基于多案例分析的飛機結(jié)構(gòu)密封設(shè)計研究

孫 敏，何 飛，丁才華，李韶晶

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

密封技術(shù)是飛機制造過程中廣泛采用的一項技術(shù)，許多結(jié)構(gòu)和零部件都涉及密封的問題。飛機是一個由數(shù)以萬計的零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，各零部件連接界面不可避免地會存在縫隙。另外，為了安裝和維修各種機載設(shè)備，飛機機體上開設(shè)了許多大小不等、形狀各異的窗口或口蓋。如果這些縫隙、窗口或口蓋沒有良好的密封，就會成為進(jìn)水的重要通道。

飛機密封是飛機腐蝕防護(hù)與控制的一個及其重要的組成部分，是影響疲勞壽命、經(jīng)濟修理和安全性的一個關(guān)鍵因素。飛機密封技術(shù)不當(dāng)或密封失效后會導(dǎo)致服役環(huán)境中含有腐蝕性介質(zhì)的潮濕空氣或雨水滲入飛機內(nèi)部，這些腐蝕介質(zhì)長期積聚在飛機內(nèi)部，危害極大。由此可見，開展飛機密封技術(shù)研究，采取有效措施防止或顯著地減少侵蝕性，對于降低機載設(shè)備故障發(fā)生率，減輕飛機結(jié)構(gòu)腐蝕，提高飛機使用安全性和壽命具有重要意義。

本文從飛機密封的原則和功能、典型密封形式及其密封工藝、多案例分析及結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點等三個方面展開論述。

1 密封的原則和功能

密封的原則：嚴(yán)格密封，使內(nèi)部可能存在的水和其他介質(zhì)均擁有自己的通道，防止它們到處流淌從而腐蝕內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

密封的功能主要有三個：一是密封功能（氣、油、水），通過座艙壓力密封、油箱密封、防止冷凝水或其它液體滲透（結(jié)合面或縫隙）實現(xiàn)密封；二是防腐蝕功能，防止易受疲勞件和振動組件中的摩擦腐蝕，防止電化學(xué)腐蝕，防止緊固件埋頭窩腐蝕，防止金屬間連接腐蝕；三是膠接裝配，彈性材料的密封連接，隔離保證等。

2 典型密封形式及其密封工藝

典型密封形式及其密封工藝主要分為飛機結(jié)構(gòu)密封和緊固件密封安裝，具體分類見圖1。

圖1 典型密封形式及其密封工藝

3 多案例分析及結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點

通過對多種飛機的案例分析，得出腐蝕防護(hù)要求高的飛機長桁與蒙皮之間、剪切角材與蒙皮之間、蒙皮縱向搭接區(qū)域、蒙皮對接區(qū)域、油箱密封區(qū)域、天線安裝區(qū)域、電搭接結(jié)構(gòu)區(qū)域、襯套密封區(qū)域等典型結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點。

3.1 長桁與蒙皮之間

飛機案例分析：

桁條與蒙皮之間的結(jié)合面沒有密封，容易滯存水分，導(dǎo)致蒙皮腐蝕。

結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點：

長桁與蒙皮之間搭接面密封；長桁排水孔處填角密封應(yīng)保持排水通道暢通。

長桁與蒙皮密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖如圖2所示。

圖2 長桁與蒙皮密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖

3.2 剪切角材與蒙皮之間

飛機案例分析：

波音737機身某剪切角片和蒙皮之間僅采用填角密封，接合面沒有涂密封劑濕安裝密封。填角密封不當(dāng)以阻止?jié)駳饨虢雍厦?，?dǎo)致腐蝕。

結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點：

剪切角片和蒙皮之間接合面涂密封劑濕安裝密封并進(jìn)行填角密封，連接剪切角片和蒙皮的非鋁合金緊固件采用涂密封劑濕安裝。

剪切角材與蒙皮密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖如圖3所示。

圖3 剪切角材與蒙皮密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖

3.3 蒙皮縱向搭接區(qū)域

飛機案例分析：

1988年4月28日，美國阿洛哈航空公司的一架波音737-200客機因機身蒙皮搭接區(qū)域密封有限，搭接縫處開膠、產(chǎn)生腐蝕和疲勞裂紋，在夏威夷上空機身突然破壞，前艙上部大片結(jié)構(gòu)飛掉。

結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點：

蒙皮縱向搭接區(qū)域采用密封劑密封處理。

蒙皮縱向搭接區(qū)域密封不當(dāng)引起的后果及改進(jìn)后示意圖如圖4所示。

圖4 蒙皮縱向搭接區(qū)域密封不當(dāng)引起的后果及改進(jìn)后示意圖

3.4 蒙皮對接區(qū)域

飛機案例分析：

波音737飛機無密封或僅填角密封的連接板和搭接帶以及貨艙底部桁條連接接頭，使得潮氣浸入對接/搭接區(qū)域?qū)е赂g；桁條連接接頭和蒙皮之間間隙不足，使得污物堵塞排水通道。

結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點：

蒙皮對接板與蒙皮接合面之間采用密封劑濕安裝密封并進(jìn)行填角密封；連接蒙皮對接板與蒙皮的非鋁合金緊固件采用密封劑濕安裝；前后蒙皮之間的對接縫采用密封劑密封。

蒙皮對接區(qū)域密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖如圖5所示。

圖5 蒙皮對接區(qū)域密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖

3.5 油箱密封區(qū)域

飛機案例分析：

某飛機機身整體油箱內(nèi)未封包的鋼制鉚釘在油箱水洗后出現(xiàn)不同程度的腐蝕，部分鉚釘釘頭和墩頭出現(xiàn)紅色腐蝕產(chǎn)物，部分為白色粉末狀產(chǎn)物。

當(dāng)油箱內(nèi)鋼制鉚釘蘸XM-22B膠濕鉚接，釘頭、墩頭采用XM-22B膠封閉，并采用HM501膠防護(hù)。水洗后，相同區(qū)域的鋼制鉚釘釘頭、釘桿及墩頭仍有金屬光澤，未發(fā)現(xiàn)腐蝕跡象。

結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點：

實驗報告是檢驗病理教學(xué)效果的重要手段，學(xué)生通過書寫整理實驗報告，有利于對知識點進(jìn)行歸納總結(jié)，強化鞏固，也可以把理論和實驗進(jìn)一步聯(lián)系起來，更好的掌握知識和技能，同時為今后的科學(xué)研究和臨床應(yīng)用打下基礎(chǔ)；教師通過批改實驗報告了解教學(xué)效果、發(fā)現(xiàn)問題并及時與學(xué)生反饋和溝通。

油箱結(jié)構(gòu)的鉚釘用密封膠進(jìn)行濕鉚接和釘頭、墩頭封包處理。

某機身油箱內(nèi)鉚釘密封不當(dāng)及處理后示意圖見圖6。

圖6 某機身油箱內(nèi)鉚釘密封不當(dāng)及處理后示意圖

3.6 天線安裝區(qū)域

飛機案例分析：

美國H-60直升機刀型天線與機體連接處為密封防護(hù)措施不當(dāng)，濕氣和腐蝕介質(zhì)進(jìn)入安裝界面，導(dǎo)致機體結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重。

結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點：

蒙皮和天線搭接面采用緩蝕劑密封；托板螺帽密封膠濕安裝；天線底座周圍用密封膠進(jìn)行填角密封；耐蝕鋼天線安裝緊固件涂緩蝕劑安裝。

天線安裝區(qū)域密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖如圖7所示。

圖7 天線安裝區(qū)域密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖

3.7 電搭接結(jié)構(gòu)區(qū)域

飛機案例分析：

結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點：

搭接及緊固件的材料應(yīng)與構(gòu)件材料電相容；搭接位置要便于檢修，避免受雨水、鹽霧、濕氣等浸蝕，且要避免在重要和關(guān)鍵零件及構(gòu)件高應(yīng)力區(qū)安裝搭接。否則，可增設(shè)過渡接頭或設(shè)置腐蝕余量或搭接部位全密封。

電搭接結(jié)構(gòu)區(qū)域密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖如圖8所示。

3.8 襯套密封區(qū)域

飛機案例分析：

某飛機襯套安裝過程中，沒有采用防腐蝕密封膠進(jìn)行貼合面密封。電解液容易積聚在固定座安裝孔內(nèi)壁與襯套之間貼合面。固定座安裝孔內(nèi)壁與襯套之間貼合面邊緣：穩(wěn)定梁固定座屬于高載荷接頭，沒有采用防腐蝕密封膠對固定座表面與襯套翻邊之間貼合面邊緣進(jìn)行填角密封。

圖8 天線安裝區(qū)域密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖

結(jié)構(gòu)密封設(shè)計要點：

固定座安裝空內(nèi)壁與襯套之間貼合面：貼合面密封；固定座表面與襯套翻邊之間貼合面邊緣。固定座表面與襯套翻邊之間貼合面邊緣：填角密封。

襯套密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖如圖9所示。

圖9 襯套密封不當(dāng)引起的腐蝕及改進(jìn)后示意圖

3.9 其他典型結(jié)構(gòu)防腐蝕密封設(shè)計

防腐蝕密封設(shè)計的典型結(jié)構(gòu)主要分為蒙皮對接/搭接件、可拆卸壁板、油箱口蓋、工藝分離面、膠接結(jié)構(gòu)、隔熱結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)、電搭接結(jié)構(gòu)，如圖10所示。除以上案例分析，其他典型結(jié)構(gòu)[1]（可拆卸壁板、工藝分離面、膠接結(jié)構(gòu)、隔熱結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)）防腐蝕的密封設(shè)計要點如圖11所示。

圖10 防腐蝕密封設(shè)計的典型結(jié)構(gòu)

圖11 其他典型結(jié)構(gòu)密封設(shè)計

4 結(jié)論

本文從密封設(shè)計角度分析了飛機不同結(jié)構(gòu)部位腐蝕的常見原因，并提出了解決措施：

1）長桁與蒙皮之間搭接、蒙皮縱向搭接、前后蒙皮之間的對接縫采用密封劑密封；角片、對接板和蒙皮之間接合面涂密封劑濕安裝密封并進(jìn)行填角密封；長桁排水孔處填角密封應(yīng)保持排水通道暢通；非鋁合金緊固件采用涂密封劑濕安裝。

2）海洋環(huán)境下飛機上大量使用的螺栓、高鎖螺栓、拖板螺母、螺釘?shù)染o固件裝配原則上應(yīng)采用濕裝配，濕裝配材料根據(jù)具體需要可選用底漆、密封劑、潤滑脂或緩蝕劑；不宜濕裝配的緊固件可進(jìn)行必要的端頭封包處理；油箱結(jié)構(gòu)需采用耐燃油的密封劑進(jìn)行可靠密封。

3）蒙皮和天線搭接面采用緩蝕劑密封；托板螺帽密封膠濕安裝；天線底座周圍用密封膠進(jìn)行填角密封；耐蝕鋼天線安裝緊固件涂緩蝕劑安裝。

4）搭接及緊固件的材料應(yīng)與構(gòu)件材料電相容；搭接位置要便于檢修，且要避免在重要和關(guān)鍵零件及構(gòu)件高應(yīng)力區(qū)安裝搭接。

5）固定座安裝空內(nèi)壁與襯套之間貼合面密封；固定座表面與襯套翻邊之間貼合面填角密封。

研究結(jié)論可為飛機密封設(shè)計提供理論參考，其中部分設(shè)計方法已在多型飛機腐蝕防護(hù)與控制上實施，同時，亦可供相關(guān)人員設(shè)計新型飛機提供參考。