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鼓风机传动密封装置泄漏分析及对策
添加:2017-4-10 14:32:32    游览:2149    来源:www.aosailuo.net

  摘 要:由于鼓风机叶轮的驱动是通过贯穿附件机匣内 25齿轮轴内套齿带动作高速运转,因而构成了内外径通道。外由磁力密封装置封严,内由 O形圈封严,在高转速过程中伴随着不同程度的振动、窜动、比压、摩擦发热等诸多因素影响,导致滑油泄漏故障频发。为此,针对原采用完全互换法安装存在的故障分析原因,寻求提高装配精度与零件制造精度的关系,改进了与常规不同的选配、修配和调整的工艺方法进行装配控制,对排除泄漏故障有重要意义。

  关键词:密封装置; 比压; 振动; 装配控制

  0 引言

  磁力密封装置主要应用于航空发动机附件机匣的轴端,而鼓风机的驱动是通过附件机匣内 25 齿轮轴,其高转速传动轴(7)为空气滑油散热器提供冷却空气(见图 1),因而附件传动装置外安装的附件,连接必然贯穿机匣体内外而形成通道,为了阻止其泄漏,在高速旋转传动轴使用 4 个同型号磁性密封装置,分别在 25齿轮轴(鼓风机)、66齿轮轴(起动、交流发电机)、86齿轮轴(泵调节器)。它们的转速分别为 n=29241r/min、n=11076r/min、 n=6460r/min, 同时, 密封装置的承载能力为振动值≤20mm/s、 温度≤250℃、 压力≤0.5MPa。采用常规完全互换法装配方式,鼓风机传动密封装置在高线速度时泄漏故障频繁发生。为了消除多重并联泄漏故障的影响, 通过采用装配精度不完全取决于零件制造精度的装配方法有选择装配法、 修配装配法和调整装配法[1], 以提高装配质量, 并排除滑油泄漏故障的发生。

  1 鼓风机传动密封装置作用及结构

  磁力密封是一种用来解决旋转轴与机体之间密封的装置,由至少一对垂直于旋转轴线的、端面在流体压力和补偿机构弹力(或磁力)的作用,以及辅助密封的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置[2]。

图1 鼓风机结构示意图

  由于25齿轮轴贯穿在附件传动机匣体、盖,外径通过磁力机械密封装置防漏,内径通过沟槽 O形圈径向封严防漏。O形圈安装在沟槽和被密封面之间,有一定的压缩量,由此产生的反弹力起密封作用[3]。同时,由于密封圈材料具有弹性,能对密封环起弹性支撑作用,并对密封端面的歪斜和轴的振动有一定的补偿和吸振效果,可提高密封端面的贴合度[4]。当端面磨损后,在静环磁性力作用下,动环具有良好的耐磨性和轴向灵活地移动外,并能自动补偿密封面磨损,使之具有浮动性、追随性及缓冲作用。

  密封装置的结构 (见图2):磁力密封装置 (10) 由传动轴 (7) 套齿连接25齿轮轴 (12) 带动旋转, 通过O形圈(19)又带动动环(20)旋转。静环(16)通过 O形圈(17)固定不动,同时依靠磁力和 O 形圈(17、19)补偿作用,使动、 静环之间的柔性石墨环 (18) 动密封通道c端面紧密贴合, 阻止 25齿轮轴(12)外径介质的泄漏。摩擦副表面磨损后,依靠静环(16)磁力吸引下实现追随性补偿。为了防止25齿轮轴 (12) 外径介质通过动环与轴间泄漏,装有动环 O 形圈(19)防止通道d、e 静密封的泄漏,而静环 O 形圈(17)则阻止了介质沿静环(16)和附件机匣盖体(15)之间通道a、b静密封的泄漏。25齿轮轴(12)内径介质通过 O 形圈(11)安装在传动轴(7)沟槽,防止通道g、f静密封的泄漏。

图2 25齿轮轴密封装置结构示意图

  2 密封装置常规装配方法及故障状况

  2.1 常规的装配方法

  传动轴装置是采用轴向定位式磁力密封及沟槽压缩O形圈密封, 装配方法如下:

  (1)检查零件图号、 规格正确, 密封件完好, 动、 静环表面应光滑平整, 密封端面及辅助密封圈表面应洁净,机匣孔内无损伤。

  (2) 装配前应在轴、 机匣盖孔内与密封圈配合表面及动、静环密封沟槽涂抹润滑油或凡士林,装配时将静环用工装压紧到机匣盖中 (静环背面朝向机匣盖) 并放置2h以消除O形圈回弹力,然后,检查密封端面与机匣盖基准面中心线的垂直度及密封端面的平面度。其垂直度误差≤0,02mm,(控制高度差≤0.04mm。) 检查方法是用精度 0.01mm 数显深度尺测量机匣盖基准面与密封面的高度差,沿圆周方向对称 4点,其差值应在上述范围内,再把动环密封面吸附在静环上,将25齿轮轴一端固定在机匣体上,另一端插入盖上的动环 O形圈内径, 最后将机匣体、盖闭合并固紧周边螺钉。

  (3)鼓风机装配由部件组完成。传动轴安装 O 形圈之前表面涂抹润滑油或凡士林,由总体组将附件机匣与鼓风机连接,并固紧连接螺钉。

  2.2 故障状况

  在磁性密封装置初始运转 3~4h中转速低于 11000r/min 范围内振动<20mm/s 时仍能保持良好的密封性能。当鼓风机叶轮转速上升至 29 241r/min时,漏油故障频繁发生。分解后发现磁力密封静环(4处的)全都有不同程度的转动现象或O形圈被切现象 (见图3), 密封面有明显干摩擦、半干摩擦、边界摩擦现象。

图3 O形圈

  1)密封装置静环密封端面摩擦现象

  混合摩擦:沿密封面内缘连续的接触痕迹,呈现研磨状灰色圈;边界摩擦:沿密封面内缘宽窄的接触痕迹,比压分布强弱区伴随着有断续切屑状月牙对称半圈状接触; 干摩擦:有磨损的沟纹,其表面变色,有点状、 鱼鳞状、切削磨损状烧黄过热黑圈现象,甚至出现细微龟裂纹; 半干摩擦:连续轻度的切削磨损状或局部接触,有时大圆或点状接触。统计以上四种故障各占5%、 5%、 40%、 50%。

  3 密封装置泄漏分析

  磁力密封装置分为动密封和静密封两种,磁力是使密封端面闭合的主要因素。对于动密封,由于相对运动及振动影响的因素,合适匀称的端面比压是保证机械密封长周期安全运行的重要条件。对于静密封来说,只要密封件本身不因过度扭曲导致受压分力不均和损坏而丧失工作及支撑能力,就可以实现绝对的密封。具体分析如下:

  3.1 振动分析

  25 齿轮轴上静环由轴向定位式安装在机匣盖腔内,径向依靠 O形圈支撑且传热差,能吸收径向振动,轴向靠在机匣盖腔内端面上传热好,但不能吸收腔体轴向振动。动环径向依靠 O形圈支撑在 25齿轮轴上,轴向依靠与静环磁力形成的贴合面, 因制造工艺、 材质、 热处理、 装配或整体设计结构等因素未达到理想状态时常引起较大振动[5]。以其轴旋转时质心会偏离轴线产生离心力而横向振动, 尤其摩擦副在高线速度及受外界振动干扰力的影响下。当转速达到某个数值,使外界干扰力产生的振动频率和轴的自然振动频率相同或相近时,将会出现共振现象[6]。因而动环运转中产生径向和轴向振摆, 油膜厚度发生变化,密封面因振动推开的摩擦力会导致发热使密封件的加剧磨损,甚至损坏零件密封面, 加速密封件失效而导致泄漏的原因之一。

  3.2 端面比压力的大小分布分析

  密封端面单位面积上所受的力称为端面比压, 它是影响密封性能和寿命的主要因素之一[7]。

计算式

  式中 Fe ——摩擦副之间的接触力, N:

  A——密封端面接触面积, m2。

  图4 动环受力分析图

图4 动环受力分析图

  根据动环受力分析:

  FC= FS + Fl -Fg- Fg ±Fa

  式中 FS——磁性吸力, N;

  Fl——轴承腔不平衡力, N;

  Fe——密封端面间的液膜力, N;

  Fg——动环的惯性力, N;

  Fa——转子轴向位移时通过O形圈施加的力, N。

  对于磁力密封装置静环 N极 S极磁力的总量大小及分布,密封端面的歪斜和 O形圈扭曲反映出不同摩擦状态,对密封装置的泄漏和磨损有着不同的影响。端面比压要大于密封端面的液膜压力,使端面良好地贴合,避免密封贴合面因运转中振动的推开,保证密封工作的稳定性。但比压不宜过大,否则会使附着的油膜受压后被排斥,从而在高线速度的摩擦热下破坏油膜,失去了润滑作用产生干磨现象影响贴合密封性。

  3.3 密封件损伤与扭曲的分析

  密封装置所形成的密封点主要有 7处:动、静环间密封,在磁力的作用下,动静环构成一对摩擦副; 其它 6处是 O形圈压缩变形密封。理论上的密封面设计都是无间隙的接触,但是形成的分模线和偶合件之间存在着一定的间隙是不可避免的。因此密封间隙会影响 O形圈内应力大小分布和其与密封面的接触应力[8]。此外,由于拉伸 O形圈截面直径过小且不均匀, 润滑不足及密封轴表面粗糙度等因素的存在。经过一段时间的初始运转后,静环密封面上有清晰的摩擦痕迹,在O形圈表面有损伤。

  引起 O 形圈扭曲损伤的原因很多,其中最主要是装入槽内的 O 形圈拉伸断面直径不均匀,由此引起 O形圈内、外圆周向所受摩擦力不均,O形圈的某些部位摩擦过大,以及局部沿工作表面滑动,其他部位则发生滚动,从而导致 O形圈的扭曲。同时,在安装 O形圈经过有台阶套齿的锐边,以及受装配起始点倒角与倒锥表面粗糙度的影响,O形圈表面很容易被划、切伤,因此必须设置导锥(安装倒角), 其棱角要倒圆,以免 O形圈表面挤损使密封失效[9]。

  3.4 支撑方式的配合分析

  磁力密封装置是轴向定位式结构,不能吸收腔体轴向振动,并且套连在 25齿轮轴上, 而该齿轮又由两球轴承支撑,其中,内环是过渡配合,13a、 13b外环分别为间隙、过盈配合 (见图 2)。从外环配合方式所形成的是一端固定、一端游动,游动端则保证轴的热膨胀伸缩时能自由游动,而内环配合方式采用的是双固定时,出现共振作用力下的干摩擦、半干摩擦、边界摩擦现象,引起密封面不同程度的密封失效。当内环配合方式采用的是双游动或单游动时,减弱了共振产生的轴向窜动推力,由此,密封面有润滑作用产生微小磨损量的混合摩擦。因而,对于给定结构尺寸的轴承配合,在一定运转载荷条件下,其共振现象程度主要取决于轴承的支承配合是否合理。

  4 对策-改进装配工艺

  综上所述,常规的完全互换法装配控制的可靠性有一定的局限,通过改进装配控制精度的选配、修配及调整装配工艺方法,增强了预防措施后泄漏故障率明显地下降。

  4.1 选配法

  为了使密封的性能稳定并获得理想的密封比压效果,对静环密封面有选配的要求,按设计规定实物磁性吸力FS的范围为 14~18.5N,平行度小于 0.01mm。选配时取其中间值 16~16.5N,同时,静环密封面的平行度控制在0.004mm之内,并标注高低点位置。

  4.2 修配法

  轴承配合方式的修配应根据齿轮转速、载荷的大小、环境温度及用途方面的变化等因素来决定平衡配合关系。在附件传动机匣中的齿轮的齿薄而小,承受载荷力也不大的状态下,主要是满足附件传动的转速值要求,而滚动轴承与 25齿轮轴支撑是标准配合,当轴承内环孔过渡配合时,配合处过盈将影响 25齿轮轴上的轴向密封及出现共振,过盈时则大,间隙时则小。而实际上轴承的内环孔与轴的公差带允许间隙配合,所以,只需修配影响因素小的 13b支撑点内环孔为间隙是最佳配合 (见图2)。

  零件加工过程中,往往容易忽视 O 形圈装入对象件起始点的倒角,台阶、锐边、毛刺等致使 O形圈损伤的部位,因此,需细心检查、抛修上述部位,对复杂型面还应使用保护引导工装,避免O形圈被切伤。

  4.3 调整法

  实践证明根据磁力密封装置的有效安装空间和结构特点采用调整法装配是可行的,按常规安装静环,垂直度要求属于预装方法,装入静环的 O形圈产生不匀释放力未能完全消除,当吸附上动环后插入 25齿轮轴时动环 O形圈会产生不匀的释放力,而导致封严面内应力分布不匀,是加大局部摩擦力的起始源。因此,采取改进的调整方法是在 25齿轮轴中使用调整架表工装(见图 5),表架轴(21)由定位压板(22)定轴心,同时装上垂直调架表梁(24), 在上方安装千分表头(26)并拧紧螺钉 (25),测出高低值,左边微调螺钉 (23) 对取值高点调平面度≤0.004mm作用,调整中产生间隙则可消除基准面的误差,同时也消除O形圈产生不匀的释放力。

  5 效果

  通过改进密封装置的装配工艺方法,充分发挥磁力密封有效空间及结构特点的作用,能提高精度 10倍以上,可消除改进前装配出现的定位误差、内应力及零件制造误差,达到密封件与部件的协调,同时,消除了磁力机械密封在高转速运行过程中的共振及窜动因素,保持磁力密封装置特有的浮动及追随性,经多台反复试验验证密封装置泄漏故障明显改善。

  图5 调整架表工装

图5 调整架表工装

  6 结束语

  本文针对某型航空发动机的密封装置多发性早期的泄漏故障, 统计梳理了失效的现象, 对故障原因逐一深入分析, 找出磁力密封装置失效并非单一的密封件本身的问题,在很大程度上受安装配合方式的影响, 是导致摩擦升温、 磨损和泄漏的重要因素。通过改进装配工艺方法后, 使密封端面能良好地贴合, 保持油膜层混合摩擦的稳定, 避免了表面微凸点的直接接触和工作中密封面开启,保证密封的稳定性。

  参考文献

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  [2] 黄志坚.现代密封技术应用[M].北京:机械工业出版社,2008:103-105.

  [3] 赵林源.机械密封实用方法与技巧[M].北京:石油工业出版社,2009:52-54.

  [4] 魏龙.密封技术[M].北京:化学工业出版社,2010:92-96.

  [5] 李天罡,冯欣颖,林军.某型航空发动机磁力密封装置密封失效分析[J].液压气动与密封,2015,(7): 125-128.

  [6] 于惠力,李广慧,尹凝霞.轴系零件设计实例精解[M].北京:机械工业出版,2010: 23-25.

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  [8] 秦亚军.基于有限元的 O形橡胶圈密封性能分析[J].液压气动与密封,2014,(8):31-33.

  [9] 刘敬喜,季念迎.O形密封圈的选型与使用[J].液压气动与密封,2013,(6):57-59.84

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