民用飛機機身密封技術(shù)淺析

徐麗娜，李靈子，李子菲，秦鳳濤，王環(huán)

(中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司 科技與信息化部，沈陽　110179)

?

民用飛機機身密封技術(shù)淺析

徐麗娜，李靈子，李子菲，秦鳳濤，王環(huán)

(中航沈飛民用飛機有限責(zé)任公司 科技與信息化部，沈陽110179)

機身密封技術(shù)是影響飛機疲勞壽命、使用壽命、經(jīng)濟修理和安全性的一個關(guān)鍵因素，減少密封失效而引起機身腐蝕，提高飛機的密封能力是民用飛機制造發(fā)展的必然趨勢。介紹民用飛機機身密封的類型，分析密封劑的性能要求；結(jié)合機身密封工藝要求和結(jié)構(gòu)特點，給出密封操作方法的建議；分析密封失效的原因，給出典型結(jié)構(gòu)密封的失效修理方法，保證飛機使用安全性和壽命。

密封劑；機身密封；密封方法；密封失效；失效修理

0　引　言

隨著航空技術(shù)的發(fā)展，航空產(chǎn)品對氣密要求及售后維護、維修成本的要求越來越高，密封技術(shù)正逐漸在航空產(chǎn)品制造過程扮演越來越重要的角色。密封失效而產(chǎn)生的腐蝕會降低飛機結(jié)構(gòu)的剛度、強度以及使用壽命[1]，增加維修費用，甚至?xí)＜帮w機使用的安全性與可靠性，航空系統(tǒng)中因密封失效造成的故障占整機故障的40%，密封技術(shù)是影響飛機疲勞壽命、使用壽命、經(jīng)濟修理和安全性的一個關(guān)鍵因素[2-3]。

宋英紅[4]研究了關(guān)于國內(nèi)外航空聚硫密封劑的發(fā)展現(xiàn)狀；周廣洲[5]介紹了密封劑在修理過程中的應(yīng)用，并匯總分析了日常維護發(fā)現(xiàn)的問題。國內(nèi)結(jié)合密封劑性能、工藝要求和特點、密封失效原因分析于一體的研究較少，而國外相關(guān)資料也較少。

本文介紹民用飛機機身密封的類型、密封劑的性能，結(jié)合常用的密封工藝要求和結(jié)構(gòu)特點，分析各種密封形式適用的機身結(jié)構(gòu)以及對密封劑的選用要求，分析密封失效的原因，給出典型結(jié)構(gòu)密封的失效修理方法，以期為民用飛機機身密封設(shè)計及工藝的實施提供參考和借鑒。

1　機身密封的定義及類型

機身密封是采用合理的結(jié)構(gòu)形式，利用密封材料堵塞機身上的孔或縫等滲漏區(qū)域，阻止壓力的泄漏以及水氣或腐蝕介質(zhì)的滲入，從而達到機身氣密和防腐蝕的目的。按照密封面在飛機機身結(jié)構(gòu)上的位置，可分為貼合面密封、填角密封、注射密封、緊固件密封等形式[1,6]。

2　民用飛機機身用密封劑的性能要求

民用飛機機身密封劑必須具有良好的施工工藝性能和在使用環(huán)境下良好的機械物理性能，具有足夠的強度、良好的彈性和粘結(jié)性能，能夠承受機身壓力、溫度、振動、動態(tài)載荷及防止介質(zhì)的浸蝕作用，具備耐油、耐腐蝕、毒性小，不易燃、不易爆、易貯存，并能保證密封質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性。由于機身尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)密封形式要求密封劑的基料粘度、流淌性等性能與相應(yīng)的施工工藝相匹配。目前，機身中大量使用的密封劑是室溫硫化聚硫密封劑。密封劑要求具有較好的耐介質(zhì)、耐寒、耐老化和良好的粘結(jié)性，使用溫度范圍為-54～121 ℃，民用飛機機身密封劑的物理性能要求如表1所示。

表1　密封劑的性能

密封劑按照包裝通常分為散裝、支裝和預(yù)混合冷凍裝三種類型。通常情況下優(yōu)先選擇支裝密封劑，支裝密封劑的基料和固化劑按比例在膠桶中已隔離配好，使用時僅需推動尾蓋將固化劑注入基料中混合即可使用，使用方便且混合時不易產(chǎn)生氣泡。

3　機身密封的工藝要求及密封方法

密封劑的施工方法很多，機身密封常用的方法有貼合面密封、填角密封、注射密封和緊固件密封等。結(jié)合密封劑的性能特點，針對民用飛機機身不同的結(jié)構(gòu)形式，介紹相應(yīng)的密封工藝要求及密封方法。

3.1貼合面密封

貼合面密封是在兩個貼合表面之間形成一層密封劑膜，在不同的材料之間形成一層隔離，防泄漏和防電偶腐蝕，在移動的兩個零件之間作為減震器來減少摩擦腐蝕，并防止環(huán)境的侵蝕，如圖1所示。與機身蒙皮連接的長桁和框、蒙皮搭接和對接點、連接片、臨近門窗的加強件、壓力隔框等部位均需進行貼合面密封。貼合面密封膠層厚度為0.005 in，有時考慮到部件夾緊力的原因厚度可能為0.010～0.030 in，避免密封劑涂得太厚或過多次刷涂。由于機身的尺寸大，裝配時間較長，通常均采用具有足夠活性期、高粘附力的B或C類密封劑，其硫化速率足夠慢，保證在施工期內(nèi)完成所有的緊固件安裝[6-7]。

圖1　貼合面密封Fig.1　Faying surface sealing

貼合面密封一般用滾刷沾適量密封劑后涂刷到貼合面上，該類密封方法涂刷后密封劑層薄厚不均勻，將密封劑按如圖1所示分布在貼合面上，然后再用滾刷涂刷均勻，涂刷均勻且覆蓋整個表面，減少密封劑的浪費，提高了密封質(zhì)量。

3.2填角密封

填角密封是沿著結(jié)構(gòu)承壓面或暴露于大氣中表面的接縫涂敷，密封劑條作為密封墻，以防止氣體或液體從連接處通過(如圖2所示)。飛機外部蒙皮對接與搭接、壓力艙水線以下框、長桁與蒙皮連接、壓力艙等部位需進行填角密封。填角密封表面應(yīng)平滑，無氣泡，飛機外表面的填角密封應(yīng)符合工程氣動力的齊平度和平面度要求。機身的填角密封的密封劑用量特別大，通常采用B類聚硫密封劑進行填角密封，該類密封劑的突出特點是低密度，同時也具備優(yōu)良的耐油性、耐高溫性和粘結(jié)性能等特點，該類密封劑能夠有效地降低飛機的重量[4]。

圖2　填角密封Fig.2　Fillet sealing

填角密封后表面光滑度較差，例如在整形工具沾異丙醇和蒸餾水或二者的混合物后進行整形，表面光滑且能無氣孔，特別是外機外表面氣動外形和表面要求高的位置，建議采用該種方法，如圖2所示。

3.3注射密封

注射密封用于填充空隙和溝槽，空隙和溝槽是液體和碎片集中的潛在危險區(qū)。注射密封用于填充有下陷結(jié)構(gòu)中的空隙或者填角密封中的間斷，上述空隙和間斷都是潛在的泄漏途徑。注膠時把孔一端堵住并且應(yīng)從孔的一個方向而不要從兩端分別注膠，以防密封劑流出，同時不要把注膠槍內(nèi)的膠全部用完，從而可以防止膠內(nèi)形成氣泡。當(dāng)縫隙注膠時，使用膠注滿縫隙的底部和側(cè)面所有接觸面，如圖3所示。注射密封通常采用低密度的B類聚硫密封劑。

圖3　注射密封Fig.3　Injection sealing

注射密封若處在半封閉等不開放部位，通用的膠嘴難以接觸到密封位置，建議將膠嘴加熱后制成特殊形狀，或?qū)⒛z嘴前端用專用膠帶紙加長，如圖3所示。

3.4緊固件密封

緊固件密封是為了防止氣體和液體通過緊固件泄漏造成安全隱患而用密封劑涂敷緊固件或安裝孔的密封方法，其主要目的是保壓和防腐。緊固件密封的主要方法包括緊固件濕安裝和緊固件的刷涂密封。

①緊固件的濕安裝主要包括緊固件頭下或孔口端面或埋頭窩中涂密封劑和在緊固件桿上涂密封劑兩種類型。

②緊固件的刷涂密封主要應(yīng)用于穿過氣密或液密結(jié)構(gòu)的緊固件，刷涂密封完全覆于緊固件的頭部或末端，并要覆蓋臨近結(jié)構(gòu)面0.15～0.25 in，緊固件周圍密封劑厚度應(yīng)為0.15～0.25 in[8]。緊固件密封通常采用低密度的B類聚硫密封劑。

緊固件密封中有兩種密封操作難度大，分別是托板螺母和高鎖螺栓的密封。

①托板螺母密封要求鉚釘處進行密封，但托板螺母的尺寸較小，涂敷空間狹小，同時通過零件及螺栓穿過的托板螺母孔不能攜帶阻塞密封劑，確保密封劑沒有明顯的減少連接處的游動阻力。由于每次涂敷的密封劑量較少，采用針管定量注射密封劑的方法既能控制膠的涂覆量，又能保證其涂敷位置準(zhǔn)確無誤，達到密封要求且沒有減少連接處的游動阻力，減少了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，如圖4所示。

圖4　托板螺母密封Fig.4　Plate Nut Sealing

②高鎖螺栓安裝后外形比較復(fù)雜，密封劑的粘度很高(9 000～18 000泊)，常規(guī)的整形工具造型困難，采用特制的整形帽進行整形，整形帽根據(jù)高鎖螺栓尺寸外型制成不同尺寸類型的空心內(nèi)圓柱，圓柱頂端采用半圓拱形，整形時沿著高鎖軸心方向上下移動擠壓密封劑，密封劑壓實底面后做向上螺旋運動，直至成型接近結(jié)束時快速移除整形帽并切斷密封膠絲，如圖5所示。采用該種密封帽后，密封質(zhì)量和操作效率大幅提高，有效地降低了密封劑浪費率和工人的勞動強度。

圖5　高鎖螺栓密封Fig.5　Hi-lock sealing

4　密封失效原因

飛機因密封失效導(dǎo)致結(jié)構(gòu)腐蝕引起的故障占整機故障40%以上，密封問題一直是嚴重影響飛機安全性、可靠性與低成本維護的主要因素。密封失效主要類型包括密封不均勻、不完整、漏涂，貼合面密封劑擠出量不均勻，密封位置壓傷變形、刺穿、磨脫、剝落，密封位置存在孔隙、氣泡等，其中密封劑結(jié)合力不好、密封劑固化時間過長是密封失效中原因最復(fù)雜的兩類，下文從密封膠的存儲、混合、涂敷、固化等各種因素分析密封失效的原因。

4.1密封劑結(jié)合力不好

密封劑存儲時超過有效期、存儲的溫濕度超過規(guī)定要求、密封劑混合不均勻、固化的溫濕度超過規(guī)定要求是密封劑結(jié)合力不好常見的原因。

但混合時用沾染硅的容器、密封表面上沾染含硅、PTFE異丙醇等物質(zhì)、復(fù)合材料、面漆、防腐劑表面未進行表面活化或活化時利用含有硅的氧化鋁砂紙打磨、未在使用期內(nèi)操作/涂覆、貼合面密封未在擠出壽命內(nèi)完成緊固件的安裝或夾緊、清洗后蒸發(fā)前未立即用干布擦除表面溶劑是操作過程中最不易發(fā)現(xiàn)的原因。

4.2密封劑固化時間過長

密封劑超過有效期限、固化劑未攪拌均勻、固化劑配比重量比規(guī)定的少、溫度和濕度過低均可引起密封劑固化時間過長。

5　典型機身結(jié)構(gòu)密封失效修理

機身結(jié)構(gòu)裝配后需進行氣密試驗，例如淋雨試驗中存在泄漏等問題。機身結(jié)構(gòu)密封失效可以采用以下的修理方法，以保證密封滿足飛機規(guī)定的壓力要求，減少壓力艙失壓和結(jié)構(gòu)腐蝕的風(fēng)險。

5.1貼合面密封

進行貼合面密封返修前，必須拆除緊固件和其他的機械緊固裝置。在撬起貼合面密封的零件之前，使用加熱毯來軟化貼合面密封劑。加熱前必須確定材料的最大溫度，并且該溫度不會損傷被分離的零件，設(shè)定溫度控制器的溫度，且升溫速率為5F/min，允許零件在最大允許溫度下保溫20～40 min。加熱貼合面密封劑可減少分離零件所需要的力，最多減少為85%。去除加熱毯后，立即使用木制或塑料的楔子敲擊或輕輕撬動，使構(gòu)件分離，小心防止損傷零件。在零件分離后，使用密封劑去除工具和蘸濕的擦布和/或刷子去除所有殘留的密封劑。目視檢查零件是否有工具痕、劃傷、分層或其他損傷，若無損傷，重新進行貼合面密封。

5.2填角密封

對于尺寸不夠的填角密封劑表面應(yīng)進行清洗，補涂密封劑并重新整形并與舊密封劑均勻過渡。

局部密封不良的部位，如果密封層粘結(jié)良好，可以只進行切割清除，然后補涂密封劑，并將其與原密封劑搭接處加以整形；如果密封劑層粘附不好，則用鋒利的塑料或硬木工具清除密封不良的密封劑，直到露出結(jié)構(gòu)金屬表面，兩端的密封劑應(yīng)切成斜面，清洗，補涂密封劑使新舊密封劑連續(xù)搭接、整形光滑，避免截面突然改變。

5.3注射排漏

當(dāng)結(jié)合零件的剩余強度較大，漏源清楚并且集中部位較少時，可采用注射排漏法，首先在滲漏部位鉆孔，清洗孔后向孔內(nèi)注射密封劑。

5.4鉚接滲漏

拆除現(xiàn)有緊固件重新沾膠進行鉚接。漏氣的鉚縫，可用采用混合密封法使用密封劑從座艙里面或外面進行補充密封。局部密封失效造成重新密封的返工量特別大時，可采取混合密封的辦法以減少返修工作量[8]。

6　結(jié)束語

(1) 本文結(jié)合民用飛機機身密封的類型、密封膠的類型，機身密封的工藝要求及特點、密封失效問題的原因及其典型機身結(jié)構(gòu)密封失效修理方法等，解析了飛機機身密封技術(shù)，為后續(xù)的操作及實施積累部分經(jīng)驗。

(2) 目前的密封操作均以手工涂覆為主，質(zhì)量不穩(wěn)定因素不可控。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，密封技術(shù)作為民用飛機重要的工藝連接方式，深入研究密封技術(shù)、提高密封工藝的自動化程度、確保質(zhì)量穩(wěn)定性必將成為后續(xù)發(fā)展和研究的主要方向。

[1] 王哲. 飛機結(jié)構(gòu)密封與失效修理[J]. 民用飛機設(shè)計與研究， 2014(3): 73-76.

Wang Zhe. How to solve problem of seal for aircraft structure maintenance[J]. Civil Aircraft Design and Research， 2014(3): 73-76.(in Chinese)

[2] 曹壽德. 航空密封劑發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 材料工程， 1997(1)： 46-48.

Cao Shoude. Development status and trend of aircraft sealant[J]. Materials Engineering， 1997(1)： 46-48.(in Chinese)

[3] 陳群志， 楊蕊琴， 房振乾, 等. 飛機密封防水新技術(shù)研究[J]. 裝備環(huán)境工程， 2010, 7(2): 71-74.

Chen Qunzhi， Yang Ruiqin， Fang Zhenqian, et al. Study on new waterproof seal technique for aircraft[J]. Equipment Environmental Engineering， 2010, 7(2): 71-74.(in Chinese)

[4] 宋英紅， 楊亞飛， 吳松華. 航空聚硫密封劑的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J]. 中國膠粘劑， 2013， 22(2)： 49-52.

Song Yinghong， Yang Yafei， Wu Songhua. Development situation analysis of aircraft polysulfide sealant[J]. China Adhesives， 2013， 22(2)： 49-52.(in Chinese)

[5] 周廣洲. 密封膠在波音民用飛機上的應(yīng)用[J]. 民用飛機設(shè)計與研究, 2013(4): 75-78.

Zhou Guangzhou. Application of sealant in boeing civil aircraft[J]. Civil Aircraft Design and Research, 2013(4): 75-78.(in Chinese)

[6] 彭杰， 奚青偉. 密封工藝在飛機領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 經(jīng)濟技術(shù)協(xié)作信息, 2010(29): 112-112.

Peng Jie, Xi Qingwei. Application of sealing technology in aircraft field[J]. Economic and technical cooperation information, 2010(29): 112-112.(in Chinese)

[7] 于新華， 柳華. 飛機用聚硫密封膠和密封方法[J]. 民航科技， 2004(6): 50-60.

Yu Xinhua， Liu Hua. Poly sulfur sealant for aircraft and sealing method[J]. Civil Aviation Science & Technology， 2004(6): 50-60.(in Chinese)

[8] 林更元， 方守鐘， 孫育楓， 等. 航空制造工程手冊——飛機裝配[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社， 1993.

Lin Gengyuan， Fang Shouzhong， Sun Yufeng， et al. Aeronautical manufacturing engineering handbook-Aircraft assembly[M]. Beijing： Aviation Industry Press， 1993.(in Chinese)

(編輯：趙毓梅)

Brief Analysis of Commercial Aircraft Fuselage Seal Technology

Xu Lina, Li Lingzi, Li Zifei, Qin Fengtao, Wang Huan

(Science and Information Department, AVIC SAC Commercial Aircraft Company Ltd.，Shenyang 110179, China)

Fuselage sealing technology is a key factor affecting the fatigue life of aircraft, the use of economic life, repair and safety, reducing the sealing failure caused by corrosion of the body and improving the sealing ability of civil aircraft fuselage is the inevitable trend of the development of civil aircraft manufacturing. Commercial aircraft fuselage sealing types, property of sealant are analyzed. According to the sealing process requirements and structural features, the proposals of sealant application method are presented. The casual of sealing failure are introduced and conclude with failure rework method for typical structure sealing to ensure the safety and service life of aircraft.

sealant; fuselage sealing; sealing method; sealing failure; failure rework

2016-05-03；

2016-07-06

徐麗娜,xu.lina@sacc.com.cn

1674-8190(2016)03-382-05

V262

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.03.018

徐麗娜(1982-)，女，工程師。主要研究方向：飛機裝配技術(shù)及智能機器人飛機密封技術(shù)。

李靈子(1986-)，男，工程師。主要研究方向：飛機裝配技術(shù)。

李子菲(1984-)，女，碩士，工程師。主要研究方向：飛機裝配技術(shù)。

秦鳳濤(1985-)，男，工程師。主要研究方向：飛機裝配技術(shù)及測量技術(shù)。

王環(huán)(1982-)，男，工程師。主要研究方向：飛機制造。