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某减速器输出端油封撕裂故障分析
李添良，刘厚根，程琴
（1. 中国航发中传机械有限公司，长沙 410200；2. 中南大学，长沙 410083； 3. 中国航发失效分析中心，北京100095）
文章已被中国工程机械学报杂志社录用，中国工程机械学报杂志投稿网址链接：http://www.zazhi114.cn/zhongguogongchengjixiexuebao
[摘 要] 某减速器检查发现安装平台上滑油泄露，检查分解发现输出端的油封撕裂，弹簧断裂。通过宏观观察、断口分析及红外测试分析得出检测结果，经过机理分析和供应商的综合分析判定油封唇口干涩是造成油封撕裂的主要原因。
[关键词] 减速器；滑油泄露；油封开裂；弹簧断裂
Fracture Analysis Of Input End Oil Seal In Certain Type Gearbox
Li Tian-liang1 2，Liu Hou-gen2，Cheng Qin3
（1. AECC Zhongchuan Transmission Machinery Co. ，LTD，Changsha 410200，China；2. ZhongNan University，长沙 410083；
3. AECC Failure Analysis Center，Beijing 100095，China）
Abstract Gearbox oil leakage was discovery on amounting plate after flying check. Oil seal crack, Spring fracture at Input end of gearbox examination. By macro observation, fracture analysis and infrared test, result obtained, Based on the mechanism and supplier analysis, It is found that the aningeresting is the main cause for the Oil seal crack.
Key words Gearbox；Oil leakage；Oil seal crack；Spring fracture
0 引言
油封是用来封滑油的机械元件，主要由橡胶皮碗、骨架、弹簧组成（见图1），其功用在于把油腔和外界隔离，对内封油，对外防尘。弹簧的作用是使唇口对轴具有较好的追随补偿性。
图1 油封结构
某减速器输出端有大量滑油泄漏，拆下减速器输出端封严盖后，发现该处油封唇口破裂，局部已剥落掉块且附近未发现脱落的橡胶碎片；装在封严盖内的油封内部的箍紧弹簧已断裂成两截，均挂在原工作部位，当拆出封严盖时，两截弹簧因抖动弹出。因现场无法确认是否有橡胶、弹簧碎块落入减速器内腔，将该台减速器返厂进一步分解检查。
减速器返厂分解发现输出端（见图2）的油封的唇口已经局部大面积掉块、唇口有磨损；骨架上的弹簧断裂成2段，见图3。
图2 油封泄露位置
图3 油封唇口撕裂和弹簧断开
油封的2处碎块随滑油流到油池，见图4。
图4 2处油封碎块
1 分析过程
1.1 宏观观察
观察皮碗开裂位置1断口体视形貌见图5，唇口处可见连续的微小掉块形貌，掉块处于同一水平线，掉块基本均圆形，见圈出位置；断口为唇口掉块区域下侧位置形貌，从唇口断口掉块位置产生裂纹，连续撕口。
图5 开裂皮碗断口体视形貌
弹簧各断口宏观形貌见图6，断口附近未见明显塑性变形，断面呈黑灰色，未见掉快现象，可见断口由大斜面、垂直弹簧轴线的断面和平行弹簧轴线的断面组成，为了方便描述，将弹簧断口大斜面标记为Ⅰ区，约占整个断面的1/2，将垂直弹簧轴线的断面标记为Ⅱ区，约占整个断面的1/4，将垂直弹簧轴线的断面标记为Ⅲ区，约占整个断面的1/4，其中几个断面高差较大，断口侧表面未见擦伤、剥落及撞击痕迹。
图6 弹簧断口宏观形貌
法兰盘的整体外貌见图7a），与油封唇口配合的外圆磨痕见图7b）。
a）法兰盘整体形貌
b）与油封唇口配合的外圆
图7 法兰盘表面宏观形貌
1.2 扫描电子显微镜观察（SEM）
与断口连接的唇口凸起处掉块形貌见图8所示，图a）圈中箭头所示掉块位置同样呈三角形，末端与断口连接，分析凸起处掉块与唇口掉块可能为同时形成；图b）为与断口连接位置形貌，可见该处裂纹没有终止，继续扩展。因此可判断，与断口连接的掉块位置为过载断裂。
图8 与断口连接的唇口凸起处掉块形貌
观察与图8中凸起处掉块位置相连的唇口掉块断口形貌见图9，可见与凸起处掉块断口连接的位置低于唇口掉块断口表面，见圈出位置，表明凸起掉块处裂纹扩展至唇口掉块断口表面；裂纹继续向两侧扩展，导致皮碗唇口位置开裂，掉块。
图9 与凸起处掉块位置连接的断口形貌
为便于对比，故障件和人工打断弹簧断口低倍形貌见图10，两个断口的微观呈拉长韧窝形貌，磨损较严重，除局部可见拉长韧窝形貌，其它特征不明显，人工打断断口微观呈拉长韧窝特征，见图10 b）。
a）故障件断口 b）人工打断弹簧断口
图10 弹簧人工打断断口微观形貌
皮碗橡胶红外曲线见图11，可见漏油皮碗吸收峰位置与新皮碗基本相同。1396 cm-1为CH2=CF2的弯曲振动吸收峰；1156 cm-1为-CF的伸缩振动吸收峰；896cm-1为CH2=CF2的面外变形振动吸收峰；综合皮碗所用材料为氟橡胶，材料信息正确。
图11 皮碗红外光谱图
1.4 热失重分析
漏油皮碗与新皮碗热失重曲线见图12，两曲线基本重合，测试条件为室温~800℃，升温速率为10℃/min，氮气条件。漏油皮碗与新皮碗橡胶材料的初始分解温度相同，接近250℃。整个升温过程仅一次失重，失重率约75%。通过以上分析漏油皮碗橡胶未发生老化。
图12 皮碗热失重曲线图
1.5 弹簧硬度检测
断裂弹簧硬度平均值为603.1HV，换算成洛氏硬度为55.5HRC。新弹簧的硬度平均值为504.9HV，换算成洛氏硬度为49.5HRC。
表1 弹簧显微硬度
|
位置 |
显微硬度（HV0.5） |
换算成 HRC |
|||
|
1 |
2 |
3 |
平均值 |
||
|
断裂弹簧 |
627.1 |
597.0 |
585.2 |
603.1 |
55.5 |
|
新弹簧 |
503.8 |
509.3 |
501.5 |
504.9 |
49.5 |
2 综合分析
检测结果表明开裂橡胶皮碗掉块断口、裂纹断口与唇口凸起处微小掉块断口均可见明显撕裂特征，未见疲劳弧线，源区无缺陷，呈明显过载断裂特征。唇口凸起处微小掉块分布于皮碗损伤区域，基本处于同一水平线，微小掉块区域间隔较小，几乎连续。皮碗掉块断口、裂纹断口均与凸起处微小掉块相连，且微观观察结果表明裂纹由微小掉块处起源，沿逆时针方向扩展，导致皮碗唇口掉块、开裂。法兰盘表面磨痕沿周向均匀平行分布，与皮碗唇口凸起位置微小掉块形貌不匹配，判断开裂皮碗唇口微小掉块非皮碗与金属磨损导致。从开裂皮碗断裂弹簧宏观检查及断口宏微观观察可知，整个断面高度差较大，断口附近未见宏观塑性变形，断面磨损较严重，微观除了局部呈拉长韧窝特征，其它区域微观特征不明显，人工打断（两把钳子对拉）断口呈韧窝特征，由此判断，弹簧的断裂性质为脆性断裂。
3 结论
1）封严皮碗为过载断裂，开裂皮碗橡胶未发生老化；
2）弹簧的断裂性质为脆性断裂；
3）与油封供应商共同分析认为：当油封唇口处无油脂润滑，导致唇口干磨、撕裂，当唇口撕裂残缺后，弹簧支撑不均匀，形成尖点应力，当唇口撕裂残缺后，弹簧形成尖点应力，使弹簧折断，见图13。
图13 油封唇口破坏机理
根据油封供应商的意见，在油封的唇口处抹专用油脂，使唇口保持充分润滑，降低摩擦系数，改善后此类事情未再次发生。
参 考 文 献
[1] 吴涛，林奇辉，欧阳飞等. 发动机皮碗裂纹分析 [J]. 失效分析与预防，2016,8(4)：256-260.
张黎，曹宝军. 曲轴油封漏油故障分析与改进措施 [J]. 林业机械与
某减速器输出端油封撕裂故障分析
李添良1，刘厚根2，程琴3
（1. 中国航发中传机械有限公司，长沙 410200；2. 中南大学，长沙 410083； 3. 中国航发失效分析中心，北京100095）
[摘 要] 某减速器检查发现安装平台上滑油泄露，检查分解发现输出端的油封撕裂，弹簧断裂。通过宏观观察、断口分析及红外测试分析得出检测结果，经过机理分析和供应商的综合分析判定油封唇口干涩是造成油封撕裂的主要原因。
[关键词] 减速器；滑油泄露；油封开裂；弹簧断裂
Fracture Analysis Of Input End Oil Seal In Certain Type Gearbox
Li Tian-liang1 2，Liu Hou-gen2，Cheng Qin3
（1. AECC Zhongchuan Transmission Machinery Co. ，LTD，Changsha 410200，China；2. ZhongNan University，长沙 410083；
3. AECC Failure Analysis Center，Beijing 100095，China）
Abstract Gearbox oil leakage was discovery on amounting plate after flying check. Oil seal crack, Spring fracture at Input end of gearbox examination. By macro observation, fracture analysis and infrared test, result obtained, Based on the mechanism and supplier analysis, It is found that the aningeresting is the main cause for the Oil seal crack.
Key words Gearbox；Oil leakage；Oil seal crack；Spring fracture
0 引言
油封是用来封滑油的机械元件，主要由橡胶皮碗、骨架、弹簧组成（见图1），其功用在于把油腔和外界隔离，对内封油，对外防尘。弹簧的作用是使唇口对轴具有较好的追随补偿性。
图1 油封结构
某减速器输出端有大量滑油泄漏，拆下减速器输出端封严盖后，发现该处油封唇口破裂，局部已剥落掉块且附近未发现脱落的橡胶碎片；装在封严盖内的油封内部的箍紧弹簧已断裂成两截，均挂在原工作部位，当拆出封严盖时，两截弹簧因抖动弹出。因现场无法确认是否有橡胶、弹簧碎块落入减速器内腔，将该台减速器返厂进一步分解检查。
减速器返厂分解发现输出端（见图2）的油封的唇口已经局部大面积掉块、唇口有磨损；骨架上的弹簧断裂成2段，见图3。
图2 油封泄露位置
图3 油封唇口撕裂和弹簧断开
油封的2处碎块随滑油流到油池，见图4。
图4 2处油封碎块
1 分析过程
1.1 宏观观察
观察皮碗开裂位置1断口体视形貌见图5，唇口处可见连续的微小掉块形貌，掉块处于同一水平线，掉块基本均圆形，见圈出位置；断口为唇口掉块区域下侧位置形貌，从唇口断口掉块位置产生裂纹，连续撕口。
图5 开裂皮碗断口体视形貌
弹簧各断口宏观形貌见图6，断口附近未见明显塑性变形，断面呈黑灰色，未见掉快现象，可见断口由大斜面、垂直弹簧轴线的断面和平行弹簧轴线的断面组成，为了方便描述，将弹簧断口大斜面标记为Ⅰ区，约占整个断面的1/2，将垂直弹簧轴线的断面标记为Ⅱ区，约占整个断面的1/4，将垂直弹簧轴线的断面标记为Ⅲ区，约占整个断面的1/4，其中几个断面高差较大，断口侧表面未见擦伤、剥落及撞击痕迹。
图6 弹簧断口宏观形貌
法兰盘的整体外貌见图7a），与油封唇口配合的外圆磨痕见图7b）。
a）法兰盘整体形貌
b）与油封唇口配合的外圆
图7 法兰盘表面宏观形貌
1.2 扫描电子显微镜观察（SEM）
与断口连接的唇口凸起处掉块形貌见图8所示，图a）圈中箭头所示掉块位置同样呈三角形，末端与断口连接，分析凸起处掉块与唇口掉块可能为同时形成；图b）为与断口连接位置形貌，可见该处裂纹没有终止，继续扩展。因此可判断，与断口连接的掉块位置为过载断裂。
图8 与断口连接的唇口凸起处掉块形貌
观察与图8中凸起处掉块位置相连的唇口掉块断口形貌见图9，可见与凸起处掉块断口连接的位置低于唇口掉块断口表面，见圈出位置，表明凸起掉块处裂纹扩展至唇口掉块断口表面；裂纹继续向两侧扩展，导致皮碗唇口位置开裂，掉块。
图9 与凸起处掉块位置连接的断口形貌
为便于对比，故障件和人工打断弹簧断口低倍形貌见图10，两个断口的微观呈拉长韧窝形貌，磨损较严重，除局部可见拉长韧窝形貌，其它特征不明显，人工打断断口微观呈拉长韧窝特征，见图10 b）。
a）故障件断口 b）人工打断弹簧断口
图10 弹簧人工打断断口微观形貌
皮碗橡胶红外曲线见图11，可见漏油皮碗吸收峰位置与新皮碗基本相同。1396 cm-1为CH2=CF2的弯曲振动吸收峰；1156 cm-1为-CF的伸缩振动吸收峰；896cm-1为CH2=CF2的面外变形振动吸收峰；综合皮碗所用材料为氟橡胶，材料信息正确。
图11 皮碗红外光谱图
1.4 热失重分析
漏油皮碗与新皮碗热失重曲线见图12，两曲线基本重合，测试条件为室温~800℃，升温速率为10℃/min，氮气条件。漏油皮碗与新皮碗橡胶材料的初始分解温度相同，接近250℃。整个升温过程仅一次失重，失重率约75%。通过以上分析漏油皮碗橡胶未发生老化。
图12 皮碗热失重曲线图
1.5 弹簧硬度检测
断裂弹簧硬度平均值为603.1HV，换算成洛氏硬度为55.5HRC。新弹簧的硬度平均值为504.9HV，换算成洛氏硬度为49.5HRC。
表1 弹簧显微硬度
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位置 |
显微硬度（HV0.5） |
换算成 HRC |
|||
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1 |
2 |
3 |
平均值 |
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断裂弹簧 |
627.1 |
597.0 |
585.2 |
603.1 |
55.5 |
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新弹簧 |
503.8 |
509.3 |
501.5 |
504.9 |
49.5 |
2 综合分析
检测结果表明开裂橡胶皮碗掉块断口、裂纹断口与唇口凸起处微小掉块断口均可见明显撕裂特征，未见疲劳弧线，源区无缺陷，呈明显过载断裂特征。唇口凸起处微小掉块分布于皮碗损伤区域，基本处于同一水平线，微小掉块区域间隔较小，几乎连续。皮碗掉块断口、裂纹断口均与凸起处微小掉块相连，且微观观察结果表明裂纹由微小掉块处起源，沿逆时针方向扩展，导致皮碗唇口掉块、开裂。法兰盘表面磨痕沿周向均匀平行分布，与皮碗唇口凸起位置微小掉块形貌不匹配，判断开裂皮碗唇口微小掉块非皮碗与金属磨损导致。从开裂皮碗断裂弹簧宏观检查及断口宏微观观察可知，整个断面高度差较大，断口附近未见宏观塑性变形，断面磨损较严重，微观除了局部呈拉长韧窝特征，其它区域微观特征不明显，人工打断（两把钳子对拉）断口呈韧窝特征，由此判断，弹簧的断裂性质为脆性断裂。
3 结论
1）封严皮碗为过载断裂，开裂皮碗橡胶未发生老化；
2）弹簧的断裂性质为脆性断裂；
3）与油封供应商共同分析认为：当油封唇口处无油脂润滑，导致唇口干磨、撕裂，当唇口撕裂残缺后，弹簧支撑不均匀，形成尖点应力，当唇口撕裂残缺后，弹簧形成尖点应力，使弹簧折断，见图13。
图13 油封唇口破坏机理
根据油封供应商的意见，在油封的唇口处抹专用油脂，使唇口保持充分润滑，降低摩擦系数，改善后此类事情未再次发生。
参 考 文 献
[1] 吴涛，林奇辉，欧阳飞等. 发动机皮碗裂纹分析 [J]. 失效分析与预防，2016,8(4)：256-260.
张黎，曹宝军. 曲轴油封漏油故障分析与改进措施 [J]. 林业机械与某减速器输出端油封撕裂故障分析
李添良1，刘厚根2，程琴3
（1. 中国航发中传机械有限公司，长沙 410200；2. 中南大学，长沙 410083； 3. 中国航发失效分析中心，北京100095）
[摘 要] 某减速器检查发现安装平台上滑油泄露，检查分解发现输出端的油封撕裂，弹簧断裂。通过宏观观察、断口分析及红外测试分析得出检测结果，经过机理分析和供应商的综合分析判定油封唇口干涩是造成油封撕裂的主要原因。
[关键词] 减速器；滑油泄露；油封开裂；弹簧断裂
Fracture Analysis Of Input End Oil Seal In Certain Type Gearbox
Li Tian-liang1 2，Liu Hou-gen2，Cheng Qin3
（1. AECC Zhongchuan Transmission Machinery Co. ，LTD，Changsha 410200，China；2. ZhongNan University，长沙 410083；
3. AECC Failure Analysis Center，Beijing 100095，China）
Abstract Gearbox oil leakage was discovery on amounting plate after flying check. Oil seal crack, Spring fracture at Input end of gearbox examination. By macro observation, fracture analysis and infrared test, result obtained, Based on the mechanism and supplier analysis, It is found that the aningeresting is the main cause for the Oil seal crack.
Key words Gearbox；Oil leakage；Oil seal crack；Spring fracture
0 引言
油封是用来封滑油的机械元件，主要由橡胶皮碗、骨架、弹簧组成（见图1），其功用在于把油腔和外界隔离，对内封油，对外防尘。弹簧的作用是使唇口对轴具有较好的追随补偿性。
图1 油封结构
某减速器输出端有大量滑油泄漏，拆下减速器输出端封严盖后，发现该处油封唇口破裂，局部已剥落掉块且附近未发现脱落的橡胶碎片；装在封严盖内的油封内部的箍紧弹簧已断裂成两截，均挂在原工作部位，当拆出封严盖时，两截弹簧因抖动弹出。因现场无法确认是否有橡胶、弹簧碎块落入减速器内腔，将该台减速器返厂进一步分解检查。
减速器返厂分解发现输出端（见图2）的油封的唇口已经局部大面积掉块、唇口有磨损；骨架上的弹簧断裂成2段，见图3。
图2 油封泄露位置
图3 油封唇口撕裂和弹簧断开
油封的2处碎块随滑油流到油池，见图4。
图4 2处油封碎块
1 分析过程
1.1 宏观观察
观察皮碗开裂位置1断口体视形貌见图5，唇口处可见连续的微小掉块形貌，掉块处于同一水平线，掉块基本均圆形，见圈出位置；断口为唇口掉块区域下侧位置形貌，从唇口断口掉块位置产生裂纹，连续撕口。
图5 开裂皮碗断口体视形貌
弹簧各断口宏观形貌见图6，断口附近未见明显塑性变形，断面呈黑灰色，未见掉快现象，可见断口由大斜面、垂直弹簧轴线的断面和平行弹簧轴线的断面组成，为了方便描述，将弹簧断口大斜面标记为Ⅰ区，约占整个断面的1/2，将垂直弹簧轴线的断面标记为Ⅱ区，约占整个断面的1/4，将垂直弹簧轴线的断面标记为Ⅲ区，约占整个断面的1/4，其中几个断面高差较大，断口侧表面未见擦伤、剥落及撞击痕迹。
图6 弹簧断口宏观形貌
法兰盘的整体外貌见图7a），与油封唇口配合的外圆磨痕见图7b）。
a）法兰盘整体形貌
b）与油封唇口配合的外圆
图7 法兰盘表面宏观形貌
1.2 扫描电子显微镜观察（SEM）
与断口连接的唇口凸起处掉块形貌见图8所示，图a）圈中箭头所示掉块位置同样呈三角形，末端与断口连接，分析凸起处掉块与唇口掉块可能为同时形成；图b）为与断口连接位置形貌，可见该处裂纹没有终止，继续扩展。因此可判断，与断口连接的掉块位置为过载断裂。
图8 与断口连接的唇口凸起处掉块形貌
观察与图8中凸起处掉块位置相连的唇口掉块断口形貌见图9，可见与凸起处掉块断口连接的位置低于唇口掉块断口表面，见圈出位置，表明凸起掉块处裂纹扩展至唇口掉块断口表面；裂纹继续向两侧扩展，导致皮碗唇口位置开裂，掉块。
图9 与凸起处掉块位置连接的断口形貌
为便于对比，故障件和人工打断弹簧断口低倍形貌见图10，两个断口的微观呈拉长韧窝形貌，磨损较严重，除局部可见拉长韧窝形貌，其它特征不明显，人工打断断口微观呈拉长韧窝特征，见图10 b）。
a）故障件断口 b）人工打断弹簧断口
图10 弹簧人工打断断口微观形貌
皮碗橡胶红外曲线见图11，可见漏油皮碗吸收峰位置与新皮碗基本相同。1396 cm-1为CH2=CF2的弯曲振动吸收峰；1156 cm-1为-CF的伸缩振动吸收峰；896cm-1为CH2=CF2的面外变形振动吸收峰；综合皮碗所用材料为氟橡胶，材料信息正确。
图11 皮碗红外光谱图
1.4 热失重分析
漏油皮碗与新皮碗热失重曲线见图12，两曲线基本重合，测试条件为室温~800℃，升温速率为10℃/min，氮气条件。漏油皮碗与新皮碗橡胶材料的初始分解温度相同，接近250℃。整个升温过程仅一次失重，失重率约75%。通过以上分析漏油皮碗橡胶未发生老化。
