影響航空液壓密封的幾個因素

郭志攀，夏立群，汪洋

(中國一航西安飛行自動控制研究所，陜西西安 710065)

在工程領(lǐng)域，密封技術(shù)往往影響著整個系統(tǒng)的性能，特別是在航空航天領(lǐng)域，密封技術(shù)直接關(guān)乎飛機和航天器的安全，1986年美國“挑戰(zhàn)者號”航天飛機發(fā)生起飛73 s 后發(fā)生爆炸就是由于密封問題引起的。文中從密封設(shè)計的角度出發(fā)，闡述了影響航空液壓密封的幾個關(guān)鍵因素，從密封材料、密封零件表面質(zhì)量、密封安裝槽的設(shè)計和密封圈的安裝方法幾個方面論述了航空液壓密封設(shè)計的方法，對設(shè)計中需要考慮的問題進行了詳細(xì)分析與說明［1-5］。

1 航空密封材料

密封的設(shè)計首先要選擇合適的密封材料，密封材料的選擇要考慮所選材料和密封介質(zhì)的化學(xué)兼容性、使用環(huán)境的溫度要求、動密封的運動速度和密封材料的老化問題等。當(dāng)今的飛機設(shè)計工程師面對的溫度和化學(xué)環(huán)境越來越嚴(yán)酷，大量航空級別的彈性材料被應(yīng)用在航空密封中。密封圈可以通過人工焊接、自動模鑄、植物加強等制造，或者直接融合在金屬零件內(nèi)部，下面介紹幾種常用的航空密封材料。

丁腈橡膠 (NBR)是礦物基油脂密封的首選。丁腈橡膠的特性主要取決于它的丙烯腈含量，大概范圍為18%～50%。一般而言，這類材料在-30～100℃溫度范圍內(nèi)工作時，具有良好的力學(xué)性能。它可以短時工作在120℃，經(jīng)過特殊設(shè)計最低可工作在-60℃。

氫化丁腈橡膠(HNBR)是由丁腈橡膠(NBR)類材料進行選擇性加氫得來的。氫化丁腈橡膠具有很好的耐磨性，經(jīng)常用在高溫環(huán)境中的密封。氫化丁腈橡膠的材料特性取決于它的丙烯腈 (ACN)含量，根據(jù)浸透程度的不同，含量在18%～50%之間。氫化丁腈橡膠具有良好的機械性能。氫化丁腈橡膠的工作溫度范圍為-30～140℃。在礦物油脂中，它可短時工作在160℃，經(jīng)過特殊設(shè)計可以工作在-40℃。

氟橡膠(FKM)適合于應(yīng)用在高溫下的礦物基油脂的密封。不同的結(jié)構(gòu)和氟含量氟橡膠可以表現(xiàn)出不同的耐化學(xué)性和冷撓曲性。氟橡膠以它的阻燃性、低透氣性和優(yōu)秀的抗臭氧、抗侵蝕和抗老化能力而出名。氟橡膠的工作溫度為-20～200℃，可以短時工作在230℃，經(jīng)過特殊設(shè)計可以工作在-35℃。

氟硅橡膠(FVMQ)經(jīng)常使用在軍用燃油系統(tǒng)中。氟硅橡膠材料具有良好的阻熱性、冷曲撓度和介電性能，它的耐氧和耐臭氧性特別強。根據(jù)材料的不同，氟硅橡膠的工作溫度范圍為-60～200℃，可以短時工作在230℃，經(jīng)過特殊設(shè)計可以工作在-90℃。

全氟橡膠(FFKM)大部分應(yīng)用在飛機引擎的密封中，它應(yīng)用在惡劣環(huán)境或高溫環(huán)境中。全氟橡膠在所有的高溫介質(zhì)中都是穩(wěn)定的并具有很低的膨脹性。根據(jù)材料的不同，F(xiàn)FKM 的工作溫度范圍為-25～240℃，特別的類型可以工作在+325℃。

三元乙丙橡膠(EPDM)是乙烯、丙烯以及非共軛二烯烴的三元共聚物，經(jīng)常用在制動液、乙二醇和熱水的密封中。三元乙丙橡膠具有良好的耐高溫、耐臭氧和耐老化性能。另外，它還具有很高的彈性，很好的低溫性能和絕緣性。三元乙丙橡膠的工作溫度范圍為-45～150℃，可以短時工作在175℃。用硫磺處理過的EPDM 的工作溫度范圍將會減小為-45～120℃，可以短時工作在150℃。

硅橡膠經(jīng)常用于襯墊、模塑密封、機身、空氣動力學(xué)和引擎密封。該材料具有良好的阻熱性、冷曲撓度和介電性能，它的耐氧和耐臭氧性特別強。根據(jù)材料的不同，硅橡膠的工作溫度范圍為-60～200℃，可以短時工作在230℃，特別的類型可以工作在-90℃。

2 零件表面質(zhì)量

密封圈的密封性能與密封零件的表面綜合質(zhì)量有很大關(guān)系，特別是動密封，它的密封性能與零件的表面質(zhì)量有直接的關(guān)系［6］。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。

2.1 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，會發(fā)現(xiàn)零件表面纖維組織凸凹不平，就像山脈一樣，存在很多波峰和波谷。并不是零件表面越平坦密封性能就越好，零件表面纖維組織有過多和過大的波峰會使密封圈產(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，但并不會產(chǎn)生泄漏。理想的密封零件表面輪廓如圖1 所示。

每一種零件表面加工方法都會在零件表面產(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)運動的密封中，要避免產(chǎn)生明顯的軸向加工紋路;在旋轉(zhuǎn)密封中，要避免產(chǎn)生明顯的螺旋狀加工紋路。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1 理想的密封零件表面輪廓

2.2 磨合期對密封圈壽命的影響

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期內(nèi)具有很高的磨損率，這段時期叫做磨合期。在剛進入磨合期時，粗糙的零件表面會使密封圈產(chǎn)生過渡的磨損，零件表面硬度越高，對密封圈的磨損越快。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)渡過磨合期的時間，使密封系統(tǒng)盡早進入平衡狀態(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。

2.3 零件表面硬度

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，減小密封圈的動摩擦力。如果密封零件表面太軟，密封圈就會把零件表面磨壞。

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)一個高壓載荷施加在一個較軟的不銹鋼基體材料支撐的硬鉻鍍層密封表面時，鍍層可能會剝落或裂開，然后刮傷密封圈?；w材料的洛氏硬度最好能達到HR44 以上才能夠較好地支撐鍍層。

2.4 零件表面硬度和光潔度建議

中低壓情況時，建議零件表面洛氏硬度在HR44～48 之間，在高壓情況時，建議零件表面洛氏硬度在HR55～60 之間。

在動密封面，金屬或經(jīng)鍍硬鉻或硬質(zhì)陽極化處理的零件表面光潔度建議Ra=0.1～0.2 μm;經(jīng)過高溫燃氧噴涂(HVOF)的零件表面表面光潔度建議Ra≥0.1 μm。在靜密封面，零件與橡膠接觸的滑動表面光潔度建議Ra≤0.8 μm，安裝槽側(cè)壁表面光潔度建議Ra≤1.6 μm。

所有動密封面表面必須經(jīng)過精磨或超精加工。所有動密封和靜密封表面不能有裂紋、刮痕和毛刺。

3 密封安裝槽的設(shè)計

零件密封安裝槽的設(shè)計尺寸可以根據(jù)密封圈的壓合量、拉伸量要求，按照公式計算出來［7］。工程應(yīng)用中普遍采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的密封安裝槽設(shè)計尺寸，這方面可以參考的標(biāo)準(zhǔn)很多。國內(nèi)關(guān)于密封槽設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)比較少還不夠完善，國外在這方面標(biāo)準(zhǔn)很多，體系比較完善。文中主要介紹一些國外常用在密封槽設(shè)計方面的標(biāo)準(zhǔn)，以及它們所適用的場合。

AS4716 標(biāo)準(zhǔn)［8］是現(xiàn)在航空作動器領(lǐng)域使用最廣泛的密封槽設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，它的密封槽按照SAE AS568標(biāo)準(zhǔn)2 級公差下的O 型密封圈而設(shè)計的，包含了動密封和靜密封槽尺寸，在壓力超過10 MPa 時，需使用防擠出保護環(huán)，在壓力低于10 MPa 的情況下，不需要使用保護環(huán)。雖然這個標(biāo)準(zhǔn)是針對標(biāo)準(zhǔn)尺寸的O型圈設(shè)計的，但這種密封槽也可以用于其他彈性密封。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)的密封槽適用壓力范圍最高可達55 MPa。

AS5857 標(biāo)準(zhǔn)［9］密封槽適用于靜密封設(shè)計。這個標(biāo)準(zhǔn)的密封槽也是按照SAE AS568 標(biāo)準(zhǔn)2 級公差下的O 型密封圈而設(shè)計的，它的密封槽尺寸比AS4716 標(biāo)準(zhǔn)的密封槽對密封圈的擠壓更強，在低溫和低密封膨脹的情況下密封效果更好。推薦應(yīng)用在靜密封系統(tǒng)中。

AS4052 標(biāo)準(zhǔn)［10］主要用于起落裝置密封槽的設(shè)計，它包含起落裝置下端減震柱刮塵圈安裝槽的設(shè)計。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尺寸，以便于有彈簧支撐的PTFE 刮塵圈密封護套能夠安裝在內(nèi)。

AS4088［11］是航空作動器活塞桿刮塵圈槽的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。該標(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。

4 密封圈的安裝

密封圈的安裝也非常重要，安裝不得其法，前面所做的工作就可能功虧一簣。要使密封圈安裝得當(dāng)，首先在設(shè)計開始之前就考慮這些問題，而后使用恰當(dāng)?shù)陌惭b工具和方法以保證密封圈安裝時不被損壞，這樣密封圈才能起到應(yīng)有的密封效果。

4.1 設(shè)計時需考慮的問題

下面以液壓缸為例介紹一些能夠簡化密封圈安裝的液壓零件設(shè)計方法，這是一些通用的準(zhǔn)則，其他場合也適用。

如圖2、圖3 所示，在活塞腔或活塞桿端部設(shè)計導(dǎo)入倒角對密封圈的安裝很有幫助。應(yīng)為液壓缸的活塞腔或活塞桿設(shè)計一個長度不小于Zmin、角度為20°～25°的導(dǎo)入倒角，以便密封圈能夠柔和地裝入零件中。倒角開口與密封圈在自然狀態(tài)下應(yīng)該有間隙才能達到最佳的效果。AS4716 標(biāo)準(zhǔn)中建議倒角尺寸如表1 所示。

圖2 活塞腔密封圈安裝

表1 AS4716 建議的倒角尺寸

當(dāng)密封圈安裝時需要通過一個小孔時(工作時不經(jīng)過)，也需要設(shè)計一個長度不小于Zmin、角度為20°～25°的緩坡，如圖4 所示。

圖4 密封圈安裝需要通過小孔時

當(dāng)密封圈安裝需要穿過螺紋時，密封圈必須與螺紋或粗糙表面有間隙。這時也需要設(shè)計一個長度不小于Zmin、角度為20°～25°的導(dǎo)入倒角，使密封組件柔和地裝入如圖5 所示的活塞腔。

圖5 密封圈安裝需要穿過螺紋時

4.2 安裝方法

密封圈的安裝方法也應(yīng)該在設(shè)計之初就予以考慮，避免發(fā)生零件已經(jīng)加工完成、但密封圈卻裝不進去的情況。下面介紹一些通用的密封圈的安裝方法，這些方法適用于大部分種類的密封圈。

首先檢查密封圈的安裝通道，上面不能有裂紋、劃痕、毛刺或者任何尖邊等，以免安裝時損壞密封圈;安裝密封圈的工具不能有尖邊，最好使用塑料材料，例如迭爾林;在安裝PTFE 等較硬的組件時可以使用加熱方法，把它浸入90℃左右的油或者水中，使其軟化和擴張;在密封圈和零件表面使用潤滑劑可以減小密封圈安裝時的難度，在使用潤滑劑時，需要確認(rèn)密封組件與潤滑劑的兼容性;活塞密封在活塞裝入活塞腔之前進行冷凍有利于活塞的裝入，特別是在主閥上使用多重密封時優(yōu)勢更加明顯;當(dāng)密封安裝要經(jīng)過小孔時，孔邊應(yīng)倒圓并磨光。

盡量避免使用安裝時需要彎曲密封圈的安裝槽，如果必須彎曲密封圈，盡量使用分離式安裝槽;當(dāng)密封圈必須要拉伸或者壓縮以便能夠裝入安裝槽時，使用工具調(diào)整密封圈的大小。

5 結(jié)論

流體密封問題在工程領(lǐng)域和人們的日常生活中無處不在，但由于起密封作用的密封件只是機器和設(shè)備中的一個小部件，因此在工程技術(shù)界對其重要性的認(rèn)識尚不充分。另外，流體密封作為一門新興的工程技術(shù)學(xué)科，其體系還在不斷完善之中［12］。

文中對航空液壓密封設(shè)計中需要注意的幾個關(guān)鍵因素進行詳細(xì)的分析與說明，分別從密封材料選擇、零件表面質(zhì)量、密封安裝槽的設(shè)計和密封圈的安裝方法幾個方面進行了論述，為航空領(lǐng)域工程技術(shù)人員設(shè)計液壓密封提供了可行的參考。

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