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O型密封圈失效機(jī)制分析
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O型密封圈失效機(jī)制分析

來源：東莞市東晟密封件科技有限公司 - xranyun.cn更新時(shí)間：2015-04-11
　　O型密封圈的失效可以導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的泄漏，但是當(dāng)一種獨(dú)特的新失效模式出現(xiàn)的時(shí)候，需要進(jìn)行一些額外的研究。這種情況下，將各種因素相結(jié)合，能建立一種O型墊圈失效的新機(jī)制。
　　背景
　　在實(shí)際應(yīng)用中，飛機(jī)燃油泵制造商聯(lián)系到了Parker Hannifin尋求幫助，以解決一系列不正常的O型墊圈失效導(dǎo)致燃油泄漏的問題。2008年6月和7月，三種不同的飛機(jī)的燃油泵都進(jìn)行了日常的檢修保養(yǎng)。在這所有三個(gè)例子里面，從配件市場采購的O型墊圈以及燃油泵裝配在飛機(jī)服役之前，都通過了最初的泄漏測試。兩個(gè)月內(nèi)，所有修復(fù)好的泵都有燃油泄漏的跡象。拆卸后，所有的三個(gè)O型墊圈在凹槽處都出現(xiàn)斷裂，每一處斷裂都產(chǎn)生了90°的彎曲(如圖1)。根據(jù)維修情況來看，這些特殊的O型墊圈并非由Parker公司制造的。然而，燃油泵制造廠家對(duì)Parker的工程領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)知識(shí)是很熟悉的，因此邀請(qǐng)他作為專業(yè)技術(shù)支持，針對(duì)該特殊的O型墊圈失效情況進(jìn)行診斷并提出解決方案。

圖1


　　圖1、槽內(nèi)的O型密封圈失效
　　外觀檢查
　　該失效分析中關(guān)鍵性的一步是要對(duì)O型墊圈的機(jī)械損壞進(jìn)行徹底的檢查。顯然，所有的三個(gè)O型墊圈都產(chǎn)生了損壞，這必將會(huì)導(dǎo)致泄漏。令人驚訝的是，所有三個(gè)O型圈的斷裂都被朝著壓力源的方向，而不是背離它。然而，忽略其它可能導(dǎo)致失效的原因則可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)更關(guān)鍵因素的忽視，而這些關(guān)鍵因素能帶來最佳的預(yù)防方法。在本文的例子里面，O型墊圈并沒有產(chǎn)生其它的機(jī)械損壞。舉例來說，這種O型圈不存與壓力有關(guān)的擠出失效證據(jù)，當(dāng)流體的壓力超過材料所能承受的強(qiáng)度時(shí)，橡膠會(huì)被擠壓進(jìn)入配件之間的空隙，留下“損毀”橡膠的區(qū)域。這種情況顯然不存在于此O型墊圈上。并且沒有任何的跡象表明這種O型墊圈在裝配的零件之間產(chǎn)生了任何方式的壓縮。
　　此外，該橡膠材料也沒有任何化學(xué)分解或者熱降解的跡象。不同于其它損壞點(diǎn)，該O型墊圈沒有明顯的膨脹、硬化、變軟、起泡、壓縮變形、脆化或者抗拉強(qiáng)度的損失等。非常簡單，與其他較明顯的損毀相比不存在損壞?；谶@些原因，這些密封材料的化學(xué)和熱不兼容性的因素得以被證明不是失效根本原因的潛在因素。
　　對(duì)斷裂進(jìn)行分析
　　O型墊圈的失效最常出現(xiàn)在為了滿足應(yīng)用，O型墊圈被拉伸的裝配過程中。在這種情況下，雖然，O型墊圈通過了初始的泄露測試和并且使用了長達(dá)幾個(gè)星期。對(duì)于被毀壞的O型墊圈這是不可能的。因此，在進(jìn)行安裝和初始?jí)毫y試的時(shí)候，O型墊圈必須是沒有損壞的。這意味著O型墊圈肯定是在使用過程中損毀，即在它被安裝在槽內(nèi)之后，這是一種在靜態(tài)O型墊圈密封裝置中中非常罕見的情況。這種類型的使用中的損毀通?？梢宰匪莸揭粋€(gè)或兩個(gè)原因。
　　最常見的使用中的O型墊圈損毀的原因是撕裂，它是從最初的扭縮點(diǎn)傳開的。在這種情況下，O型密封圈的一部分在安裝配合的金屬零件中被壓碎，通常是在安裝過程中意外彈出凹槽時(shí)產(chǎn)生的。以這種方式損毀的O型密封圈會(huì)表現(xiàn)出明顯的機(jī)械損壞跡象，其中包括：部分被嚴(yán)重壓碎，O型密封圈上某部分缺失，橫截面上有呈半圓形的切除等。在某些情況下，一個(gè)縮緊的O型密封圈會(huì)通過初始的泄露試驗(yàn)并在使用過程中損毀，這是由于O型密封圈初始的縮緊損壞傳播的結(jié)果。然而，在這些失效O型密封圈中沒有任何縮緊損壞的證據(jù)。
　　不常見的使用中的O型墊圈損毀的原因是O型密封圈中的成型缺陷。如果在成型過程中，熔化的橡膠材料流動(dòng)和粘結(jié)不得當(dāng)，則會(huì)在該O型墊圈中留下一個(gè)機(jī)械瑕疵點(diǎn)，從而在壓力下容易損毀。這些通?？梢酝ㄟ^對(duì)使用中損壞的樣品進(jìn)行研究探討進(jìn)行診斷。如果原材料沒有實(shí)現(xiàn)良好的粘結(jié)，損壞的部位將顯現(xiàn)“球狀-和-槽狀”的損壞形式，與之相匹配的便是凸凹的損壞形狀。O型墊圈內(nèi)部的氣泡使得凹面形狀各異，可以使光滑的，圓形的甚至是波浪形的。而這種情況下被破壞的O型密封圈則具有一個(gè)非常銳利和干凈的裂口，仿佛被一把鋒利的刀切割過一樣 (如圖2)。O型密封圈制造缺陷導(dǎo)致這種類型的損壞是根本不可能的。這種銳利的，光滑的斷裂樣本與超出材料的延伸率極限相一致。

圖2


　　圖2、光滑銳利的破損形狀
　　密封壓蓋的設(shè)計(jì)
　　據(jù)經(jīng)驗(yàn)，所有O型密封圈泄漏事件中至少有一半與裝配的部件和/或在O型密封圈放置的槽的設(shè)計(jì)有關(guān)。對(duì)O型槽和配套部件進(jìn)行分析是失效分析過程中的關(guān)鍵的一步，是絕不能被忽視的。由于通常情況下，對(duì)問題五金部件進(jìn)行實(shí)際的直接測量是不可行的。檢查組件則是比較可取的方法，至于基于照片和按照?qǐng)D片上指定說明的設(shè)計(jì)尺寸所進(jìn)行的分析是另一個(gè)較好的選擇。在這種情況下，密封裝置上的壓縮量約為橫截面厚度的20%，恰好是這種尺寸的O型密封圈所建議的10%到25%的范圍。凹槽中心線周長大致與的O型密封圈中心線周長相當(dāng)，所以設(shè)計(jì)中不需要做過多的中心線周長伸展。“跑道”兩端的半徑比建議的O型密封圈橫截面最低值的六倍還要高，因此O型圈密封半徑所導(dǎo)致的彎曲狀態(tài)也不會(huì)帶來損毀。
　　然而，凹槽寬度和相關(guān)的密封裝置并不是特有的，需要進(jìn)行稍微復(fù)雜的分析(圖3)。以端部半徑為準(zhǔn)，凹槽僅僅比O型圈橫截面稍大一點(diǎn)。以直線方向?yàn)闇?zhǔn)，凹槽寬度非常均勻，是O型密封圈橫截面厚度的兩倍還高。標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)原則是要確保O型密封圈體積不大于凹槽容積的90%。在實(shí)踐中，該準(zhǔn)則使得環(huán)形槽要比為自由狀態(tài)的O型密封圈的橫截面寬約30-50%。這為O型密封圈橫截面的徑向伸展提供了空間，因?yàn)樗艿降氖禽S向壓縮。

圖3


　　圖3、損壞部位的特寫
　　在這種情況下，O型密封圈的體積低于總有效密封裝置容積的90%是比較合適的。在所有三個(gè)例子中，未曾發(fā)現(xiàn)O型密封圈溢出凹槽的證據(jù)。溢出槽狀態(tài)被視為橡膠的臨界點(diǎn)，此情況下橡膠被擠壓進(jìn)入槽周圍內(nèi)外部的空隙。簡言之，密封裝置溢出具有一種類似O型圈的特征，即在兩個(gè)方向上都能進(jìn)行擠壓(由流體壓力產(chǎn)生的擠壓只發(fā)生在O型密封圈的低壓側(cè))。正如前面指出的一樣，這種類型的損毀未曾發(fā)生在已被損壞的O型密封圈上。然而這種密封裝置的設(shè)計(jì)與教科書上定義的理想O型密封圈密封裝置不符合。成千上萬的正在服務(wù)中的這類燃油泵不存在與密封相關(guān)的故障。在設(shè)計(jì)中，密封裝置膨脹并不是問題。
　　總之，這種O型密封圈的失效不能完全歸咎于密封裝置的設(shè)計(jì)。
　　缺失的環(huán)節(jié)
　　一個(gè)額外的觀測提供了“缺失環(huán)節(jié)”以確定本O型密封圈失效的根本原因。在這三個(gè)例子中，直線凹槽邊對(duì)面的損毀表明，O型環(huán)從槽外壁邊向槽內(nèi)部壁邊“蜿蜒”，然后朝向壓力源，并再次返回到槽外壁(如圖4)。這是與直觀是相反的，O型環(huán)內(nèi)部的流體壓力應(yīng)壓迫O型圈與槽外壁相對(duì)抗。有趣的是，這種“蜿蜒”造成的回路與反面的破壞形式是一致的，但是幅度較小。

圖4


　　圖4、槽內(nèi)的蛇形扭繞及失效結(jié)論
　　第一個(gè)因素是O型環(huán)本身內(nèi)徑。根據(jù)維修技術(shù)人員的觀察結(jié)果和意見，即“這些O型密封圈似乎比正常的大”和“更難安裝”等都不應(yīng)該被忽視。通常情況下，一位安裝O型密封圈的人比設(shè)計(jì)它們的工程師更能知道部件應(yīng)當(dāng)是怎么樣的才能更好的裝配到一起。這表明，O型密封圈的內(nèi)徑尺寸可能超值了，或者，最起碼，在可接受的公差最大值處。這造成了兩個(gè)問題。首先，操作人員需要將O型密封圈像“蛇”一樣塞入槽中，從而確定裝配過程中沒有墊圈突出來。這導(dǎo)致了槽中的O型密封圈呈波浪狀。在槽內(nèi)的環(huán)形道中根本沒有空間容納這些波紋狀的墊圈。其二，更大的內(nèi)徑意味著槽內(nèi)的橡膠體積越大。
　　第二個(gè)因素是不理想的密封設(shè)計(jì)。因?yàn)榭偟拿芊馓畛潴w積是在設(shè)計(jì)建議范圍內(nèi)的，所不同的是其圓周長度。密封填充在溝槽內(nèi)部槽底處達(dá)到100%，而沿槽內(nèi)的寬度方向和直線端部方向則達(dá)到50%。假定橡膠材料是固體，但它們的性能也類似于高粘度流體，跟物理壓縮變形和體積變化相比，它們更容易流動(dòng)和變形。在這種情況下，當(dāng)密封是在y(垂直)坐標(biāo)方向進(jìn)行壓縮的，則沿著槽底的方向則為X(向外)坐標(biāo)方向，但重要的是它在Z(圓周方向)坐標(biāo)是不受限制的。這導(dǎo)致了一旦有空間，橡膠材料則容易流向O型密封槽的直線段方向。
　　如圖5所示，這兩種因素能互相刺激加重。從油槽底端流出的橡膠的多余長度使得其在凹槽直線方向材料‘波動(dòng)’，最后彎曲形成一個(gè)半徑很小的環(huán)。當(dāng)該系統(tǒng)被加壓時(shí)，燃料迫使密封裝置緊貼槽的后壁，并且使環(huán)的兩側(cè)互相壓緊。由此造成了環(huán)端部產(chǎn)生較大的180°彎曲以及環(huán)的每一側(cè)都有90°的彎曲。最初，O型圈能夠承受180°彎曲時(shí)所產(chǎn)生的極端張應(yīng)力，同時(shí)O型圈也已通過最初的泄漏測試。經(jīng)過幾周的使用之后，不管怎樣，重復(fù)的加壓循環(huán)會(huì)導(dǎo)致環(huán)的壓力最高點(diǎn)產(chǎn)生損壞，這種180°的彎曲最終導(dǎo)致O型密封圈的破損以及泄漏的產(chǎn)生。

圖5


　　圖5、失效的機(jī)械機(jī)制
　　在這種情況下，失效原因歸結(jié)于兩個(gè)不相關(guān)的因素的相互作用。光有它們本身，也不可能導(dǎo)致失效。在應(yīng)用中，這兩種因素的每一個(gè)都放大了另一個(gè)的影響，導(dǎo)致了O型密封圈的失效以及隨之而來的泄漏。
　　確認(rèn)及更正
　　許多常見的O型密封圈失效模式，都是眾所周知的并由本行業(yè)記錄在案。本文所述并非其中之一。在任何特殊條件比如本文中所述的，理想的做法便是在可控的實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)失效進(jìn)行重現(xiàn);直到問題可以被“打開”和“關(guān)閉”，而理論方面的解釋則依舊期待被證明。
　　不幸的是，沒辦法拿與O型密封圈相配的問題部件進(jìn)行測試，因?yàn)楦鼡Q新的O型墊圈之后，這些飛機(jī)部件重新開始了工作，同樣也沒有大號(hào)的O型墊圈用于實(shí)驗(yàn)。
　　第四個(gè)不尋常的O型密封圈失效，似乎證實(shí)了這一理論。該O型密封圈是從一個(gè)沒有泄露的油泵移出的，和之前三個(gè)損壞的O型密封圈位于同一區(qū)域，它的圓周上有一個(gè)呈V形的缺口，指向流體壓力源(見圖6)。由于應(yīng)用過程中熱累計(jì)正常，該O型密封圈O保持了跟凹槽環(huán)形道一樣的形狀，因此，很明顯的，V形缺口的位置是在槽道的直線端，與裂縫的位置一樣。當(dāng)對(duì)該缺口施壓進(jìn)行壓縮，O型墊圈呈現(xiàn)出上面所描述的形狀，即損壞之前的中間相。同樣沒有任何跡象表明該區(qū)域存在成型的缺陷，同時(shí)O型密封圈的硬度和撓度特性都正常。

圖6


　　圖6、彎曲，但是沒有折斷
　　因?yàn)楫a(chǎn)生這樣的原因有兩個(gè)，非典型性的槽和可能出現(xiàn)的過大的O型密封圈內(nèi)徑等等，為了防止問題有復(fù)發(fā)的可能，我們提供了兩種可行的措施。沿半徑方向的O型密封圈槽的寬度可以增加，以配合所推薦的傳統(tǒng)的O型密封圈槽。這種情況下，針對(duì)硬件的維修將會(huì)相當(dāng)昂貴同時(shí)這會(huì)被當(dāng)做一次重大的設(shè)計(jì)變化將需要進(jìn)行大量的測試。鑒于此故障模式的稀有性，一種可替代的解決方案被采納。所有O型環(huán)的尺寸在安裝之前被核實(shí)，維修中心被告知安裝一個(gè)尺寸超值的O型圈可能產(chǎn)生過早的密封失效。在這之前，并沒有類似的失效模式的日子，以及，超過18個(gè)月后，應(yīng)用中O型密封圈損壞的報(bào)告也不再出現(xiàn)。
　　綜述
　　大多數(shù)O型圈失效遵循完善的樣本觀察模式，并且是嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)原則的結(jié)果。然而，新的和獨(dú)特的O型圈失效模式偶爾會(huì)出現(xiàn)。在這種情況下，新的失效模型將不僅僅是由于單一的違背某條設(shè)計(jì)原則而導(dǎo)致的。相反，它們更傾向于違背多種設(shè)計(jì)原則，這種原則的組合之一即可導(dǎo)致不可預(yù)料的失效。

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