壓ps推薦值為(0.034～0.038) MPa。

計算端面面積A為：

因此，波形彈簧彈力Fs可表示為：

Fs=ps·A≈(10.9～12.3) N.

即彈簧需在安裝高度下提供(10.9～12.3) N的彈力才能使整個機(jī)械密封結(jié)構(gòu)處于理想的工作狀態(tài)，實測該波浪圈的安裝高度為1.81 mm，在該高度下，波浪圈的彈力為9.3 N，低于計算要求。

因此，可在原有的技術(shù)條件基礎(chǔ)上，在安裝工藝中增加對波浪圈的篩選要求，復(fù)測波浪圈的實際安裝高度與波浪圈在該高度下的彈力，使其在(10.9～12.3) N的范圍內(nèi)，以達(dá)到良好的密封效果。

2019年9月3日，對故障件僅更換彈力合格的波浪圈，經(jīng)4次性能試驗和1.5 h反帶試驗后，沒有發(fā)生渦輪排氣通道滑油滲漏情況，故障排除。

落實上述措施后，共交付38臺新品，未接到渦輪排氣通道滑油掛滴的故障反饋，措施有效。

3 結(jié)論

本文簡單介紹了機(jī)械密封基本原理，對其常見失效機(jī)理進(jìn)行分析，并通過實例介紹了機(jī)械密封的故障分析方法。通過上述分析可知，針對機(jī)械密封失效問題，合理的排故措施尤為重要。機(jī)械密封設(shè)計中，端面比壓和彈簧壓力的計算選用直接關(guān)系到端面密封效果。