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      O形密封圈失效診斷和解決方法

      時間:2022-02-21426 次瀏覽

      信息摘要: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 時產生的。

      O形密封圈

      外觀檢查

      該失效分析中關鍵性的一步是要對O型墊圈的機械損壞進行徹底的檢查。顯然,所有的三個O型墊圈都產生了損壞,這必將會導致泄漏。令人驚訝的是,所有三個O型圈的斷裂都被朝著壓力源的方向。而不是背離它。然而,忽略其它可能導致失效的原因則可能會導致對更關鍵因素的忽視,而這些關鍵因素能帶來最佳的預防方法。在本文的例子里面, O型墊圈并沒有產生其它的機械損壞。舉例來說,這種O型圈不存與壓力有關的擠出失效證據,當流體的壓力超過材料,所能承受的強度時,橡膠會被擠壓進入配件之間的空隙,留下"損毀”橡膠的區域。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生了任何方式的壓縮。

      此外,該橡膠材料也沒有任何化學分解或者熱降解的跡象。不同于其它損壞點,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。

      對斷裂進行分析

      O型墊圈的失效最常出現在為了滿足應用, O形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幾個星期。對于被毀壞的O型墊圈這是不可能的。因此,在進行安裝和初始壓力測試的時候, O型墊圈必須是沒有損壞的。這意味著O形墊圈肯定是在使用過程中損毀,即在它被安裝在槽內之后,這是一種在靜態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€或兩個原因。

      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產生的。以這種方式損毀的O型密封圈會表現出明顯的機械損壞跡象,其中包括: 部分被嚴重壓碎, 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, 一個縮緊的O型密封圓會通過初始的泄露試驗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。

      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和粘結不得當,則會在該O型墊圈中留下一個機械瑕疵點,從而在壓力下容易損毀。這些通??梢酝ㄟ^對使用中損壞的樣品進行研究探討進行診斷。如果原材料沒有實現良好的粘結,損壞的部位將顯現"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形墊圈內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型密封圓則具有一個非常銳利和干凈的裂口 ,仿佛被一把鋒利的刀切割過一樣。O型密封圈制造缺陷導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。

      密封壓蓋的設計

      據經驗,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計有關。對O型槽和配套部件進行分析是失效分析過程中的關鍵的-步,是絕不能被忽視的。由于通常情況下,對問題五金部件進行實際的直接測量是不可行的。則檢查組件是比較可取的方法,至于基于照片和按照圖片上指定說明的設計尺寸的所進行的分析是另一個較好的選擇。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,所以設計中不需要做過多的中心線周長伸展?!芭艿馈?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型圈密封半徑所導致的彎曲狀態也不會帶來損毀。

      然而,凹槽寬度和相關的密封裝置并不是特有的,需要進行稍微復雜的分析。以端部半徑為準,凹槽僅僅比O型圈橫截面稍大一點。以直線方向為準,凹槽寬度非常均勻,是O型密封圈橫截面厚度的兩倍還高。標準的設計原則是要確保O型密封圈體積不大于凹槽容積的90%。在實踐中,該準則使得環形槽要比為自由狀態的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,因為它受到的是軸向壓縮。

      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。在所有三個例子中,未曾發現O型密封圈溢出凹槽的證據。溢出槽狀態被視為橡膠的臨界點,此情況下橡膠被擠壓進入槽周圍內外部的空隙。簡言之,密封裝置溢出具有一種類似O型圈的特征 ,即在兩個方向。上都能進行擠壓(由流體壓力產生的擠壓只發生在O型密封圈的低壓側)。正如前面指出的一樣,這種類型的損毀未曾發生在已被損壞的O型密封圈上。然而這種密封裝置的設計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中的這類燃油泵不存在與密封相關的故障。在設計中,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計。

      缺失的環節

      一個額外的觀測提供了"缺失環節”以確定本O形密封圈失效的根本原因。在這三個例子中,直線凹槽邊對面的損毀表明,O型環從槽外壁邊向槽內部壁邊“蜿蜒”, 然后朝向壓力源,并再次返回到槽外壁。這是與直觀是相反的, O型環內部的流體壓力應壓迫O型圈與槽外壁相對抗。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。

      結論

      揭開這個“缺失環節”使得正興隆的產品工程師得出一個假設 ,即當考慮了兩個重要因素,便解釋了現場的O型密封圈為何失效。

      第一個因素是O型環本身內徑。根據維修技術人員的觀察結果和意見,即“這些O型密封圈似乎比正常的大”和“更難安裝”等都不應該被忽視。通常情況下,一位安裝O形密封圈的人比設計它們的工程師更能知道部件應當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。這導致了槽中的O型密封圈呈波浪狀。在槽內的環形道中根本沒有空間容納這些波紋狀的墊圈。其二,更大的內徑意味著槽內的橡膠體積越大。

      第二個因素是不理想的密封設計。因為總的密封填充體積是在設計建議范圍內的,所不同。的是其圓周長度。密封填充在溝槽內部槽底處達到100% ,而沿槽內的寬度方向和直線端部方向則達到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,它們更容易流動和變形。在這種情況下,當密封是在y (垂直)坐標方向進行壓縮的,則沿著槽底的方向則為X (向外)坐標方向,但重要的是它在Z (圓周方向)坐標是不受限制的。這導致了一旦有空間,橡膠材料則容易流向O型密封槽的直線段方向。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’, 最后彎曲形成一個半徑很小的環。當該系統被加壓時,燃料迫使密封裝置緊貼槽的后壁,并且使環的兩側互相壓緊。由此造成了環端部產生較大的180彎曲以及環的每一側都有 90°的彎曲。最初, O型環能夠承受180°彎曲時所產生的極端張應力,同時O型環也已通過最初的泄漏測試。經過幾周的使用之后,不管怎樣,重復的加壓循環會導致環的壓力最高點產生損壞,這種180的彎曲最終導致O型密封圈的破損以及泄漏的產生。

      在這種情況下,失效原因歸結于兩個不相關的因素的相互作用。光有它們本身,也不可能導致失效。在應用中,這兩種因素的每一個都放大 了另一個的影響,導致了O型密封圈的失效以及隨之而來的泄漏。

      確認及更正

      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驗室條件下對失效進行重現:直到問題可以被“打開”和“關閉”, 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行測試,因為更換新的O型墊圈之后,這些飛機部件重新開始了工作,同樣也沒有大號的O型墊圈用于實驗。相反,客戶要求正興隆公司運用他們的工程專業知識來對失效情況進行診斷,并解釋在應用極不尋常的表現。幾個星期后, 正興隆的工程師給客戶提供了這一設想 ,同時客戶發現的第四個不尋常的O型密封圈失效,似乎證實了這一理論。該O型密封圈是從一個沒有泄露的油泵移出的,和之前三個損壞的O型密封圈位于同一-區域,它的圓周上有-個呈V形的缺口,指向流體壓力源。由于應用過程中熱累計正常,該O型密封圈O保持了跟凹槽環形道一樣的形狀, 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。 當對該缺口施壓進行壓縮,O形墊圈呈現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域存在成型的缺陷,同時O型密封圈的硬度和撓度特性都正常。

      因為產生這樣的原因有兩個,非典型性的槽和可能出現的過大的O型密封圈內徑等等,為了防止問題有復發的可能,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的O型密封圈槽。這種情況下,針對硬件的維修將會相當昂貴同時這會被當做一次重 大的設計變化將需要進行大量的測試。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型環的尺寸在安裝之前被核實,維修中心被告知安裝一個尺寸超值的O型圈可能產生過早的密封失效。在這之前,并沒有類似的失效模式的日子,以及,超過18個月后,應用中O型密封圈損壞的報告也不再出現。

      大多數O型環失效遵循完善的樣本觀察模式,并且是嚴重偏離設計原則的結果。然而,新的和獨特的失效模式偶爾會出現。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計原則而導致的。相反,它們更傾向于違背多種設計原則,這種原則的組合之- -即可導致不可預料的失效。幸運的是,正興隆公司能夠診斷造成這種失效的原因,同時,客戶也可以消除相同狀況下的問題。


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