O形密封圈高压咬伤问题研究及改进_马良冬.pdf

学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers研究报告专论近年来，航空航天领域螺纹连接松动带来的质量问题越来越多，尤其是运载火箭、载人飞船、战斗机、卫星、导弹等任务工作异常复杂化，那么螺纹连接可靠性尤为重要1-2。如何提高螺纹连接有效性、延缓或者杜绝螺纹连接松动导致的渗漏油等问题，已成为航天型号可靠性研究的重要工作3。液压类产品螺纹连接主要依靠安装O形圈并通过密封圈的压缩变形填充安装间隙，进而堵塞油液通过低压区最终2023 年 3 月第 50 卷第 3 期doi:10.3969 j.issn.1001-5922.2023.03.001Vol.50 No.03，Mar.2023O形密封圈高压咬伤问题研究及改进马良冬1，从德胜2，鲍益东1，唐斌2，朱强强2（1.南京航空航天大学，江苏 南京210000;2.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖241000）摘要：为解决飞机液压系统高压油滤螺纹连接结构产生的O形密封圈咬伤渗漏问题，通过对产品内外螺纹轴向间隙和安装端面间隙计算，观察密封圈损伤特点、失效分析硬度检测，结合有限元分析模拟，确定胶圈硬度数值偏下限、端面间隙较大等是导致胶圈咬伤的主要原因。经试验论证，可通过采取在接头密封端面加工氟塑料圈安装槽装配氟塑料保护圈方式规避胶圈咬伤问题。关键词：密封圈；间隙测量；硬度检测；有限元分析；氟塑料保护圈中图分类号：TQ336.8文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）03-0001-04Research and improvement on high pressure biteof 0-shape sealing ringMA Liangdong，CONG Desheng，BAO Yidong，TANG Bin，Zhu Qiangqiang（1.College of Mechanical and Electronic Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.State-owned Wuhu Machinery Factory，Wuhu 241000，Anhui China）Abstract:In order to solve the problem of bite and leakage of 0-shaped sealing ring caused by connecting structureof high-pressure oil filter thread of aircraft hydraulic system，the axial clearance of internal and external threads andthe clearance of installation end face of the product were calculated，the main features，failure analysis and hardness testof rubber ring bitewere observed.Based on the finite element analysis model，the lower limit of rubber ringhardness and large end clearance were determined to be the main causes of rubber ring bite.Through the experiment，it is proved that the problem of rubber ring bite can be avoided by machining the fluorine plastic ring installation groove on the sealing face of the joint and assembling the fluorine plastic ring protection ring.Keywords:sealing ring；gap measurement；hardness test；finite element analysis；fluorine plastic protective ring收稿日期：2022-10-18；修回日期：2023-03-06作者简介：马良冬（1990-），男，在职硕士研究生，工程师，主要从事飞机操纵、液压、救生系统等产品质量可靠性研究；E-mail：。通讯作者：鲍益东（1976-），男，博士，副教授，研究方向：航空宇航制造工程；E-mail：。引文格式：马良冬，从德胜，鲍益东，等.O形密封圈高压咬伤问题研究及改进J.粘接，2023，50（3）：1-4.1书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接研究报告专论实现密封4。飞机产品修理中经常用到O形圈，但是鉴于飞机长期工作带来的磨损以及修理后容差间隙变大、飞机高频振动等等问题，密封圈咬伤导致产品渗漏油问题屡见不鲜5-6。结合外场发现的故障情况，从产品密封圈槽安装间隙、硬度检测以及仿真模拟等内容进行针对性分析密封圈损伤原因，制定专项解决措施并开展试验验证论证技术的可行性7。1问题提出部队巡检时发现某型飞机左尾梁系统高压油滤入口接头与油滤顶盖下方结合部位三分之一圈范围内有黑色碎屑状堆积物，具体如图1所示。经检测判定，该堆积物来自产品接头安装的密封圈，材料为丁腈橡胶2-5013。图1接头典型故障现象Fig.1Typical failure of the joint2材料分析产品装配时按照工艺要求需施加（78.47.84）N m力矩拧紧接管嘴，采用塞尺测量壳体与接管嘴间隙值小于等于0.01 mm。2.1内外螺纹轴向间隙油滤顶盖进出口螺纹设计尺寸均要求为M421.5，接头螺纹设计尺寸要求为 M421.5，根据GB/T 1922003 普通螺纹基本牙形 及GB/T 25162003 普通螺纹极限偏差，顶盖内螺纹及接头外螺纹牙形尺寸及公差，具体如图2所示8，所以该螺纹配合的径向偏差D=0.160-(-0.217)=0.377 mm。41.030-0.15040.38420-0.2364241.03+0.160040.38+0.3000图2顶盖内螺纹和接头外螺纹牙形尺寸及公差Fig.2The profile dimensions and tolerances of crowncover internal thread and joint external thread已知螺纹为标准螺纹，螺纹夹角为60，因此轴向间隙Dx可计算得出，计算公式：2Dr=2Dxtan60因此，经理论计算，轴向间隙Dx0.435 mm。2.2安装端面间隙安装端面间隙接头、顶盖端面尺寸设计要求，如图3所示。210.350242026.50.240.60.345145R 331R 0.60.3453.274301240.2-0.2504510图3接头、顶盖端面尺寸设计要求Fig.3Design requirements for end faceof connector and top cover从图3可以看出，接头端面以M421.5-6e螺纹为基准的跳动量为 0.08 mm，顶盖端面以 M421.5-5H6H螺纹中径方向为基准的垂直度公差值为0.08 mm。在不加压情况下，二者之间理论间隙最大为0.16 mm。产品装机飞行800h后测量间隙值在0.060.1mm，间隙范围较大。2.3密封圈损伤分析2.3.1外观观察对故障部位分解后检查发现密封圈有不同程度的损伤掉块，约占密封圈周长的三分之一。密封圈损伤具有明显的不对称性，一侧损伤较为严重且从接头六方螺母与密封圈接触的端面开始并具体如图4所示9。（a）正面（b）反面图4损伤密封圈正反情况Fig.4The front and back of the damaged sealing ring2.3.2硬度检测后续对失效密封圈进行硬度对比分析10。取2件使用过的密封圈和2件新密封圈分别编号为F5、S3、X1和X2，每件密封圈硬度检测6次，结果如表1所示。按照Q/IS 2432005 圆截面橡胶密封圈通用技术条件，该密封圈IRHD（国际微型硬度）单位硬度规定为 6883。上述 4 件密封圈硬度均符合标准，但数值均偏低，尤其是新件，硬度已达标准范围下限。2学术论文粘接书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?Academic papers研究报告专论2.4有限元分析使用参数化螺纹建模程序构建模型，简化后装配关系及相互作用设定如图5所示11-12。对壳体固定并在耦合点施加角度、力矩约束，使得扭矩达到78.4 N m，随后对螺纹及接头与液压油接触部位施加28 MPa压力。查找接触对，表面接触，螺栓为主面表面接触，接头为主面加压端面B螺纹端面耦合测量端面A图5加压后应力云图Fig.5Stress nephogram after pressurization密封圈在壳体倒角处应力最大，长时间受压工作，挤入倒角的密封圈基体发生变形13。反复供压后挤入端面间隙，泄压后密封圈发生咬伤；损伤原因示意图如图6所示。安全区过渡区：橡胶应力较大危险区：橡胶挤入间隙造成损伤图6损伤原因示意图Fig.6Schematic diagram of the cause of injury由橡胶硬度测量以及仿真模拟分析可知，密封圈硬度偏低接近标准范围下限，而密封圈又是在高压、高温工作环境，密封圈的硬度对间隙挤出现象具有明显的影响。橡胶硬度越低，间隙挤出现象会越严重。当液压系统压力较高，故障部位间隙增大，密封圈边缘被高压液压挤入端面间隙；当压力降低，故障部位间隙减小，挤入密封圈边缘弹性回复速度小于间隙的变化速度，被接头与顶盖配合端面挤压和咬伤。经过长时间间隙咬伤累积后，密封圈压缩量不断缩减从而导致油液泄漏。密封圈间隙咬伤示意图，如图7所示。液压压力方向接头 密封圈 咬伤部位顶盖图7密封圈间隙咬伤示意图Fig.7Seal ring gap bite schematic diagram3方法改进当O形圈胶料硬度低于72HA，工作压力为10MPa或者根据HB/Z4995规定，当工作压力大于15 MPa时有可能发生间隙咬伤，此时应选择减小配合公差或增加保护圈的方式14。因制造公差及螺纹受力不可避免且二者端面配合间隙无法减小，故拟采用在接头安装保护圈的方式解决密封圈挤出咬伤问题。在接头密封端面加工氟塑料垫圈安装槽，并加装氟塑料垫圈15。加氟塑料垫圈是防止密封圈间隙咬伤的有效办法，但要根据具体密封结构尺寸进行设计，原理就是通过两弹性体之间的挤压，使氟塑料垫圈变形并填充间隙，可保护密封圈不挤入间隙。氟塑料垫圈防间隙咬伤示意图如图8所示。氟塑料保护圈密封圈图8氟塑料垫圈防间隙咬伤示意图Fig.8Fluoroplastic gasket anti-gap biteschematic diagram氟塑料垫圈厚度大于安装槽深度，氟塑料垫圈具有一定的安装压盈量，部分压盈量可填充端面装配间隙，其余的压盈量受压后与未受压的氟塑料垫圈形成一个过渡台阶，起到一定的物理阻隔作用如图9所示。供压时，在液压力作用下密封圈会挤压氟塑料垫圈，由于密封圈与氟塑料垫圈的接触面积大于氟塑料垫圈与上壳体端面的接触面积，氟塑料垫圈受表1密封圈硬度检测表Tab.1Hardness test sheet for seal ring项目F5S3X1X2研究检测174706870273696870376706969475706870574706870671736868结果（中位数）747068703书书书智能设计检测?年?月第?卷第?期?学术论文Academic papers粘接研究报告专论到挤压后，再次填充端面间隙，达到消除端面间隙的目的16。4结果