吳 濤，林奇輝，歐陽飛，潘 柳，高永丹

(中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000)

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發(fā)動機皮碗裂紋分析

吳 濤，林奇輝，歐陽飛，潘 柳，高永丹

(中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南 株洲 412000)

發(fā)動機在外場出現(xiàn)停車后進、排氣口大量泄漏滑油故障，減速器機匣中的皮碗從機匣孔中脫出并且開裂。通過運用宏觀觀察、斷口分析、剝離試驗和紅外測試等手段對皮碗開裂原因進行分析，確定皮碗的開裂性質(zhì)為疲勞裂紋。結(jié)合皮碗中氟橡膠與金屬骨架的粘結(jié)工藝，判定皮碗中氟橡膠與金屬骨架粘結(jié)不良是造成皮碗開裂的主要原因。依據(jù)氟橡膠與金屬骨架的粘結(jié)機理和主要影響因素，探尋提高夾金屬骨架皮碗密封性能的改進方法與預(yù)防措施。

皮碗；氟橡膠；疲勞開裂

0 引言

橡膠皮碗通過柔性密封唇與軸或殼體接觸，防止?jié)櫥蛷目着c軸之間的配合間隙處向外泄漏以及外部灰塵雜質(zhì)進入密封腔內(nèi)，保護軸承和齒輪等零部件的正常工作。通過將橡膠皮碗與金屬骨架進行復(fù)合，可有效提高橡膠皮碗的強度、硬度等力學(xué)性能[1]，因此皮碗既兼有金屬的高強度和尺寸的穩(wěn)定性，又有橡膠的耐化學(xué)介質(zhì)性和高彈性[2]，在航空、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

皮碗若在加工中存在缺陷，以及加工、裝配和使用過程中的任何損傷都可能導(dǎo)致密封流體的泄漏，更會造成機械設(shè)備的失效，甚至是機毀人亡的重大惡性事故，因此，掌握皮碗的失效原因和預(yù)防措施具有極為現(xiàn)實的重要意義[3-4]。

目前國內(nèi)外針對密封泄漏原因做了大量研究，如皮碗材質(zhì)及選型不當(dāng)、密封接觸表面有雜質(zhì)或缺陷、橡膠材質(zhì)老化、橡膠與密封介質(zhì)的相容性差、使用環(huán)境溫度和壓力過高、橡膠加工(如毛刺去除等)或裝配不當(dāng)?shù)惹闆r，均是可能造成的密封泄漏的原因[5-11]，但較少從皮碗制造工藝的角度來對密封泄漏原因進行研究。本研究針對某型發(fā)動機在外場出現(xiàn)停車后進、排氣口大量泄漏滑油故障，通過對皮碗的宏觀觀察、斷口分析及材質(zhì)分析，并結(jié)合夾金屬骨架皮碗的制造工藝，確認皮碗的開裂性質(zhì)以及開裂原因，從而探尋提高夾金屬骨架皮碗密封性能的工藝改進方法與預(yù)防措施。

1 分析過程

1.1 宏觀觀察

觀察故障件皮碗的2個端面，平面與凹面基本保持橡膠硫化后的原始表面(圖1)。皮碗圓柱面，沿周向存在一條宏觀裂紋(簡稱為主裂紋)，基本上從正中對半開裂，裂紋長度約7.5 cm，已完全裂透，露出金屬骨架，主裂紋耦合性好，未發(fā)現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，裂紋尾端纖細，且有向光滑平面擴展的趨勢(圖2)。在實體放大鏡下觀察整個圓柱面，發(fā)現(xiàn)多條微裂紋，其部位表面較粗糙，有較深的溝痕，并且軸向有卡滯印痕(圖3)，主裂紋部位也存在這種卡滯印痕(圖4)。

圖1 皮碗外觀

圖2 皮碗主裂紋

在皮碗平面距唇口上方約0.5 cm處發(fā)現(xiàn)1條長約2.0 cm的裂紋(簡稱為側(cè)面裂紋)，也已裂透，該側(cè)面裂紋上部的圓柱面是主裂紋開裂部位(圖5)。經(jīng)檢測，唇口基本完好，未發(fā)現(xiàn)異常。

1.2 斷口分析

1)主裂紋斷口分析。

把主裂紋兩端用刀片切斷，由于氟橡膠基本上已經(jīng)與金屬骨架分離，因此很容易打開斷口。斷口形貌見圖6。裂紋從圖示紅色箭頭部位起始，由里向外開裂，多處起源和開裂，構(gòu)成了周向的擴展面(圖6a)；源區(qū)為多源特征，裂紋從金屬骨架與氟橡膠結(jié)合處開裂，從里向外擴展，源區(qū)存在明顯的疲勞弧線和疲勞臺階，放大觀察，源區(qū)都呈小扇形面，上有疲勞弧線和放射棱線(圖6b～圖6c)；擴展區(qū)可見高低相差很大的疲勞臺階(圖6d)。由上述斷口特種可知，主裂紋為疲勞裂紋。

圖3 皮碗周向微裂紋

圖4 主裂紋上卡滯印痕

2)側(cè)面裂紋斷口分析。

把側(cè)面裂紋打開，斷面較平坦，裂紋是從唇口內(nèi)側(cè)多處起源向唇口外表面開裂，從左往右擴展，斷口上有很密集、明顯的放射棱線，存在間距較大的小臺階，屬疲勞開裂(圖7)，疲勞區(qū)與過載區(qū)約2.0 cm長度范圍。

1.3 剝離試驗

從主裂紋開裂行為可知，皮碗氟橡膠與骨架基本上呈分離狀態(tài)。抽取1件新皮碗進行剝離試驗：在皮碗沿周向劃開，然后橫向把膠皮切斷，用尖嘴鉗剝離，共進行3次試驗。由于氟橡膠與骨架粘接很牢固，用較大的勁才能剝離開，但能剝離的距離很短，膠皮即發(fā)生斷裂，無法重現(xiàn)故障件情況。經(jīng)對比觀察，新件剝離后金屬骨架上殘留一些氟橡膠，屬于混合破壞，說明橡膠和骨架結(jié)合良好，而故障件膠皮與骨架完全分開，骨架上基本上干凈光滑，說明橡膠與骨架未有機結(jié)合，從皮碗故障件分離的膠皮也可發(fā)現(xiàn)其內(nèi)表面平整，只有極少的粘接破壞痕跡。經(jīng)目測，金屬骨架表面的橡膠與骨架之間有1/4未能很好粘接。皮碗故障件未分離的部位也嘗試進行人工剝離，發(fā)現(xiàn)較難剝開(圖8)。

圖5 平面唇口上方裂紋

圖6 主裂紋斷口形貌

圖7 側(cè)面裂紋斷口形貌

圖8 故障件(左)形貌與新件(右)剝離試驗后形貌

1.4 紅外測試

為判斷皮碗的橡膠材質(zhì)是否符合相關(guān)工藝要求，分別對皮碗、庫存F370橡膠標(biāo)準(zhǔn)試片進行紅外光譜測試，得到紅外光譜對比圖(圖9)。從紅外光譜圖中可知，皮碗的橡膠存在強的C—F(1 397 cm-1)、—CF2(1 158 cm-1)吸收峰，在2 900 cm-1附近有較弱的吸收峰，說明分子鏈中只含很少—CH2—，初步判斷為氟橡膠。再與F370氟橡膠的紅外光圖譜比較，兩者吸收峰位置和相對高度都基本一致，因此可以判定皮碗中橡膠材料使用的是F370氟橡膠，材料符合圖紙規(guī)定。

圖9 皮碗故障件與F370橡膠試片紅外光譜對比圖

2 分析與討論

由上述紅外分析結(jié)果可知，皮碗氟橡膠材質(zhì)正常。

由裂紋分析和斷口觀察可知：主裂紋存在源區(qū)和擴展區(qū)，為多源，源區(qū)有明顯的疲勞弧線、疲勞臺階及放射棱線。擴展區(qū)可見高低相差較大的疲勞臺階。由上述斷口特征可知，主裂紋性質(zhì)為疲勞裂紋。其他裂紋也屬疲勞開裂，但應(yīng)該屬于主裂紋擴展后期產(chǎn)生的次生裂紋。

皮碗壓制成型工藝為：準(zhǔn)備→返煉下料→硫化→二次硫化→車倒角→車唇口→檢驗。其中準(zhǔn)備工序具體內(nèi)容是：金屬骨架用40～60目的清潔金剛砂進行噴砂處理，密封保存待用，使用前再用丙酮連續(xù)刷洗2遍，清洗后的骨架在室溫下干燥不少于10 min。用毛筆(或毛刷)在經(jīng)上述處理的骨架表面涂覆一層APM膠粘劑，在紅外烘箱里干燥不少于15 min。由于氟橡膠表面化學(xué)活性較低，與金屬粘接要比一般橡膠困難，不容易粘接好，因此金屬骨架粘接前需進行表面處理，涂覆膠黏劑，但如果操作不當(dāng)，骨架局部未清潔好，或局部未涂覆好膠黏劑，就很可能發(fā)生粘接不良現(xiàn)象[12]。

綜合分析，裂紋開裂原因可能如下：

將皮碗表面放大觀察，發(fā)現(xiàn)圓柱面表面較粗糙，有幾處軸向有卡滯印痕，可能是裝配過程中造成，會造成附加軸向應(yīng)力。皮碗氟橡膠與金屬骨架由于某種原因存在局部面積未粘接好，粘接較好的區(qū)域與未粘接好區(qū)域分界處存在應(yīng)力集中，在高溫滑油環(huán)境中，在服役載荷和某種軸向力的作用，在分界面薄弱環(huán)節(jié)處形成裂紋，在循環(huán)應(yīng)力作用下，產(chǎn)生疲勞擴展，當(dāng)擴展到一定程度，由于受膠接較好區(qū)域的限制，裂紋擴展方向會發(fā)生改變，所以主裂紋兩尾端有向外擴展的趨勢，而剝離膠皮的另一邊(靠近唇口)由于受阻，就從中撕裂開來。

2 結(jié)論

1)皮碗開裂性質(zhì)為疲勞裂紋。

2)產(chǎn)生疲勞裂紋的主要原因為皮碗中氟橡膠與金屬骨架粘接不良，在高溫環(huán)境、交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞開裂。

3)皮碗的成型工藝中，影響氟橡膠與金屬骨架粘結(jié)性能的主要因素有：環(huán)境條件的控制、金屬骨架表面的處理與清潔狀況、膠黏劑的涂覆厚度與分布等。因此嚴(yán)格控制環(huán)境條件、金屬骨架噴砂處理及表面清潔工作，并在涂覆膠黏劑時，保證金屬骨架上有薄薄一層膠粘劑且涂覆均勻，能有效地減少皮碗中氟橡膠與金屬骨架粘接不良故障，使得發(fā)動機皮碗開裂問題得到有效預(yù)防。

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Failure Analysis of Seal Cup in Engine

WU Tao，LIN Qi-hui，OUYANG Fei，PAN Liu，GAO Yong-dan

(AECCSouthIndustryCo.,Ltd.,HunanZhuzhou412000,China)

Lubricating oil leakage was found at the intake and exhaust port after the engineer stopped, and the seal cup was found to have cracked. By macro observation, fracture analysis, peel testing and infrared test, the cracking cause of the seal cup was analyzed. It is found that the cracking mode of the seal cup is fatigue cracking. The bonding process of the fluorine rubber and metal skeleton in the seal cup was analyzed. It is found that the poor bonding of the fluorine rubber and metal skeleton is the main cause for the cracking of the seal cup. Based on the bonding mechanism and main influencing factors of the fluorine rubber and metal skeleton, some measures were explored to prevent such failure.

seal cup; fluorine rubber; fatigue fracture

2016年5月8日

2016年7月13日

吳濤(1986年-)，女，工程師，主要從事非金屬性能分析等方面的研究。

V255.3

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.012

1673-6214(2016)04-0256-05