某型滑油泵静态密封失效故障研究_李立恒.pdf

47AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/2 外套内腔滑油可能来自前轴承腔、中轴承腔和后轴承腔。前轴承和中轴承处的封油结构为石墨封严圈，静态贮存状态时滑油压力低，该静压力正常情况下不足以引起封严圈漏油；发动机涡轮后轴承腔前端采用篦齿式密封（见图 2），属于非接触式间隙密封（气动封严），发动机静止状态下没有密封作用，滑油会经此处的间隙流至发动机漏油孔渗漏出来。因此，结合滑油润滑系统流路图可知，当后轴承腔前端滑油泵密封性能下降时，可能导致滑油渗漏超标。2.2 滑油泵内部至涡轮后轴承腔的渗漏路径分析由发动机结构可知，静置状态下发动机涡轮后轴承腔内的润滑油有喷油嘴正向流入和二级回油泵逆向流入两个来源。滑油从滑油泵进口至喷油嘴和二0 引言某型装备整机热试车后，在静态贮存状态下，发现燃油系统、滑油系统漏油嘴部位存在持续滴漏油液现象，最大渗漏量超过 500mL/天。经确认，滴漏油液为润滑油，查阅维修手册，该部位滑油渗漏量应不超过 100mL/天。初步确定故障原因为滑油润滑系统密封性能下降。渗漏超标问题可能引发滑油加注量减少，出现滑油供油不足，导致系统润滑、冷却效果下降。补充加注滑油需将装备与挂载平台分离，造成维护时间增加。为防止同类故障重复发生，确保装备的使用完好性、可靠性，急需开展滑油润滑系统密封失效故障攻关，快速、准确地找出造成密封失效的根本原因，采取有效的控制和预防措施，提高装备密封性能。1 润滑系统组成与工作原理1.1 滑油润滑系统组成滑油润滑系统主要由滑油箱、滑油泵、内部滑油通道和外部管路组成，其中滑油泵为三级泛摆线内啮合齿轮泵，由一级增压泵、两级回油泵、滑油滤、单向活门、保险活门、调压活门等组成。1.2 滑油润滑系统工作原理图 1 所示为滑油润滑系统流路图，滑油箱内滑油经外部管路引到滑油泵的增压级进油口，经增压级增压后供给发动机。高压油路分为两路：一路经外部管路通入涡轮后轴承腔，另一路直接经过附件机匣支柱上的油孔通入发动机前端。供至发动机前端各轴承的滑油均沿机匣内腔汇集到附件传动机匣下部，然后沿支柱中的通道流到第一级回油泵；通往涡轮后轴承腔的滑油在冷却、润滑后轴承后，由第二级回油泵经外部管路抽回。两级回油泵的回油汇合于一条管路，回到滑油箱。2 原因分析2.1 发动机内部滑油渗漏路径分析采用逆向追踪法查找滑油渗漏路径。燃滑油系统漏油嘴通过管路与发动机燃烧室外套外部漏油嘴连接，燃烧室某型滑油泵静态密封失效故障研究Study on Failure of a Static Oil Pump Seal 李立恒/国营长虹机械厂摘要：为解决滑油泵静态渗漏超标多发问题，提高装备质量，延长装备寿命和确保长期运行安全，通过分析密封失效原因、采取专项修复技术和控制措施效果验证等技术手段，实现了渗漏超标问题的处理与预防控制，有效提高了滑油泵密封性能。关键词：滑油泵；静态密封；失效；原因分析；预防控制Keywords：oil pump；static seal；failure；cause analysis；prevention and control滑油箱增压级调压活门保险活门滑油滤单向活门附件机匣后轴承腔一级回油泵二级回油泵滑油泵图1滑油润滑系统流路图DOI:10.19302/ki.1672-0989.2023.02.02048航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/2 级回油泵的渗漏路径有 4 种，其中，路径一和路径二的滑油需先通过增压级齿轮、齿圈间隙进入单向活门后，再流入喷油嘴或二级回油泵，考虑到单向活门密封性能稳定可靠，暂排除这种渗漏可能；路径三的滑油沿盖板部件端面与壳体部件端面形成的端面间隙进入二级回油泵入口；路径四的滑油沿盖板部件、上下泵体与壳体部件之间形成的径向间隙进入二级回油泵入口，如图 3 所示。2.3 渗漏原理分析滑油泵为内啮合泛摆线齿轮泵，转子与泵体、转子与转子间均存在间隙，零件间存在的径向间隙和端面间隙均可视为平行平板渗漏，因此滑油泵内部渗漏问题无法避免。根据液体在缝隙中流动的理论，滑油在缝隙中的流动属于层流范畴，缝隙中的滑油在液位差的作用下产生流动，渗漏量公式q=b3p/12l，q 与间隙特征参数（高度、宽度 b、长度 l）、压力差 p 和动力粘度 等因素密切相关。1）盖板部件与壳体部件端面间隙形成原因结合滑油泵结构可知，增压泵泵体为壳体部件，盖板部件使其与回油泵隔开。盖板部件和壳体部件均由铝合金铸造而成，上有进出滑油的油槽和通道。由于壳体部件与盖板部件间为机械配合，两者之间的缝隙大小受加工质量影响。为满足经济性，机械加工中尺寸、形位公差及光洁度只能控制到一定限度。密封表面在挤压力作用下形成的界面由发生接触的微凸体和没有发生接触的空隙组成。在一定条件下，相互邻接的空隙位置有可能形成较大的空隙，当空隙大到连通内外边界时，流体介质在压强差的作用下沿此空隙流出即形成渗漏，该空隙即为渗漏通道。图 4 所示阴影部分为盖板部件与壳体部件形成的端面密封界面。另外，盖板部件为薄壁铸造件，在铸造或机械加工过程中残余应力一开始没有完全消除，长期贮存后内部残余应力逐渐释放，释放过程中伴随零件结构的轻微变形，形位公差精度降低，间隙高度 增大，也会使渗漏量增大。盖板部件外圆距离粗滤网安装腔的最小接触密封长度仅为 1 2mm，增压泵腔距离粗滤网安装腔的最小密封实体长度仅为0.6mm，盖板部件与壳体部件密封接触间隙长度较小，阻断渗漏效果差。2）盖板部件及上下泵体与壳体部件径向间隙形成原因由于盖板部件、上下泵体与壳体部件必须存在一定间隙（控制在 0.012 0.064mm 范围内）才能保证零件顺畅安装进壳体部件内，且盖板部件及上下泵体与壳体部件配合的径向间隙之间相互沟通（见图 5）。另外，受盖板部件进口配油腔设计结构特征因素影响，进油腔与壳体部件之间没有任何隔断结构（动态下进油腔为负压腔，一般不会发生外泄），滑油泵进口来油可以直接通过敞开式进口配油腔渗漏至径向间隙内，加剧了径向渗 漏量。3）使用工况影响分析静压密封性能试验是检测滑油泵静态密封性能的重要技术手段。装配后且进行静压密封性能检查后装机使用的滑油泵密封性能发生了明显变化，说明该检查方法未能真实有效地反映滑油泵经历动态工作循环后的静态密封性能。原因是静态密封不是完全静止的，滑油泵图3滑油泵内部泄漏路径图2涡轮后轴承腔结构图图4盖板部件与壳体部件接触端面密封界面示意图工 程 ENGINEERING 49AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING航空维修与工程2023/2 要经历运转性能试验、发动机试车和整机热试车等使用工况，压力、振动、外载荷、热膨胀或冷收缩等产生的变形都是动态的，因此滑油泵内部密封结构配合间隙必然发生微量变化，进而形成渗漏微通道，造成密封性能下降。4）动力粘度 影响程度分析装备的贮存环境温度（-20+50）变化范围较大，温度是影响滑油粘度的重要因素。外界环境温度属于不可控的变量因素，因此应重点分析高温环境下动力粘度变化（温度越高，动力粘度越小，渗漏量越大）对滑油泵内部密封稳定性的影响。5）压力差 p 影响程度分析p 为形成渗漏的静压差，压力值为静止状态下的液位高度，本文中滑油泵地面静压密封性试验液位高度为0.6m，高于实际存放状态即滑油箱液面距滑油泵进油口高度（约 0.4mm），故暂不考虑 p 对渗漏量的影响。3 专项修复措施根据滑油泵密封失效原因，重点采取优化接触密封间隙结构特征（减小间隙高度 和增大间隙长度 l）、更改密封类型和优化密封检查方法等控制 措施。3.1 盖板部件密封结构的优化为了增加密封带面积，对盖板部件结构进行结构优化，如图 6 所示，将 盖 板 部 件 倒 角 由 1mm45 改 为0.3mm45；在盖板部件回油槽处增加R19.5mm 铸造凸台。通过试验验证，优化后盖板部件使滑油泵密封性能得到有效改善，但滴漏时间分散性大，单独采用该修复措施不能满足密封要求，需要进一步提高盖板部件与壳体部件的紧密贴合度。3.2 研磨修复在军械附件修理领域中，研磨能够有效改善密封端面质量，提高金属零件之间贴合紧密度。通过独立研磨盖板部件和壳体部件，使单个零件的表面粗糙度和平面度精度误差得到提高，但当两者的同性特征误差面（即凸出面与凸出面或凹陷面与凹陷面）接触贴合时（见图 7），累计误差将增大，渗漏间隙随之增大，因此要求操作人员具备较高技能水平。为解决盖板部件与壳体部件密封面接触匹配性问题，设计了一种研磨装置以带动盖板部件与壳体部件进行对磨（见图 8），以研究不同的研磨压力、时间、研磨剂等对研磨效率的影响。经过反复验证试验，采用对磨方式可使研磨成功率提高至 95%以上，且研磨方法易于掌握。3.3 静压密封性能检查方法的优化为模拟滑油泵实际使用工况的密封性能，验证在振动、力学冲击、热膨胀或冷收缩等真实动态工作环境条件下密封性能的稳定性，在滑油泵经历地面供油性能试验后（这里认为滑油泵运转性能试验和热试车过程中的动态环境对密封性的影响程度基本一致），增加二次静压密封性能检查，并提高试验压力和允许滑油滴漏时间考核指标，目的是留有冗余，保证在各种不可控变量因素条件下滑油渗漏量始终能够满足使用控制要求。3.4 其他控制措施1）盖板部件和壳体部件间增设橡胶圈橡胶圈在低压静密封结构中的密封使用效果最佳，若能够在盖板部件与壳体部件之间增设橡胶圈进行封严，可有效提高密封性能。安装胶圈需要在零件表面加工胶槽，但零件局部密封结构的最小尺寸仅为 2mm，胶圈槽设计尺寸受限，相应胶圈尺寸小，密封效果不佳。故未采用该优化设计密封结构 形式。图5滑油泵结构图图7盖板部件与壳体部件接触贴合情况图6盖板部件结构优化对比图图8对磨夹具图50航空维修与工程 AVIATION MAINTENANCE&ENGINEERING2023/2 2）盖板部件和壳体部件间增设密封垫不更改盖板部件和壳体部件结构，直接在两者之间增加橡胶石棉垫。分别试用了不同厚度尺寸的橡胶石棉垫，密封垫厚度大会影响增压泵抽吸性能，厚度小易发生折叠、堆积位移、撕裂，导致密封失效问题。故未采用该优化设计密封结构形式。3）增加隔断结构如图 9 所示，使用环氧树脂在进口配油腔部位构建一条封闭环带，形成闭合结构，对比“闭合式”和“敞开式”两种结构的密封性能效果。试验结果表明，采用封闭结构能在一定程度上提高密封性能，但改善效果不明显。故未采用该优化设计密封结构形式。a）闭合式 b）敞开式图9盖板部件进口配油腔结构图4）减小径向间隙为了减小径向间隙，验证了在盖板部件、上下泵体与壳体部件接触间隙部位增设橡胶圈和选配零件结构尺寸措施。外圆增设橡胶圈后，密封性能有提高，但泵组合安装困难；若换件选配尺寸，需要提供大量选配备件，增加修理成本和修理难度。因此，不建议采取该控制措施。4 效果验证为了验证滑油泵在各种工况下的密封效果，随机选取 10 件产品，依次开展了滑油泵多循环稳定性检查、高温试验、发动机试车后定量检查和整机热试车检查。滑油泵多次动态运转试验后的密封性能整体趋于稳定，变化量不超过3s/滴；在 40 50温度下，滑油泵稳定后的滴漏时间平均缩短约为10s/滴32s/滴，但最快滴漏时间仍可满足贮存环境密封性控制要求，如图 10 所示；一般认为发动机热试车和整机热试车阶段后，滑油泵所经受的工况环境基本一致，且发动机试车后密封性能便于量化检查，静置 5 天后测得平均渗漏量满足小于100mL/天的控制要求，如图 11 所示；为了验证装备真实贮存状态的滑油系统密封情况，装备整机热试车后，静置5天，未发现有滑油渗漏情况出现。5 结束语综上所述，在采取优化盖板部件密封结构、研磨修复和优化静压密封性能检查方法控制措施后，滑油泵静态密封性能够满足各种复杂工况下的控制要求。通过本次修理技术研究，对流体密封的基本原理、结构特性、试验研究、密封规律、检测技术、失效原理和修复措施有了更全面的了解并积累了经验，为后续其他密封失效故障的分析与预防提供了借鉴。参考文献1 张绍