油气弹簧密封失效分析

徐梦岩，杜甫，高晓东，万义强，聂 维

（中国北方车辆研究所，北京 100072）

由于油气弹簧往复工作运动频繁且伴有很大冲击，因此对密封的可靠性提出了很高的要求，密封的性能直接影响整个悬架系统的性能，油气弹簧密封件的寿命问题是设计人员经常遇到的难题，成为国内外研究的关键技术之一。

1 常用密封件的结构形式及其密封作用

1.1 结构形式

目前，油气弹簧中常用液压密封件按密封结合面之间是否具有相对运动，可分为静密封件和动密封件。若密封结合面之间存在相对运动，那么其使用的密封件称为往动密封件。若密封结合面之间不存在相对运动，那么称为静密封件[1]。

1.2 密封作用

常用液压密封件的结构形式多种多样，其密封作用也基本相似，都是通过液压密封件本身（橡胶、塑料、软质金属材料）的弹性、塑性或弹塑性变形对密封表面产生较高的初始接触应力，阻止液体的泄漏。当液压系统工作时，压力液体最大限度地挤压其密封唇部，使之进一步紧贴密封表面而产生较高的随压力液体的压力增高而增高的附加接触应力，结果附加接触应力与初始接触应力一起共同阻止压力液体的泄漏。这就是常用液压密封件的密封作用。

2 密封设计依据

关于密封件的设计，相关的标准较多，比如涉及胶料的有GJB 250A-1996《耐液压油和燃油丁腈橡胶胶料规范》、HG/T 2579-2008《普通液压系统用O形橡胶密封圈材料》；涉及结构尺寸的有GB /T 3452．1-2005《液压气动用O 形橡胶密封圈第1部分：尺寸系列和公差》、GB /T 2879-2005《液压缸活塞和活塞杆密封沟槽尺寸和公差》、GB /T 10708《往复运动橡胶密封圈结构尺寸系列》、JB /ZQ 4224-97《O形橡胶密封圈》。

3 密封的设计计算

3.1 压缩率的计算

沟槽密封密封圈的压缩率是指O形圈截面在沟槽中被压缩距离与自然状态下O形圈截面直径之比值。压缩率太小起不到密封效果，压缩率过大则O形圈最大接触应力随之增大，加速表面摩擦损伤，压缩率过大时也会因压缩应力的作用而容易产生橡胶的永久变形，从而导致密封失效。压缩率ε通常用下式表示[2]：

式中，d 为O形圈在自由状态下的截面直径；t 为O形圈槽底与被密封表面的距离，见图1。

图1 密封圈在沟槽中的位置

3.2 预压缩率的计算

对于活塞杆密封，O形圈的外径尺寸（R1+2 R2）应大于活塞杆沟槽槽底直径R0。预压缩率δ的计算表达式为：

式中，R1为O形圈的内径；R2为O形圈截面直径；R0为活塞杆沟槽槽底直径，见图2。

图2 活塞杆密封结构形式

4 密封失效原因及失效形式

4.1 密封失效原因

①密封圈不能得到充分润滑；②液压油选用不合理；③密封沟槽设计不合理，加工精度差；④装配时造成的密封件的损坏[2]。

4.2 失效形式

4.2.1 密封沟槽的影响

由式（1）、式（2）可知，O形圈的压缩量和预压缩量制约着密封沟槽的尺寸，在工程实际中，O形圈是有不同序列的，设计人员需要根据系统所承载的最大压力来选定密封圈，根据选用密封圈的参数计算出密封沟槽的结构尺寸。

密封沟槽设计尺寸不合理，当密封间隙过大，O形圈超过其自身的压缩量时，会引起密封圈与滑动摩擦面间的压紧力增大，导致O形圈与滑动摩擦面间很难形成油膜，引起O形圈的损坏。密封间隙过小，O形圈装入密封沟槽后，其横截面产生压缩变形小，即O形圈与滑动面的接触宽度变小，会使密封能够承受的压力变小。如图3所示，接触宽度与密封承受的压力成正比[3]。

图3 接触宽度随压力变化曲线

沟槽槽底的粗糙度，也会引起密封的失效。沟槽槽底粗糙，O形圈与槽底接触面易发生磨损，引起O形圈早期磨损失效。沟槽槽底过于光滑，可能会引起气体的泄露。

4.2.2 密封圈材料与液压油的影响

由于油气悬挂装置广泛应用于履带装甲车辆，其使用环境也及其恶劣，既有-40℃以下的寒区适应性试验，也有40℃以上的热区适应性试验，因此对密封圈及选取的液压油有严格要求。目前市场上的普通密封圈的使用范围在-40℃～120℃，基本已经满足密封圈的使用温度范围。因此，液压油的选取会对油气弹簧的性能产生直接影响。

目前市场上提供的液压油品种众多，以目前我们常用的几种型号来说明液压油对密封可能造成哪些影响。46号抗磨液压油：在-43℃时油液成凝固状态，不能为密封圈提供润滑，造成密封圈与缸筒干摩擦，加速密封圈的老化。10号航空液压油：10号航空液压油是一款低温用油，在低温环境下性能良好，当液压油温度超过80℃，液压油粘度只有4.66mm2/s，对密封圈同样起不到润滑作用，造成密封损伤见图4。

图4 台架试验X型圈损伤

4.2.3 密封圈受热后硬化和氧化

图5为油气弹簧浮动活塞截面图，在浮动活塞上布置有两道高压组合密封，一道是靠近油侧的斯特封，用于密封缸筒中的高压油介质，另一道是靠近气侧的AQ封，用于密封气室中的高压惰性气体，防止氮气泄漏进入油缸出现油气混合现象。当浮动活塞在缸体做往复运动时，由于斯特封和X型圈对液压油均有密封作用，导致靠近气室一侧的X型圈得到的润滑程度比靠近油室侧差，在实际试验中可以明显看出该侧X型圈及聚四氟乙烯基体磨损程度更加严重。

图5 浮动活塞组合密封截面视图

4.2.4 安装过程中密封圈的损坏

在装配过程中，密封沟槽上的棱角或导入的倒角设计加工不合理，安装时没有涂抹润滑油，都能够使密封圈被尖锐的刃口切伤、发生扭曲或卡住，表面产生凸起或凹痕、起皮或剥落现象。

5 结论

密封圈失效导致泄露的原因有很多，本文分析了由于密封圈的自身设计因素、零件加工因素以及装配因素导致失效的原因，在以后设计、选取密封圈时应该注意到以下方面：①选择合理的密封圈压缩率，根据实际使用环境，控制密封间隙和配合尺寸公差；②对密封圈材料进行研究，在原有材料的基础上进行材料改进，并采用高精度模具，提高O形圈的硬度，减小拉伸和压缩永久变形；③提高零件加工精度，改进装配工艺。