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传动轴封严皮碗密封失效分析与结构改进

2020-05-13
冯欣颖
(哈尔滨东安发动机(集团)有限公司,黑龙江哈尔滨 150066)
  1 概述
  封严皮碗是在机械传动系统中应用较为广泛的一种唇形动密封部件,具有装配简单、尺寸紧凑和成本低廉的优点。封严皮碗在使用中遇到的主要问题是滑油的泄漏,给用户日常维护增加了工作量,提高了维护成本。本文分析了影响封严皮碗动密封性能的主要因素,针对分析结果对动密封结构进行了改进。
  2 封严皮碗结构
  封严皮碗装配于传动轴与机匣之间,由金属骨架、橡胶皮碗和弹簧组成。在工作中,带有金属骨架的橡胶皮碗在弹簧的弹性作用下,将皮碗唇口与传动轴紧紧压在一起,阻断泄漏间隙,达到封严目的。皮碗唇口接触应力呈尖锐分布,如图1所示,断面形状及箍紧弹簧使唇口对轴具有较好的追随补偿性能。
图1 橡胶皮碗及其唇口接触应力
  3 封严皮碗密封失效分析
  3.1动密封轴的偏心对密封性能影响分析
  动密封轴的偏心(同轴度、圆度公差较大)将对滑油的泄漏产生很大的影响。图2表示轴的偏心对间隙的影响,如果轴的中心与旋转中心重合(即偏心为零),则磨损间隙很小,间隙C接近于零,见图2(a),因为皮碗2磨损到刚刚与轴1脱离接触时,就不再产生摩擦,此时C沿圆周均匀分布。
1传动轴;2封严皮碗
图2 偏心对间隙的影响
  若轴的中心m与旋转中心O不重合,则泄漏间隙增大,见图2(b),Om即为偏心距e。因轴上的A点距旋转中心O最远,由于磨损的结果形成以O为圆心及以OA为半径的圆。由图可见,最大间隙在B点,此间隙为偏心距e的两倍;最小间隙在A点,此间隙接近于零。间隙沿圆周的分布是不均匀的,呈月牙形。由于轴的旋转迫使月牙形间隙所在位置周期性变化,如图2(c)所示月牙形间隙转到右侧,因此起到了泵的抽吸作用,对密封很不利。因此,必须尽可能保证轴的中心与旋转中心重合。
  轴的同轴度和圆度是皮碗密封中考虑的主要问题。随着速度的增高,密封唇与轴跳动的随动能力下降。因而,高速下有形成月牙形间隙并泄漏的趋势,可以称之为轴的“凸轮”作用。一般参考资料[1]中推荐轴的圆度在5μm范围内。
  3.2封严皮碗结构对密封性能影响分析
  封严皮碗的摩擦功率增大是导致密封失效的主要原因。摩擦功率增大使得皮碗温度升高,长期在高温环境下工作,使得皮碗的橡胶材料失去本身的机械性能,如唇口掉料、撕裂等,皮碗失去封严作用[2]
  比较有效的的解决方法是采用流体动力唇密封(如图3所示)。流体动力唇密封有一个环形的尖锐唇口用于形成主密封,在密封的空气侧加上一个从主密封向外伸展、模压成型的螺旋槽型面,这些螺旋槽能把泄漏的滑油泵吸回去。由于螺旋槽的泵吸作用,因而能采用较轻的唇载荷,从而使摩擦功率降低,可在一定程度上防止泄漏。
图3 流体动力唇密封结构
  4 动密封结构设计改进[3]
  对经常发生漏油故障的动密封结构进行设计改进,使用性能较好的XD7433氟橡胶作为皮碗的材料,并设计成流体动力唇密封,根据传动轴转向设计螺旋槽旋向,同时将皮碗腰线宽度增加为皮碗总宽度的2/5。
  对相配传动轴(动密封跑道)和机匣(密封座)的尺寸精度进行了合理的设置,对密封跑道外径尺寸增加圆度要求、将同轴度精度要求提高,如表1所示,可以有效避免产生月牙形间隙,防止泵吸现象的发生。改进后经85小时试飞验证,无漏油情况出现,表明该精度可以有效提高各部件之间的配合,同时这样的精度等级不改变原有的加工方法,不会提高加工难度,这些改进有效的解决了动密封漏油现象,同时节约了加工和维修成本。
表1 动密封结构改进前、后对比
  参考文献
  [1]成大先.机械设计手册第10篇润滑与密封[M].北京:化学工业出版社,2004,TH122-62.
  [2]范顺成.机械设计大典第3卷机械零部件设计第26篇密封[M].北京:中国机械工程学会.
  [3]冯欣颖、李宏等.直升机主旋翼轴动密封结构[P].ZL201320020319.1,2013-07-10.
来源:《黑龙江科技信息》2016年8期
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