該文闡述了航空密封的設(shè)計(jì)方法中需要注意的幾個(gè)關(guān)鍵問題。分別從密封材料的選擇、密封零件表面處理工藝和表面加工質(zhì)量、以及密封槽的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了討論，對(duì)航空密封設(shè)計(jì)所需要的方法和因素進(jìn)行了詳細(xì)分析與說明。

　　引言

　　密封技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)系飛機(jī)安全的重要技術(shù)， 密封失效會(huì)影響飛機(jī)的正常工作，甚至造成嚴(yán)重事故。在飛機(jī)的作動(dòng)系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架、剎車系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、機(jī)身等，幾乎在飛機(jī)的每個(gè)部位你都會(huì)看到密封圈的存在。但這些位置所使用的密封圈都有很大差別，每個(gè)位置都有它們獨(dú)特的密封技術(shù)需求，選擇合適的密封技術(shù)方案， 對(duì)達(dá)到理想的密封效果至關(guān)重要。

　　選擇合適的密封方案，要考慮以下幾點(diǎn)因素：選擇合適的密封材料、密封零件表面使用合適的表面處理工藝并達(dá)到一定的表面加工質(zhì)量、設(shè)計(jì)合適的密封槽。

1、密封材料選擇

　　密封材料的選擇首先要考慮所選材料和密封介質(zhì)的化學(xué)兼容性。化學(xué)反應(yīng)能夠引起密封損壞，影響其物理特性。密封彈性材料在液體中比其他密封復(fù)合材料更敏感，選擇適合的密封彈性體材料是關(guān)鍵。選擇密封材料時(shí)不僅要考慮使用的介質(zhì)， 還要考慮介質(zhì)中的添加劑，添加劑也會(huì)對(duì)密封彈性體產(chǎn)生不利的影響。在高溫環(huán)境中做浸泡測試以便驗(yàn)證彈性體在實(shí)際應(yīng)用中的性能是非常必要的。

　　其次所選密封材料要滿足使用環(huán)境的溫度要求。在低溫環(huán)境中，彈性材料的收縮性是鋼的十倍，彈性材料會(huì)變得僵硬并失去彈性。當(dāng)超過低溫極限后，彈性材料會(huì)達(dá)到玻璃化階段，它會(huì)變得極其易碎;當(dāng)溫度回升后，它的物理性能將會(huì)恢復(fù);增加擠壓可以提高彈性材料的低溫性能。當(dāng)工作溫度高過彈性材料規(guī)定的上限時(shí)，它將會(huì)變軟，并散失它的物理特性，這種物理特性的散失是不可恢復(fù)的，密封圈將會(huì)產(chǎn)生永久的變形，變形量會(huì)因材料的工作介質(zhì)不同而不同; 持續(xù)的工作在超過工作溫度范圍的高溫環(huán)境中將會(huì)損壞密封圈。溫度的交替變化也有可能影響密封圈的使用壽命。隨著溫度的交替變化彈性密封材料會(huì)發(fā)生應(yīng)變， 隨著時(shí)間的積累，彈性密封材料的彈性會(huì)逐漸散失，從而影響密封圈的使用壽命。

　　一般來說，在復(fù)合密封圈中，復(fù)合材料的溫度適應(yīng)范圍較寬，橡膠材料溫度適應(yīng)范圍較窄，所以選擇適合于所工作環(huán)境溫度范圍的橡膠材料是主要工作。對(duì)于動(dòng)密封， 運(yùn)動(dòng)速度也是密封材料選擇的關(guān)鍵因素之一， 與彈性密封材料接觸的運(yùn)動(dòng)表面運(yùn)動(dòng)速度過高會(huì)損壞彈性密封材料。運(yùn)動(dòng)速度越高所選擇的密封材料的硬度就要越高， 如果運(yùn)動(dòng)速度過高就必須選擇復(fù)合密封，以提高密封件接觸表面的硬度。

2、密封零件表面質(zhì)量

　　密封圈的密封性能與密封零件表面的表面處理工藝和表面加工質(zhì)量有很大關(guān)系，特別是動(dòng)密封，它的密封性能與零件的表面處理質(zhì)量和表面加工質(zhì)量有直接的關(guān)系。零件表面的加工質(zhì)量是密封壽命和可靠性的關(guān)鍵因素。

　　1)零件表面輪廓的要求

　　在顯微鏡下觀察用肉眼看上去非常光滑的密封零件表面，會(huì)發(fā)現(xiàn)零件表面纖維組織是凸凹不平的，就像山脈一樣，存在很多波峰和波谷。并不是最平坦的表面擁有最好的密封性能， 零件表面纖維組織有過多和過大的波峰會(huì)使密封圈產(chǎn)生過渡的磨損， 產(chǎn)生不希望的泄漏。但有一定數(shù)量的波谷，反而能提高密封圈的密封性能，波谷能夠儲(chǔ)存潤滑油，形成潤滑油膜，這樣能夠有效提高密封圈的使用壽命，但并不會(huì)產(chǎn)生泄漏。理想的密封零件表面輪廓如圖1 所示。

圖1 理想的密封零件表面輪廓

　　每一種零件表面加工方法———如車削、磨削、珩磨、噴丸、拋光等———都會(huì)在零件表面產(chǎn)生一種特定的加工紋路， 這種紋路在使用中會(huì)影響密封圈的密封性能和使用壽命。為了獲得理想的密封性能，在零件表面加工時(shí)要避免產(chǎn)生影響密封圈密封性能和使用壽命的加工紋路。例如，在直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞密封中要避免產(chǎn)生明顯的軸向加工紋路，在旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)密封中，要避免產(chǎn)生明顯的螺旋狀加工紋路。

　　圖2、圖3 分別是零件表面粗糙度的三維和二維測量圖，圖中清晰地顯示了零件表面形貌特征。正確的零件表面處理輪廓是保證密封圈密封效果的關(guān)鍵因素。

圖2 零件表面粗糙度三維測量圖

圖3 零件表面粗糙度二維測量圖

　　2)磨合期對(duì)密封圈壽命的影響

　　在標(biāo)準(zhǔn)的密封系統(tǒng)中， 密封圈和密封零件表面在剛開始工作的一段時(shí)期內(nèi)具有很高的磨損率， 這段時(shí)期叫做磨合期。在剛進(jìn)入磨合期時(shí)糙的零件表面會(huì)使密封圈產(chǎn)生過渡的磨損，零件表面硬度越高，對(duì)密封圈的磨損越快。

　　一旦密封零件表面纖維組織的波峰被磨平， 密封圈和密封零件表面將達(dá)到一種平衡狀態(tài)， 在平衡狀態(tài)下，如果密封圈得到充分的潤滑，密封圈的磨損就會(huì)顯著降低。

　　精確地控制零件表面的綜合質(zhì)量， 可以減少密封系統(tǒng)渡過磨合期的時(shí)間， 使密封系統(tǒng)盡早進(jìn)入平衡狀態(tài)，這樣能夠更好地控制泄漏、提高密封圈的耐磨性和使用壽命。對(duì)于越硬的零件表面，越要嚴(yán)格控制零件密封表面的綜合質(zhì)量。

　　3)零件表面硬度的要求

　　較高的零件表面硬度， 可以提高密封圈的使用壽命，防止密封圈磨壞零件，減小密封圈的動(dòng)摩擦力。如果密封零件表面太軟，密封圈會(huì)把零件表面磨壞。在金屬材料表面鍍層是目前普遍采用的提高密封表面綜合質(zhì)量的方法， 在鍍層前需要考慮基體材料是否支持鍍層非常重要。當(dāng)一個(gè)高壓載荷施加在一個(gè)較軟的不銹鋼基體材料支撐的硬鉻鍍層密封表面時(shí)，鍍層可能會(huì)剝落或裂開，然后刮傷密封圈。基體材料的羅氏硬度最好能達(dá)到44 以上才能夠較好地支撐鍍層。

3、密封槽的設(shè)計(jì)

　　密封槽設(shè)計(jì)主要是按照一定的計(jì)算公式， 使安裝后的密封圈的壓合量、拉伸量復(fù)合要求。密封槽的設(shè)計(jì)也有很多標(biāo)準(zhǔn)可以參考，參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)密封槽可以省去很多計(jì)算過程，現(xiàn)在工程應(yīng)用中普遍采用此方法。國內(nèi)關(guān)于密封槽設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)比較少，國外在這方面標(biāo)準(zhǔn)很多，體系比較完善。本文在密封槽設(shè)計(jì)方面主要介紹一些國外常用的標(biāo)準(zhǔn)，以及它們所適用的場合。這些標(biāo)準(zhǔn)主要包括SAE 發(fā)行的AS 系列標(biāo)準(zhǔn)和ARP 系列標(biāo)準(zhǔn)。AS4716 標(biāo)準(zhǔn)是現(xiàn)在航空作動(dòng)器領(lǐng)域使封槽設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)， 它的密封槽按照SAE AS568 標(biāo)準(zhǔn)2 級(jí)公差下的O 形密封圈而設(shè)計(jì)的，包含了動(dòng)密封和靜密封槽尺寸，在壓力超過1500psi/10.3MPa 的情況下，使用1 到2 個(gè)防擠出保護(hù)環(huán)用最廣泛的密封， 在壓力低于1500psi/10.3MPa 的情況下，不使用保護(hù)環(huán)。雖然這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸的O 形圈設(shè)計(jì)的， 但這種密封槽也可以用于其他彈性密封和PTFE 密封。AS4716 標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了密封槽的大徑、小徑、槽寬、軸孔間隙、密封底面和側(cè)面的粗糙度、側(cè)面的傾斜角、地面圓角和尖邊倒角尺寸及公差。AS4716 標(biāo)準(zhǔn)的密封槽壓力范圍最高可達(dá)8000psi/55.16MPa。

　　AS5857 標(biāo)準(zhǔn)密封槽適用于靜密封設(shè)計(jì)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的密封槽也是按照SAE AS568 標(biāo)準(zhǔn)2 級(jí)公差下的O形密封圈而設(shè)計(jì)的，它的密封槽尺寸比AS4716 標(biāo)準(zhǔn)的密封槽對(duì)密封圈的擠壓更強(qiáng)， 在低溫和低密封膨脹的情況下密封效果更好。推薦應(yīng)用在外裝式的靜密封中。ARP1234 是關(guān)于無保護(hù)環(huán)的軸向靜密封彈性O(shè) 形密封圈密封槽的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)是ARP1231 (密封槽設(shè)計(jì)，彈性O(shè) 形密封，軸向靜密封，無保護(hù)環(huán))的補(bǔ)充。AS4088 是航空作動(dòng)器活塞桿刮塵圈槽的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。蓋標(biāo)準(zhǔn)刮塵圈槽的尺寸比標(biāo)準(zhǔn)MS33765 的空間更大，能夠安裝更高效可靠的(更大的)刮塵圈。AS4052 主要是用于起落裝置密封槽的設(shè)計(jì)。它包含起落裝置下端的減振柱的刮塵圈安裝槽的設(shè)計(jì)。活塞桿的直徑，密封槽內(nèi)徑，密封槽側(cè)壁角度和密封面光潔度與AS4716 定義相同，但是密封圈外側(cè)的擋壁直徑發(fā)生了變化。減小了密封槽與大氣接觸的唇邊的尺寸，以便于有彈簧支撐的PTFE 刮塵圈密封護(hù)套能夠安裝在內(nèi)。

4、結(jié)論

　　密封技術(shù)作為保障飛機(jī)安全工作的一項(xiàng)重要技術(shù)，一直是航空系統(tǒng)的一個(gè)重要研究方向。文章通過對(duì)航空密封材料、密封零件表面處理工藝和密封槽設(shè)計(jì)方法的詳細(xì)分析與說明，研究了航空密封設(shè)計(jì)的方法，為密封技術(shù)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用提供了設(shè)計(jì)參考。