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　　摘 要：在介紹技術在航空發(fā)動機中的應用特別是對密封技術的原理、優(yōu)缺點和在應用中遇到的失效問題進行研究的基礎上，結合某型渦軸發(fā)動機空氣起動機減速器石墨環(huán)密封部位滑油泄漏故障，通過對密封元件和磨損痕跡進行測量和檢查，分析石墨密封失效原因，并對如何防止失效再次發(fā)生給出相應的改進建議。

　　關鍵詞：機械密封 石墨密封環(huán) 磨損 失效分析

　　引言

　　縱觀航空發(fā)動機技術的發(fā)展歷程，在影響發(fā)動機性能和壽命的因素中，密封技術在其中的地位變得愈加關鍵。航空發(fā)動機密封需要承受高相對轉速、高工作溫度、高密封壓差以及劇烈振動等各種因素引起的變形和位移[1]?；诖?，近年來密封技術在發(fā)動機上的應用從傳統(tǒng)密封到各種新型的密封都有不同程度的發(fā)展，而機械密封技術作為的密封方案之一，修理控制手段也日漸完善成熟。

　　一、機械密封

　　機械密封屬于動密封中的接觸式密封，主要用于密封各種不同黏度、有毒、易燃、易爆、強腐蝕性和含腐蝕性固體顆粒的介質，壽命可達2500小時，一般不低于 800小時。目前其運用已經(jīng)達到如下技術指標：軸徑為(5～2000)mm;壓力為(10-6～45)MPa;溫度為(-200～450)℃;相對速度可以達到150m/s。

　　機械密封是由一對或數(shù)對動環(huán)與靜環(huán)組成的平面摩擦副構成的密封裝置。光滑平直的動環(huán)和靜環(huán)的端面，靠彈性構件和密封介質的壓力使其互相貼合并作相對轉動，通常密封端面處于邊界潤滑工況，端面間維持一層極薄的液體膜而達到密封的目的。這層流體膜具有流體動壓力與靜壓力，起著潤滑和平衡壓力的作用。當密封端面磨損時，靜環(huán)連同靜環(huán)密封圈在彈簧推動作用下，沿軸向產(chǎn)生微小位移，達到一定的補償能力，稱為補償環(huán)。通過不同的結構設計，補償環(huán)可以由靜環(huán)承擔，也可以由動環(huán)承擔。由補償環(huán)、彈性元件和副密封等構成的組件稱為補償環(huán)組件。

　　機械密封主要包含石墨環(huán)密封、磁性環(huán)密封、蓖齒密封等，下文主要結合空氣起動機減速器使用的石墨環(huán)密封進行分析和研究。

　　二、空氣起動機石墨環(huán)密封

　　(一)減速器工況

　　如圖 1所示為某型俄制渦軸發(fā)動機專用空氣起動機的減速器組件?？諝馄饎訖C工作時，增壓空氣沖擊空氣起動機渦輪，帶動渦輪轉子高速旋轉，通過減速器將扭矩傳遞給發(fā)動機燃氣發(fā)生器轉子，帶動發(fā)動機起動?？諝馄饎訖C的減速器為行星齒輪式，內部采用滑油潤滑，為防止滑油泄漏，轉速輸入端的渦輪轉子與外部采用石墨環(huán)密封，輸出端彈性軸與外部采用皮碗密封。

　　空氣起動機減速器減速比為 8.9，渦輪轉子的極限轉速可達到50000r/min;減速器內部采用926航空滑油獨立潤滑，內部滑油溫度可達到約120℃。

　　(二)石墨環(huán)密封

　　空氣起動機渦輪轉子與外部采用石墨環(huán)密封，動環(huán)4固定在渦輪轉子2的端面上，隨渦輪轉子一起轉動;8件彈簧5安裝在殼體1上，彈簧上部安裝靜環(huán)3，靜環(huán) 3的表面鑲嵌有石墨環(huán)，靜環(huán) 3與殼體 1表面采用膠圈 6 進行密封，靜環(huán) 3 下部設計有凸起結構，通過與殼體 1上的盲孔凹槽配合使靜環(huán)可以隨著彈簧 5 在軸向上下浮動，靜環(huán) 3 不轉動。減速器工作時，渦輪轉子2帶動動環(huán)4一起轉動，靜環(huán)3在彈簧5的作用下，使石墨環(huán)緊壓在動環(huán) 4的密封面上，形成摩擦副防止滑油外漏。以上，靜環(huán) 3為補償環(huán);靜環(huán)3、彈簧 5 和膠圈 6 與相互配合的殼體 1 構成補償環(huán)組件，當石墨密封環(huán)端面磨損時，靜環(huán) 3連同靜環(huán)密封膠圈 6 在彈簧 5 推動下，沿著軸向產(chǎn)生微小位移，達到一定的補償能力保證密封性能不變。

　　三、石墨環(huán)失效分析

　　空氣起動機工作時石墨環(huán)密封部位不允許滑油泄漏?？諝馄饎訖C在試驗或試車時出現(xiàn)石墨環(huán)漏油故障，其中部分臺次在泄漏出的滑油中含有石墨粉。根據(jù)故障現(xiàn)象，結合石墨密封結構，從靜環(huán)、動環(huán)、彈性元件以及裝配質量等幾個方面進行故障原因分析[2]。

　　(一)密封失效情形

　　對出現(xiàn)泄漏的減速器進行分解檢查，發(fā)現(xiàn)故障處滑油中含有大量的石墨粉，分解后石墨環(huán)表面存在偏磨現(xiàn)象，如圖2。潔凈靜環(huán)和動環(huán)密封表面后，通過對比和顯微測量發(fā)現(xiàn)：靜環(huán)和動環(huán)表面均存在磨損，偏磨較為嚴重。結合靜環(huán)和動環(huán)的磨損痕跡可以看出兩者磨痕相互對應互補，為二者之間發(fā)生異常摩擦所致。如圖2、圖7。進一步對石墨環(huán)表面進行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)石墨環(huán)表面粗糙度超差，平面度嚴重降低。

　　摩擦接觸表面會產(chǎn)生犁溝，即使摩擦副是同種材料，接觸表面接觸時仍會產(chǎn)生磨粒。當摩擦表面不平時，磨損微凸體顯著，靜環(huán)與動環(huán)表面相互接觸在高轉速條件下摩擦，將會產(chǎn)生大量磨粒，磨粒夾雜在密封表面成為新的摩擦劑加劇磨損。石墨環(huán)的表面粗糙度和平面度對密封性能起著決定性的影響。

　　如工作時石墨環(huán)表面較粗糙，則會發(fā)生異常摩擦影響耐磨性、密封性;平面度達不到要求，則造成石墨環(huán)與動環(huán)4貼合不緊密，造成滑油在工作過程中滲出。

　　石墨環(huán)損傷后可研磨修復，研磨時采用專用的玻璃平晶板，一般要求表面粗糙度達到 Ra0.1μm，平面度不大于1μmm。在研磨修理中注意防塵，防止雜質顆粒鑲嵌在石墨密封面上。

　　結合靜環(huán)故障分析可知，動環(huán)密封表面粗糙度過低，平面度達不到一定程度，當靜環(huán)與動環(huán)之間的摩擦副承受高轉速時，靜環(huán)與動環(huán)之間同樣會出現(xiàn)嚴重偏磨現(xiàn)象。該故障漏出的滑油中含有大量的石墨粉，分解后動環(huán)表面存在嚴重偏磨現(xiàn)象。工作時動環(huán)表面粗糙度達不到要求，則影響密封性;平面度和平行度達不到要求，則造成動環(huán)4 與石墨環(huán)貼合不緊密，造成滑油滲出。

　　修理中，在研磨平臺上，首先用金剛石研磨膏對動環(huán)與渦輪轉子結合面進行研磨，并在測量平臺上進行著色檢查，使配合表面的著色率不小于90%，并沿四周無顏料中斷;其次用金剛石研磨膏對動環(huán)與石墨環(huán)結合面進行研磨，研磨后使用超聲波清洗，不允許用壓縮空氣，檢查表面粗糙度和平面度，同時保證上、下表面的平行度，如研磨后厚度低于裝配要求，則更換動環(huán)。

　　(二)彈性元件彈力控制

　　控制石墨環(huán)(靜環(huán))和動環(huán)的表面粗糙度、平面度和平行度達到使用要求，重新安裝石墨環(huán)密封裝置進行試驗，發(fā)現(xiàn)部分臺次石墨環(huán)密封部位仍然會出現(xiàn)滑油泄露故障，建立故障樹，運用排除法對密封結構元件逐一進行檢查排故。

　　如圖 3，對分解下石墨環(huán)表面存在“圓周式”偏磨現(xiàn)象[3]的密封裝置的彈性元件——8件彈簧進行彈性

　　測量，發(fā)現(xiàn)彈簧彈力數(shù)值極差較大。如圖1，石墨環(huán)密封結構中8件彈簧5安裝在殼體1和靜環(huán)3之間，使靜環(huán)3的石墨環(huán)緊貼在動環(huán)4的表面上，如果彈簧5的彈力差值過大，則石墨環(huán)上壓力分布不均勻[4]，將會導致石墨環(huán)工作過程中產(chǎn)生偏斜發(fā)生偏磨，同時還會導致與動環(huán)4貼合不緊密，造成滑油滲出。在對彈簧進行選配時，應對 8件彈簧的彈力進行控制，滿足彈性需求的情況下還要使組差控制在較合理的范圍，一般不大于 0.2N，這樣才能保證石墨環(huán)(靜環(huán))在工作中受力均勻，避免偏磨造成石墨密封失效。

　　(三)裝配質量影響

　　1.渦輪轉子安裝面影響

　　如圖4，針對漏油故障分解后動環(huán)表面存在“兩點式”偏磨現(xiàn)象，檢查分析后排除了靜環(huán)、動環(huán)和彈性元件的影響，對渦輪轉子安裝表面進行檢測，發(fā)現(xiàn)安裝面不平，安裝面內圈渦輪軸根部呈對稱式輕微凸起，安裝動環(huán)后動環(huán)支撐受力不均勻，導致與靜環(huán)密封面配合偏斜，工作過程中造成動環(huán)偏磨從而漏油。

　　修理時，將渦輪轉子裝進研磨機的卡盤，用研磨器、金剛石研磨膏對安裝面進行研磨，保證表面粗糙度和平面度達到要求，用環(huán)規(guī)對安裝面進行著色檢查，著色率一般不低于 90%，并且沿圓周無間斷。

　　2.渦輪轉子跳動量超差

　　如圖5，故障分解后動環(huán)表面存在“間斷式”偏磨現(xiàn)象，偏磨程度較小，滑油泄漏量較低，對靜環(huán)、動環(huán)、彈性元件及安裝面進行檢查后沒有發(fā)現(xiàn)主要原因，觀察分解后動環(huán)和安裝面之間，發(fā)現(xiàn)密封膠涂抹

　　不均勻，影響上、下表面的平行度，安裝后導致動環(huán)密封表面產(chǎn)生輕微偏斜，動環(huán) 4上下表面的平行度、渦輪轉子安裝面的垂直度、軸的平直度等較低，進而產(chǎn)生間斷式偏磨現(xiàn)象?？赏ㄟ^均勻涂膠、轉動動環(huán)4與渦輪轉子2的相對角度來保證跳動量。

　　為了控制安裝后動環(huán)表面尺寸，防止動環(huán) 4 安裝偏斜或渦輪軸心錯位，渦輪轉子 2 安裝面涂抹密封膠并安裝動環(huán)4后，要求測量動環(huán)4表面相對渦輪轉子2表面Д的跳動量，此值一般不大于0.01mm。

　　3.渦輪轉子平衡量超差(圖6)

　　根據(jù)排故修理經(jīng)驗，渦輪工作轉速很高，部件安裝后應該進行動平衡，渦輪轉子上安裝動環(huán)、軸承、齒輪后，要求檢查剩余不平衡量不大于0.1g·cm。平衡量影響渦輪轉子旋轉的平穩(wěn)性，如平衡量超差，則旋轉時動環(huán)4偏磨，造成滑油滲出。

　　影響平衡量的主要因素有渦輪轉子、齒輪材質不均勻或加工及裝配中產(chǎn)生的誤差，可通過使用平衡機，針對齒輪與渦輪轉子的相對角度、打磨渦輪轉子來減少不平衡量，使剩余不平衡量達到要求。

　　(四)石墨環(huán)異常磨損

　　靜環(huán)3的石墨密封環(huán)緊貼在動環(huán)4表面，形成密封副[5]。如密封面之間進入雜質，則造成石墨環(huán)異常磨損而漏油。該故障漏出的滑油中含有大量的石墨粉，如圖7所示。

　　造成雜質進入的主要因素有研磨時粉塵嵌入石墨環(huán)、裝配時密封面未清理干凈等。研磨石墨環(huán)時不允許采用研磨膏或含有研磨膏的平臺研磨，研磨后要保持密封面的潔凈，裝配時需檢查密封面的潔凈度。裝配時在靜環(huán)表面均勻涂抹一層滑油，使端面之間維持一層極薄的液體膜而達到密封的目的，同時起到潤滑和平衡壓力的作用。

　　四、結語

　　石墨環(huán)密封是發(fā)動機常用的密封方式，但使用時對油液的污染度要求較高，工作中存在石墨環(huán)磨損較快，容易漏油的缺點。本文涉及的該型俄制渦軸發(fā)動機軸承支點同樣采用石墨密封，但由于石墨密封固有缺點，每年因支點漏油故障造成的維護成本居高不下。

　　相較于本文介紹的石墨環(huán)密封，其中蓖齒密封、指狀密封、氣膜密封等多種不同結構的新型密封技術成為了擁有巨大潛力的研究領域[6]。如某國產(chǎn)三代渦軸發(fā)動機，支點密封方式就采用蓖齒密封配合磁性密封環(huán)密封。性能良好的密封裝置可有效降低燃油消耗率和維護成本，提高發(fā)動機使用壽命。目前航空發(fā)動機密封技術正朝著結構緊湊、質量輕、易裝配、破損安全性高等方向進行創(chuàng)新發(fā)展，但國內密封技術仍然處在傳統(tǒng)技術運用階段，希望本文內容能對將來國內密封技術的發(fā)展提供幫助，對新技術的創(chuàng)新提供參考。

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