某飞机液压油箱漏油故障研究

张 垚 温育明 王 山

(成都飞机工业(集团)有限责任公司技术中心 四川成都 610092)

液压油箱在飞机液压系统中用于储存液压油，为液压泵提供具有一定增压压力的液压油，此外还具有散发油液热量，沉淀杂质和溢出空气等功能[1-2]。液压油箱是液压系统不可或缺的部件之一，其性能的好坏直接关系到飞机液压系统能否正常工作[3]。

为杜绝外界的空气、水和污染微粒直接进入系统的可能性，实现液压油箱油气隔离，当前国内外高性能飞机使用的液压油箱普遍为隔离式增压油箱[4-6]。某型飞机也根据系统要求设计有弹簧增压隔离式液压油箱。但是，该飞机液压油箱装机工作尚不到10次循环时，即出现液压油泄漏故障。油液泄漏不但影响系统的工作效率，严重时还可能危及飞行安全。本文作者针对液压油箱泄漏故障，基于液压油箱工作原理和故障现象，对可能导致故障的因素进行逐一分析，定位了故障原因，并针对性地提出了改进措施，同时进行试验以验证改进效果[7-8]。

1 液压油箱工作原理及故障现象

图1所示为某型飞机液压油箱的结构。液压油箱主要由前端盖、后端盖、壳体、活塞、增压弹簧以及3个管嘴组成。活塞将液压油箱内腔分为左侧增压腔和右侧油液贮存腔，同时活塞会随油液贮存腔中油液多少在液压油箱内腔中往复运动。左侧增压腔中在后端盖和活塞间布置增压弹簧，用于给油液贮存腔中的液压油提供增压压力。

图1 液压油箱结构

图2所示为活塞局部剖面图，活塞两侧分别设计有一个导向环槽，用于安装导向环，以便活塞在油箱壳体内往复运动。活塞内侧设计有2个密封槽，用于安装密封圈(每个密封圈两侧均设计有保护圈)，实现液压油的密封。

图2 活塞局部剖面

液压油箱漏油故障发生时，工作尚不到10次循环。将液压油箱从飞机上拆下，向油箱内注入一定量液压油，保压过程中，油液增压压力缓慢下降，且后端盖处存在明显滴油现象,如图3所示。

图3 漏油的液压油箱

分解液压油箱，发现油箱壳体及活塞的配合面上未出现磨损现象，但是安装在活塞上的2个密封圈均扭转断裂，进而导致液压油箱漏油。图4所示为扭转断裂的密封圈。液压油箱的其他零部件均未见损伤。

图4 扭转断裂的密封圈

2 故障原因分析

通过分解液压油箱，判定造成液压油箱漏油的直接原因为活塞处密封圈断裂。结合液压油箱工作原理，造成密封圈断裂的可能原因主要有4类，即异物划伤、加工原因、装配原因和设计原因。

2.1 异物划伤

若液压油箱中进入异物，可能划伤密封圈表面，致使密封圈在工作过程中长时间挤压造成断裂[9]。分解液压油箱，检查油箱壳体内壁和活塞表面等配合处，发现各表面均完好，无异物划伤痕迹。此外，使用清洁汽油清洗液压油箱零件，检查清洗后的汽油，同样未发现异物。因此，排除异物划伤这一可能的故障原因。

2.2 加工原因

加工引起的尺寸超差也可能影响密封圈的使用，导致其发生断裂故障[10]。影响密封圈的主要尺寸有壳体内孔尺寸和活塞尺寸，经测量，发生故障的液压油箱壳体内孔和活塞主要尺寸分别如表1和表2所示。

表1 壳体内孔主要尺寸

表2 活塞主要尺寸

表1和表2结果显示，活塞主要尺寸满足要求，但是壳体内孔圆柱度和粗糙度不合格。壳体的内孔与活塞配合的理论单边最小间隙为0.04 mm，内孔圆柱度为0.037 mm时不影响活塞在壳体内灵活滑动，也不会影响密封圈的正常工作。壳体内表面粗糙度为0.72 mm，使用该件壳体装配为组件，测试组件性能，满足使用要求；检查密封圈，未出现磨损现象，故确定壳体内孔粗糙度为0.72 mm并不是密封圈断裂的主要原因。因此壳体内孔圆柱度和粗糙度加工超差的因素可以排除。

2.3 装配原因

密封圈的规格为φ110 mm×4 mm，由于密封圈直径较大，整体刚度差，在实际的安装过程中密封圈会出现扭转现象。若未及时纠正密封圈的安装形式，在实际工作中往复运动，密封圈密封形式发生变化，密封圈受力不均，可能会导致产品工作一段时间后密封圈因扭转疲劳而发生扭转断裂。因此，装配因素可能是导致密封圈断裂的因素之一。

2.4 设计原因

涉及液压油箱活塞处密封的设计性因素共有4个方面，即密封圈的拉伸率及压缩率，密封圈的材料及尺寸，密封槽的设计，保护圈的设计[11]。

2.4.1 密封圈的拉伸率及压缩率

密封结构的密封性，是由密封圈与被密封表面的接触压力来实现，产品的拉伸率及压缩率按航标HB/Z 4—95进行设计，设计值与航标对比见表3[12-14]。对比结果显示，密封圈拉伸率和压缩率的设计满足要求。

表3 密封圈的拉伸率及压缩率

2.4.2 密封圈材料及尺寸

液压油箱活塞密封圈内径D为(110±0.5) mm，密封圈截面直径d为(4±0.2) mm。D/d值为26.1～29.1。对比图5所示航标HB/Z 4—95要求的d与D/d关系曲线，可以发现密封圈选取的比值过大，不满足航标要求；且密封圈的材料为氟硅橡胶FS6265，硬度偏软，致使密封圈整体刚度不够，导致密封圈在工作过程中容易扭转，长时间工作后容易造成断裂[15]。另密封圈截面直径d公差设计值为±0.2 mm，超过HB/Z 4—95要求的(-0.10～+0.15) mm。因此密封圈的尺寸和材料选择不当是造成密封圈断裂的主要因素之一。

图5 航标要求的d与D/d关系曲线

2.4.3 密封槽的设计

按航标要求，活动密封的槽宽系数应为1.15～1.25，实际设计时密封槽宽为8 mm，除去密封圈两侧1.5 mm宽的保护圈，实际用于固定密封圈的宽度为5 mm。密封圈截面直径为4 mm，则槽宽系数为1.25，槽宽系数偏大。液压油箱工作时，活塞在快速响应时，密封圈在间隙中可能会出现翻滚，导致密封圈扭转疲劳出现扭转断裂。因此，密封槽尺寸选择过大也是造成密封圈断裂的主要因素之一。

2.4.4 保护圈的设计

保护圈材料为聚四氟乙烯，按航标HB 4—58要求，当保护圈外径大于100 mm时，保护圈厚度应不小于1.5 mm[16]。实际设计时保护圈厚度选取1.5 mm，满足要求。

2.5 故障定位

经过对故障树的分析，确认故障发生的机制为：由于密封槽宽度偏大，当密封圈在密封槽内运动时，易发生翻滚现象；同时，密封圈内径与截面直径比值偏大，且密封圈材料偏软，造成密封圈刚度不足，致使密封圈多次翻滚后产生扭转断裂，进而发生液压油箱漏油故障。

3 改进措施及验证

3.1 改进措施

针对液压油箱漏油的故障原因，提出两项改进措施，即改进密封圈和密封槽。

对于密封圈，重新选取丁腈橡胶5176S密封圈代替氟硅橡胶FS6265密封圈。5176S密封圈相对较硬，具有更高的刚度性能。同时，参考类似产品，适当增大密封圈尺寸，将密封圈尺寸由φ110 mm×4 mm更改为φ110.5 mm×5.3 mm。此外严格控制密封圈截面直径d的设计公差，将公差由±0.2 mm更改为±0.1 mm。密封圈改进后，其D/d值为20.8，满足图5所示的航标要求。此外，考虑密封圈尺寸有所增大，故将配套保护圈厚度由1.5 mm调整为1.85 mm。

对于密封槽，考虑密封圈截面直径为5.3 mm，左右两侧的保护圈厚度合计3.7 mm，密封圈直径与2个保护圈厚度共8.8 mm，为适当降低密封槽的槽宽系数，故将密封槽宽由8 mm更改为10.2 mm。密封槽的槽宽更改为10.2 mm后，除去保护圈厚度，实际用于固定密封圈的槽宽为6.5 mm，则槽宽系数为1.22，满足航标的要求。此外还适应性地更改了密封槽直径。

密封圈和密封槽改进设计前后，其主要尺寸对比见表4。

表4 密封圈和密封槽尺寸更改情况

3.2 验证情况

改进措施执行到位后，搭建图6所示液压油箱耐久性试验台。试验台主要由液压油箱、电磁阀、液压泵、压力表以及3个作为负载的作动筒组成。液压油箱向液压泵供油，液压泵经电磁阀向作动筒提供高压液压油，推动作动筒往复运动。经2 000次工作循环，液压油箱无泄漏，且油箱增压压力满足系统要求。分解液压油箱，经检查，密封圈和活塞等零部件均完整无损。由此可见，各项改进措施有效，液压油箱漏油故障消除。

图6 液压油箱耐久性试验台

4 结论

针对某飞机液压油箱漏油的故障，基于液压油箱工作原理和使用环境确定了可能的故障原因。对可能的故障原因进行分析，确认液压油箱漏油的原因为活塞密封槽宽度偏大，同时密封圈材料及尺寸选择不当，致使密封圈刚度不足，在密封槽中多次翻滚后产生扭转断裂。针对漏油故障原因，采取了重新设计密封圈和密封槽的改进措施。经耐久性试验验证，改进措施有效，故障消除。对于液压油箱漏油故障的分析与改进，有助于类似产品进行密封设计。