Cessna172R型飞机前起落架减震支柱渗漏分析

摘 要：随着Cessna172R飞机使用时间的逐渐增加，飞机前起落架减震支柱出现故障几率逐渐增加。其主要表现为内部密封圈失效、支柱镜面点蚀，支撑环磨损等原因导致的起落架减震支柱液压油渗漏等。飞机前起落架减震支柱起落架最重要的部件之一，主要功能是承受飞机在地面停放、滑行、起飞着陆滑跑时的重力；承受、消耗和吸收飞机在着陆与地面运动时的撞击和颠簸的能量；实现飞机滑行时转弯操纵等。如不能科学、正确、良好的维护和翻修前起落架减震支柱，将会导致前起落架支柱翻修使用寿命陡降，故障率升高，且严重影响飞机运行中前起落架系统的可靠性。通过对前起落架减震支柱工作原理、故障现象和原因的分析，能提高飞机运行中前起落架支柱工作的可靠性，降低故障出现的几率，同时能快速、准确、有效的对故障作出判断，提高故障排除效率，保证飞机运行安全。

关键词：失效；磨损；变形；点蚀；热效应

1 前起落架减震支柱密封工作原理

Cessna172R飞机使用的前起落架减震支柱为油气式减震支柱，通过内部高压气体和液压油的流动来吸收飞机着陆时的动能。前起落架支柱密封主要部件为支柱内筒、支撑环、密封圈、密封圈保持环、以及充气嘴气门芯等。主要承担内部液压油密封的构件为支撑环上的O型密封圈。目前统计发现的支柱渗漏主要也是发生在支柱于支撑环之间的0型密封圈。

2 前起落架减震支柱渗漏的故障现象和原因

1）现象：前支柱液压油渗漏。

2）位置：渗漏位置支柱内外筒结合部支撑环处。

3）原因：支撑环与内筒间密封圈失效。

4）故障密封圈主要失效形式：扭曲；断裂（其他形式：磨损、变形、脱落）。

3 密封相关部件分析

重点分析：密封圈、支撑环、支柱内筒、保持环。

1）密封圈：安装于支撑环内，由保持环对其进行位置约束，主要功能是实现支柱内外筒之间的密封，防止液压油渗漏，保障支柱减震性能、以及前起落架的转向性能。密封圈老化、扭曲、断裂、磨损而造成的支柱密封性能下降或失去密封性能。

2）支撑环：安装于支柱外筒底部与内筒之间，主要用于限制支柱内筒运动副，为内筒移动其支撑功能，并承载相应机械载荷。

3）保持环：硬塑料材质，用于限制密封圈位置，防止密封圈脱落、运动。

4）支柱内筒：承载飞机载荷，地面摩擦作用力，故障形式为变形、表面磨损、损伤、粗糙、点蚀等。

4 密封圈扭曲、断裂失效过程分析、密封件性能分析

4.1 扭曲（断裂）失效分析

（1）扭曲是指O形圈沿周向发生扭转的现象，扭曲现象一般发生在运动密封状态。

（2）O形圈如果装配正确，且使用条件适当，一般极少出现在往复运动状态下产生滚动或扭曲，因为O形圈与其保持环沟槽的接触面积大于在滑动表面上的摩擦接触面积，而且O形圈本身的抗扭能力就能阻止其扭转。因为静摩擦大于滑动摩擦，且保持环沟槽的表面粗糙度比滑动表面的粗糙度大，摩擦力的分布也趋向保持O形圈在其沟槽中静止不动。

（3）支撑环与内筒之间隙不均匀、偏心过大、O形密封圈断面直径不均匀等原因造成。由于以上现象造成O形圈在周向上横截断面尺寸大小不均，容易产生摩擦力不均匀，O形圈的局部摩擦过大，发生扭曲。另外，由于支撑环密封沟槽存在着同轴度偏差，密封高度不相等，以及O形密封圈横截断面直径不均匀等现象，可引起O形密封圈的一部分压缩过大，另一部分过小或不受压缩。当支撑环沟槽存在偏心（即与支柱的同轴度）误差大于O形圈的压缩量时，密封会完全失效。支撑环密封沟槽与支柱同轴度偏差大的另一个害处是使O形密封圈沿圆周压缩不均。

4.2 密封圈与保持环安装

分析原因：密封圈与保持环安装不正确在运动过程中可能引起以下问题：

（1）支柱运动过程中，保持环与密封圈接触面积减小，对密封圈位置度、摩擦力、运动状态的约束不到位，引起密封圈在支撑环密封槽内转动、扭曲、甚至脱位。

（2）对密封圈变形形态的约束不正确，从而引起密封圈变形后与支柱内筒表面的贴合面积发生改变。形变量过小，密封能力下降；形变量过大，贴合面的增加，增大密封圈与支柱内筒表面摩擦力。

4.3 间隙（支撑环与内筒表面之间的磨损、变形、腐蚀）

被密封的零件存在着几何精度（包括圆度、椭圆度、圆柱度、同轴度等）不良、零件之间同轴度误差较大等现象，都会引起密封间隙的扩大和间隙挤出现象的加剧。导致密封性能下降、间隙咬伤；不均匀间隙引起的密封圈在相对运动中的扭曲。

4.4 滑动表面（支柱内筒表面）对O形圈的影响：（参见下图）

（1）滑动表面的粗糙度变差，导致O形圈周向摩擦不均引起扭曲发生、或密封圈磨损加剧密封失效。

（2）滑动表面的点蚀对密封圈的啃咬損伤。

4.5 摩擦力与O形圈

（1）湿摩擦：当支柱伸长时，支柱内筒相对密封圈的运动表面充满了液压油，与密封圈相对运动的摩擦为湿摩擦，其效果相当于润滑。

（2）干摩擦：当飞机着陆或地面滑行时支柱压缩，支柱内筒相对于密封圈的运动表面裸露于空气中，在飞行或滑行过程中气流作用表面干燥，且附着有空气中的灰尘、尘埃颗粒等物质，使得相对运动的摩擦力增大，且着陆时支柱内外筒相对运动速度很快，容易局部摩擦过大造成密封圈扭曲。

4.6 热效应

橡胶材料的热效应，是指处于拉伸状态的橡胶遇热产生收缩的现象。减震支柱在使用过程中，因相对运动和内部压缩而引起的能量形式的转换，由机械能转换成内能（热能），液压油温度升高。且安装（紧箍）在支柱内筒上的O形密封圈，因相对运动产生的摩擦热而收缩，进而使这种压缩（紧箍）力增大。这样，产生摩擦热→收缩→压缩（紧箍）力增大→产生摩擦热→……，如此反复循环，就增大了相对运动的摩擦力，同时大大地促进了橡胶的老化和磨损。

4.7 密封圈性能分析

O形密封圈用的合成橡胶材料（如：丁腈橡胶，三元乙丙橡胶，氟橡胶）属于粘弹性材料，经长时间的使用，密封圈会产生永久变形（因运动中变形不能恢复到初始形态），初期设定的压紧量和回弹堵塞能力而逐渐丧失，最终发生泄漏。永久变形和弹力消失是O形圈失去密封性能的主要原因。其主要影响因素有：工作状态下密封圈的压缩率；工作环境温度、压力、介质。

（1）密封圈的压缩率：在压缩状态下都会产生压缩应力松弛现象，此时，压缩应力随着时间的增长而减小。使用时间越长、压缩率和拉伸量越大，则由橡胶应力松弛而产生的应力下降就越大，以致O形圈弹性不足，失去密封能力。

（2）工作环境：温度、压力、介质是影响O形圈永久变形的另一个重要因素。高温、高压、油液环境会加速橡胶材料的老化。

（3）使用一定时间后长时间放置不运动引起密封圈永久变形、弹力消失等老化现象，密封性能下降，抗变形能力低下，运动中容易出现扭曲裂纹。

（4）密封圈生产性能不佳、存放条件差、或存放周期过长，导致其性能差。

5 解决措施

密封圈材质为橡胶类物质，具有使用寿命周期，因此密封失效是最终都可能发生的。加强日常维护，可以增加密封件的使用寿命，保证飞机运行中的安全，提高在密封件寿命周期内使用的可靠性。因此面对支柱渗漏故障，应做好以下的日常维护工作：

5.1飞行后维护（外场）要求飞机在完成技术状态检查时应完成支柱勤务工作

（1）顶升飞机，使飞机前起落架减震支柱内筒在内部气压作用力下伸长；

（2）使用清洁抹布，沾清洁溶剂清洁支柱内筒表面，清洁时应从伸出的清洁区域开始向长期外露的污染区域进行清洁；

（3）待清洁溶剂完全挥发，内筒表面清洁完成后，使用抹布沾支柱液压油擦拭支柱内筒所有外露表面；

（4）放下飞机，检查支柱伸长量。

（5）定期检查支柱灌充压力；

（6）定期更换支柱内液压油，以减少液压油使用过程中变质而引起对密封圈寿命的影响。

5.2 支柱分解、组装

（1）支柱分解时认真检查支撑环磨损、变形情况；支柱内筒变形、表面磨损、点蚀、粗糙度等情况。

（2）支柱组装前检查检查确认密封圈、保持环应在使用寿命周期内，且无变形、老化、脱落等情况；

（3）支柱组装时确认密封圈润滑良好，密封圈、保持环安装位置、形态正确，无扭曲；

（4）支撑环装配到支柱内筒上，检查应无径向间隙，和轴向偏转，且相对运动无干涉现象。

5.3 飞机停放运转

（1）按规定时间周期完成飞机停放运转工作。

（2）先顶升飞机，使用干净抹布沾清洁溶剂后清洁支柱内筒表面，清洁时应从伸出的清洁区域开始向长期外露的污染区域进行清洁；待清洁溶剂挥发后，使用抹布沾支柱液压油擦拭支柱内筒所有外露表面；最后操作支柱内筒伸缩往复几次。

5.4 密封圈存放环境

应满足行标中对应橡胶件材质件的存放條件要求，严格按照寿命要求来控制密封件的库存寿命要求。

参考文献：

[1]郝劲松.活塞发动机飞机结构与系统.兵器工业出版社，2007.

[2]《CESSNA172RMAINTENANCE MANUNAL》 R18.

[3]罗裕富.Cessna172R型飞机前起落架原理及故障分析，中国高新技术企业，2013（10）.

[4]孙恒，陈作模.机械原理，高等教育出版社，第六版.

作者简介：罗裕富（1983-），男，汉族，四川遂宁人，中国民航飞行学院绵阳分院机务部工程师，主要研究领域：飞机机身结构。