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某型液压泵机械密封结构改进陈晨

发表时间：2020/8/4 来源：《论证与研究》2020年6期作者：陈晨

[导读] 摘要：机械密封也称作端面密封，是由一对或数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封装置，广泛应用于泵、马达类产品中。某型液压泵的轴尾机械密封结构在工作300h～500h时，基本均出现了漏油超标（要求不大于5mL/h）的现象。漏油故障导致外场计划外维修，影响了部队的装备完好率。本文对该液压泵机械密封结构分析，查找漏油故障原因，并针对性地提出改进方案。

                                                                           陈晨
                                         （中海油服深圳分公司广东省深圳市 518000）
        摘要：机械密封也称作端面密封，是由一对或数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封装置，广泛应用于泵、马达类产品中。某型液压泵的轴尾机械密封结构在工作300h～500h时，基本均出现了漏油超标（要求不大于5mL/h）的现象。漏油故障导致外场计划外维修，影响了部队的装备完好率。本文对该液压泵机械密封结构分析，查找漏油故障原因，并针对性地提出改进方案。
        关键词：液压泵；机械密封；结构改进
        1 原轴尾机械密封结构
        1.1 结构及工作原理

                                                     图1 泵结构示意图
        液压泵轴尾密封结构见图1。产品工作时，传动轴通过花键驱动斜盘运转，斜盘通过平台配合带动密封座（动环）旋转；密封座同时作为补偿环，在密封弹簧的弹力（通过安装在密封座内部的垫片和密封圈2的作用）作用下贴合到密封环（静环）端面，形成机械密封。密封圈1起动辅助密封的作用，非本文研究重点，故不多赘述。
        1.2 漏油产品分解检查情况
        对存在漏油超标现象的液压泵轴尾进行分解，检查发现密封座平台卡滞在斜盘平台上磨损的槽内，且难以取出，分解后检查斜盘与密封座在平台接触位置均有不同程度的磨损，形成了一道沟槽（见图）。

        图2 密封座与斜盘平台接触位置均存在磨损
        1.3 原因分析
        根据机械密封的工作原理，密封座作为动环（补偿环），需要在产品运转时应及时补偿运转跳动、磨损等引起的贴合间隙。当密封座因平台磨损而卡滞在斜盘磨损形成的沟槽内，无法在密封弹簧弹力作用下与密封环完整贴合，密封座的补偿作用失效，导致机械密封漏油。
        本液压泵采用了单平台驱动的结构，即由斜盘平台驱动密封座平台旋转。由于设计和制造间隙的存在，两平台之间理论上就是平台一侧的线接触驱动。密封座平台的轴向宽度仅1.2mm，因此接触线长度也仅1.2mm。
        产品在外场使用过程中，受机上振动环境作用，以及产品起停、转速变化的作用，使得平台接触部位存在频繁的接触-脱离冲击现象，密封座与斜盘平台接触位置产生较大的冲击应力。由于斜盘与密封座表面硬度均在HRC60左右，在此条件下，两平台将互相磨损。磨损逐步加剧，两平台之间的不平行角度将加大，进一步加大了冲击间隙和冲击载荷，斜盘轴颈处磨损成凹槽（见图3）。
        密封座的平台落入斜盘平台磨损形成的凹槽，导致密封座卡滞、无法轴向运动，即失去了轴向补偿功能，密封环与密封座的接触面之间出现缝隙，最终导致轴尾漏油超标。
        2 同类型机械密封结构分析
        2.1 结构分析

        图3 同类型密封结构
        另一型号液压泵存在类似机械密封结构，但存在一定的区别：斜盘驱动密封座（动环）并不是通过斜盘和密封座上配对的平台，两个零件上均无平台结构；而是密封弹簧的两端均有伸出“腿”，分别卡入斜盘和密封座上专门设计的开口槽，以此，斜盘可以通过密封弹簧驱动动环（图）。密封弹簧既具备压缩弹簧的功能，也具备扭簧的功能，这样，密封弹簧的扭簧作用也对液压泵的起-停和转速变化在斜盘和动环之间形成了“缓冲”的作用。
        2.2 存在的问题
        该类型轴尾密封结构的液压泵产品在外场累计（500～600)h时，也存在轴尾漏油超标情况，分解检查发现密封圈2内侧磨损。更换密封圈后，漏油现象消失。
        2.3 原因分析
        通过对多台产品漏油现象分析和验证，该类轴尾密封漏油超标的原因是密封圈2的磨损，产生机理为：密封座与密封环存在一定的摩擦力矩，因此产品在起-停、转速变化时，密封弹簧（扭簧）在借助斜盘对密封座的驱动中必然存在一定的扭转，因此密封座与斜盘的瞬时转速不能完全同步，导致密封圈2在斜盘轴表面上产生相对转动；密封圈2和斜盘轴径形成动密封型式，复核密封圈2的压缩量为10%～17%，较机械密封设计中该类型辅助密封（O形密封圈同时受径向和轴向压缩）4%～5%的设计要求偏大[2]。产品长期工作后，密封圈2内侧磨损加剧压缩量下降，进而导致密封失效引起产品漏油超标。
        3 改进的轴尾密封结构
        3.1 改进方案
        通过对上述两种轴尾密封结构进行分析，可见第二种轴尾密封结构仅存在密封圈2磨损问题，稳定性相对较高。因此，在第二种轴尾密封结构的基础上，本文提出了一种“密封圈+保护帽”的组合密封结构来解决密封圈磨损问题。
      （1）密封圈2的改进
        新增保护帽，将密封圈2改为“密封圈+保护帽”的组合密封结构（如图）。保护帽材料选用耐磨损性较好的填充（玻纤）聚四氟乙烯材料，具有较高的耐磨性以及较低的摩擦系数，该设计避免了密封圈2和斜盘轴之间的相对运动对密封圈2造成的磨损。

       图4 组合密封示意图
      （2）密封座的改进
       密封座改为无平台结构，并增加一Ⅱ型[3]（HB/Z 4-1995）密封沟槽，即将弹簧垫片组合设计，使密封圈2所处“变宽槽”为定宽槽，避免密封弹簧弹力加剧密封圈2以及保护帽的变形以及磨损，如图所示；

       图5 密封座取消平台
     （3）斜盘的改进

       图6 斜盘取消平台
       斜盘取消平台结构（见图）。
     （4）密封弹簧的改进

        图7 密封弹簧增加引脚
       密封弹簧改为有双引脚结构（见图）。
       3.2 改进后的轴尾密封结构
       改进后的轴尾密封结构如图所示。改进后的轴尾密封工作原理同第二种密封结构一致，但是密封圈2处辅助密封改为组合密封，以提高密封件的耐磨能力。

        图8 改进后的轴尾密封结构
        4 改进方案验证情况
       为验证改进方案是否合理、有效，特加工试验件，并开展耐久试验以及功能振动试验工作加以验证。
        验证工作中，耐久试验按照GJB2188A-2002中的耐久试验载荷谱开展1200h，试验过程中检测无漏油超标现象（未成滴)。功能振动试验依据GJB150.16-1986开展，每个轴向2h，试验过程中检测无漏油超标现象（未成滴)。试验后对产品进行静压密封测试，无渗漏。
        5 结论
      （1）通过分析液压泵原机械密封结构，确定由于密封座与斜盘驱动平台处之间发生磨损，导致密封座卡滞，密封座的补偿作用失效，无法与密封环完整贴合，导致机械密封漏油；
      （2）基于一种同类型密封结构，并针对原产品机械密封问题，提出了一种组合密封替代密封圈的改进方案；
      （3）根据改进方案，加工试验件，并通过开展耐久试验以及功能振动试验，充分验证了本改进方案合理、有效。
        参考文献：
       [1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2009
       [2]陈德才,崔德容.机械密封设计制造与使用[M].北京:机械工业出版社，1993
       [3]中国工业总公司.O型密封圈及密封结构的设计要求:HB/Z4-1995[S].北京：中国工业总公司第三〇一研究所，1996
       [4]中国人民解放军空军标准化办公室.飞机变量液压泵通用规范.GJB 2188A-2002[S].北京：总装备部军标出版发行部，2003