燃油调节器壳体结合面渗油故障分析

侯永军，尚学强

(中国航发北京航科发动机控制系统科技有限公司，北京 102200)

0 引言

燃油调节器大量应用于直升机发动机燃油系统中。在现场使用中，该调节器频繁发生壳体结合面渗油故障，生产厂经过分析认为原因是密封圈材料低温性能不足，故采用了低温性能更加良好的材料，漏油故障在短期内排除，但经过一段时间后此故障会再次出现。

通常分析燃油调节器漏油的原因，一是橡胶圈老化，装配不当，引起橡胶圈损伤造成产品漏油[1-4]；二是零件安装槽加工尺寸偏大，密封圈的压缩量不能满足密封要求，进而引起产品漏油。针对装配问题，采用禁止使用汽油清洗橡胶圈，装配使用引导工装，避免划伤以解决漏油；对于压缩量不足，则通过增加密封圈压缩量来解决。本次产品故障采用以上方法后，短时间内在常温下不发生漏油，但在外场使用一段时间，尤其是在冬季，故障会再次发生，故针对此故障特点进行分析。

1 故障特点

统计2年内发生渗油故障的25台燃油调节器特点，总结如下：

1)发生在冬季。燃油调节器壳体结合面渗油故障集中发生在11月份到次年2月份，具体产品故障分布时间及数量如图1所示。

2)集中在北方。发生故障的燃油调节器主要分布在中国北方，在北方发生故障的产品数量占总故障产品数量的96%。故障产品的地区分布见图2。

3)翻修后的产品多于批产产品(未经过翻修的产品)。在产品进行翻修时，用于密封的密封圈、薄膜等橡胶件是必换件。故障产品类型分布见图3。

图1 故障时间及数量分布(单位：台)Fig.1 Failure time and quantity distribution

图2 故障地区分布Fig.2 Failure area distribution

图3 故障产品类型分布Fig.3 Fault product type distribution

4)壳体结合面渗油占主要方面。将故障按照故障部位进行3处划分，分别对应3种不同的密封形式，即：壳体结合面处的密封圈形式为端面密封；限压器薄膜处的密封形式为壳体端面通过粘接压紧膜片进行密封；限压器和中间壳体结合面处的密封形式为端面密封和径向密封。故障位置分布见图4。

5)故障现象不同。渗油故障发生在直升机上使用时，现象为渗出的燃油呈滴状落下；在生产厂内的验收试验台上运转较长时间后，故障现象为壳体结合面出现亮边。

图4 故障位置分布Fig.4 Fault location distribution

2 故障分析

按照漏油部位不同，将燃油调节器的结合面划分为5处：泵盖和调节器壳体之间(结合面Ⅰ)、调节器壳体和中间壳体之间(结合面Ⅱ)、中间壳体和盖体之间(结合面Ⅲ)、中间壳体和限压器壳体结合面处(结合面Ⅳ)、薄膜结合面(结合面Ⅴ)。结合面Ⅰ～Ⅳ的密封形式是O型密封圈被径向压缩或端面压缩形成密封(图5)。结合面Ⅴ是薄膜粘接在2个壳体端面通过螺钉压紧进行密封。

图5 密封形式Fig.5 Sealing form

根据密封圈的密封机理[5]和薄膜处的密封机理分析可知，能够引起渗油故障的原因有以下几个方面：

1)密封圈的压缩量不符合要求；

2)密封部位的表面粗糙度不符合使用要求；

3)密封材料不满足温度的使用范围；

4)壳体间的压紧力偏小导致密封圈的压缩量不足；

5)薄膜的粘接方法不当。

3 验证

3.1 压缩量分析验证

密封圈压缩量的大小直接影响密封部位的好坏。密封圈的压缩量太小，在使用中密封圈起不到密封作用；密封圈的压缩量太大，其老化速率和变形速率加快，可靠性将大幅度降低，使用寿命将缩短。按照国内密封圈标准的压缩量要求[6]，端面密封和径向密封圈的压缩量应在11%～20%之间。影响径向密封压缩量的因素为尺寸，包含密封圈的尺寸、密封槽的尺寸和安装孔的尺寸；而对于端面密封的形式，影响压缩量的因素还有2个壳体结合面通过螺钉紧固的程度。

将产品5个结合面处的密封圈按照相应密封类型分别进行计算，大部分密封圈的压缩量满足相关标准的要求。但是，结合面Ⅲ处的1个密封圈最小压缩量为5.26%；结合面Ⅴ处的1个密封圈最小压缩量为8.5%，2处密封圈压缩量偏小是引起故障的原因之一。

3.2 表面粗糙度分析验证

密封圈所处安装位置的零件表面粗糙度[7]是影响密封圈密封效果的重要因素之一。如果密封圈所处的孔粗糙度较低，密封圈在安装过程中易划伤或磨损；另外，不论径向密封还是端面密封，如果密封圈和其接触面接触质量差，将不能很好地封住燃油，无法起到密封效果。

经过复查零件图纸和检查零件表面的实际加工情况，密封圈安装位置的粗糙度符合标准的要求。表面粗糙度不是引起此次渗油故障的原因。

3.3 密封材料分析验证

此型产品使用的密封圈主要为丁腈橡胶[8]，根据材料标准对此种密封圈的要求，密封圈的持久使用温度为-20～120 ℃，限制使用温度为-20～140 ℃。实际情况是，安装该密封圈的产品经常在新疆、东北等地区使用，这些地区气温常常在-20 ℃以下。按照评定标准，产品所选密封材料不能满足实际使用环境的要求。为了解决此问题，参考国外同类产品中密封圈材料的选择情况，制作了一批氟硅橡胶的密封圈，氟硅橡胶的使用温度范围为-55～250 ℃。

为了验证材料对密封性的影响[9]，将分别装氟硅橡胶密封圈和丁腈橡胶密封圈材料的2台产品进行静态低温存储试验。将产品存放在-55 ℃的低温箱中24 h以上，取出后直接安装在试验台上进行密封性检查。试验结果表明：使用丁腈橡胶密封圈的产品渗油；而安装氟硅橡胶密封圈的产品密封性合格，无渗漏。因此，在低温情况下，结合面渗油的主要原因是密封圈材料的低温性能不能满足使用环境的要求，产品更换氟硅橡胶可以满足使用要求。因此，密封材料选择不当是引起产品在低温下漏油的重要原因之一。

3.4 端面密封处螺钉的拧紧程度

对于端面密封，2个壳体贴合的程度直接影响密封圈的压缩量。在燃油调节器中，壳体贴合的紧度通过螺钉和钢丝螺套[10]实现。因翻修产品出现渗油故障的数量要远大于批产产品，而翻修产品中的密封圈是必换件，螺钉、钢丝螺套和壳体基本不更换，因此，各零件在使用一个寿命周期后是否出现磨损，紧固力矩是否符合相关规定，均需要一一验证。

1)钢丝螺套验证。首先，从钢丝螺套的专业生产厂家了解到，钢丝螺套是经过冷轧钢丝缠绕而成，其强度和硬度都很高，在使用中不会出现磨损。后经验证，钢丝螺套确未磨损。其次，钢丝螺套在安装前需要检验安装底孔的螺纹是否合格，按照安装标准安装后，使用相应的螺纹通规、止规进行检验其是否合格。在验证过程中，不但对发生故障的产品的钢丝螺套进行检查，还对新产品进行多次拆装试验检验其磨损情况，结果表明：钢丝螺套没有被磨损，在经过一个或多个寿命周期后，其内径大小符合相关标准的规定。

2)螺钉磨损检查。在产品翻修中，经常发现螺钉表明的涂层磨损。但使用螺纹的通环规和止环规对螺钉的外螺纹部分进行检测时，未发现不合格情况。因此，螺钉、钢丝螺套不是产品结合面渗油的原因。

在产品装配过程中，螺钉的拧紧力矩需要紧固到什么程度，装配技术文件中没有明确规定。实际生产中的做法是拧不动为止。参考国外通用技术文件要求和最新的装配技术条件可知，产品上的每一个螺钉均存在力矩要求。螺钉拧紧力矩的大小直接影响到密封圈的压缩量，它可能是影响密封效果的一个原因。

3.5 薄膜处渗油的分析和验证

薄膜粘接是另外一种密封形式[11]，是将2张薄膜分别粘接在2个壳体端面上，通过螺钉紧固完成密封。影响此处密封的因素有3个，即零件表面状态、薄膜的粘接方法和壳体间的紧固力矩。因为国内外生产技术水平的差异，国产薄膜表面较光，不利于粘接，国外样件表面织物纹理清晰便于粘接。对于壳体间的紧固力矩，故障产品上螺钉的紧固程度未发现异常，因此不做讨论，主要针对薄膜的粘接方法进行分析对比。

按照相关行业标准，薄膜粘接的方法有2种：1)薄膜表面涂胶后在室温条件下停放8 h。2)薄膜表面涂胶后在60 ℃烘箱内维持1 h。在实际生产中2种方法均采用。经现场调查发现，室温停放8 h的方法因受到工作时间和工作环境限制，停放时长和室温条件都很难达到要求。为了进一步验证各方法的实施和效果，分别采用2种方法进行试验，结果发现，室温停放8 h的粘接方法粘接效果持久性好，而烘箱方法迅速，便于控制过程，适合生产加工，但粘接持久性较另一种略差。

经过调整薄膜的粘接方法后，产品在外场使用中再未出现此处渗漏油故障。

4 结论

1)燃油调节器渗漏油故障具有频发的特点，多发于北方、冬季，常见于翻修产品。

2)丁晴橡胶密封材料的低温性能不能满足产品的使用温度范围，是燃油调节器渗油故障的主要原因。

3)壳体结合面处的部分密封圈压缩量偏低，是导致壳体结合面处渗油的原因之一；薄膜粘接时不能有效控制停放期间的温度和时间，是导致薄膜处渗油的原因之一。

4)结合面处螺钉的紧固力矩没有明确要求，是导致结合面渗油的可能因素之一。