機(jī)載設(shè)備殼體密封設(shè)計(jì)

孫 巖

（太原航空儀表有限公司，山西 太原 030006）

引言

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，機(jī)載設(shè)備集成化程度日趨提升，且電子類機(jī)載設(shè)備的功能越來(lái)越多。同時(shí)，隨著各個(gè)機(jī)型的相繼服役，機(jī)載設(shè)備服役環(huán)境也越來(lái)越廣，其中尤以具有高溫高濕高鹽，并且大氣中極具腐蝕性的海洋氣候環(huán)境為最。因此，為滿足機(jī)載設(shè)備的性能要求，解決濕熱、鹽霧、真菌等環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題，殼體密封設(shè)計(jì)是最有效的途徑之一。同時(shí)，密封設(shè)計(jì)只是機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其中一方面，還需考慮其應(yīng)兼顧設(shè)備電磁兼容性及散熱等方面設(shè)計(jì)。

本文主要介紹了機(jī)載設(shè)備殼體密封設(shè)計(jì)的思路、密封材料選擇及一些典型的密封結(jié)構(gòu)。

1 密封設(shè)計(jì)思路與原則

1.1 思路

在密封設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先應(yīng)對(duì)設(shè)備材料是否滿足環(huán)境適應(yīng)性要求進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)對(duì)設(shè)備殼體進(jìn)行防護(hù)層涂覆。若上述兩項(xiàng)措施已滿足設(shè)備設(shè)計(jì)要求，則無(wú)須再進(jìn)行額外密封設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)機(jī)載設(shè)備的所有零部件均進(jìn)行抗腐蝕設(shè)計(jì)會(huì)大大增加制造成本，且工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難保證所有零部件均滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，尤其針對(duì)海洋氣候環(huán)境，因此，對(duì)相應(yīng)電子設(shè)備的密封設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮[1]。

1.2 原則

在密封設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)綜合考慮設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性及其他性能要求，并在方便維修、降低成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)原則如下：

1）密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不應(yīng)過(guò)于復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在不對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)本身提出過(guò)分要求的基礎(chǔ)上，用最低成本、最易維修的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)密封要求。

2）密封材料應(yīng)具有優(yōu)良的“三防”（防真菌、防潮濕、防鹽霧）性能。設(shè)備的密封質(zhì)量與所選的密封材料直接相關(guān)，密封材料的選擇直接影響到設(shè)備的可靠性。

3）密封設(shè)計(jì)應(yīng)考慮到溫度變化引起的設(shè)備內(nèi)外壓力差，并對(duì)此作出針對(duì)性設(shè)計(jì)。

2 密封材料選擇

隨著材料科學(xué)的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新型的密封材料，選擇適宜的密封材料是密封設(shè)計(jì)的第一步。依據(jù)密封材料的物態(tài)特征，可將其分為固體密封材料和液體密封材料兩大類。

2.1 固體密封材料

橡膠是機(jī)載設(shè)備中最常見(jiàn)的密封材料之一[2]，可以將其制成條狀、帶狀、片狀，適用于不同結(jié)構(gòu)形式的密封。橡膠具有彈性高、相對(duì)體積質(zhì)量低等特性，若對(duì)其加以改性，還可具備耐油、耐腐蝕等性能。此外，在電子類機(jī)載設(shè)備中，導(dǎo)電橡膠類制品具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。導(dǎo)電橡膠是通過(guò)特殊工藝制成的，可同時(shí)滿足機(jī)載設(shè)備電磁屏蔽和環(huán)境密封的要求。

橡膠的物理、機(jī)械性能與一般的結(jié)構(gòu)材料差別很大，其壓縮彈性模量與體積彈性模量存在較大差異，其中壓縮彈性模量?jī)H為3～8 MPa，而體積彈性模量高達(dá)220 MPa。因此，在將橡膠作為密封材料時(shí)，密封結(jié)構(gòu)要充分考慮橡膠在其他方向上的形變。橡膠的密封主要是利用凸出部分與殼體間的壓力而達(dá)到密封效果，密封效果主要在于橡膠變形量的大小。實(shí)踐證明，當(dāng)橡膠變形量在25%～30%時(shí)，密封效果最佳。橡膠種類較多，針對(duì)航空類機(jī)載設(shè)備，一般情況下多選用“三防”性能及耐候性能良好的硅橡膠、硅氟橡膠等。

2.2 液體密封材料

液態(tài)密封劑是以高分子化合物為基體的黏稠狀物質(zhì)，可作用于各種結(jié)合面，形成穩(wěn)定、均勻、連續(xù)的薄膜，并且能充分填充到結(jié)合面的縫隙當(dāng)中。其氣密性能良好，能有效防止?jié)駳膺M(jìn)入縫隙。有些密封劑具有耐油、耐水、耐溶劑，耐熱、臭氧和大氣老化，耐紫外光、低溫，屈撓性好，能在寬廣的溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用等綜合性能[3]。

密封劑根據(jù)使用狀態(tài)，一般可分為硫化型和非硫化型密封劑；根據(jù)化學(xué)成分，可分為聚硫密封劑、硅密封劑、氟硅密封劑、聚氨酯密封劑、環(huán)氧樹(shù)脂密封劑等。液態(tài)密封劑不同于固體密封材料，其不存在因壓縮變形而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，沒(méi)有松弛和蠕變，是一種常用的密封材料。

使用液態(tài)密封劑時(shí)，應(yīng)注意使變形有利于結(jié)構(gòu)密封或密封結(jié)構(gòu)在載荷作用下引起的相對(duì)變形量應(yīng)較小；密封連接部位應(yīng)最好有相近的剛度，使結(jié)構(gòu)間的相對(duì)變形減小。

產(chǎn)品在進(jìn)行密封設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，參考設(shè)備的使用環(huán)境和結(jié)構(gòu)安裝形式進(jìn)行綜合考慮，選擇適宜的密封材料。

3 典型密封結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有機(jī)載設(shè)備殼體設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)功能性能、“五性”（可靠性、維修性、安全性、測(cè)試性和保障性）和電磁兼容性能為主，但對(duì)于使用環(huán)境惡劣的設(shè)備，還要考慮殼體的密封設(shè)計(jì)。對(duì)殼體進(jìn)行有效的密封設(shè)計(jì)，即將殼體內(nèi)的零部件、電子元器件與外界環(huán)境隔離，阻止?jié)駳夂望}霧等進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部腐蝕元件。

密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是利用密封原理將密封材料填充到經(jīng)常需要拆卸或永久密封的接縫中。殼體密封設(shè)計(jì)一般包括殼體搭接處的密封、緊固件區(qū)域及電連接器等穿透類元件部位的密封，一些電子設(shè)備殼體在滿足水氣密封的同時(shí)還要求電磁屏蔽密封。

3.1 殼體搭接密封設(shè)計(jì)

殼體搭接處的密封結(jié)構(gòu)形式多種多樣，以同時(shí)滿足水氣密封和電磁密封為前提，其中，若只使用了導(dǎo)電橡膠在殼體接縫處進(jìn)行密封，當(dāng)水氣從殼體縫隙侵入時(shí)，由于導(dǎo)電橡膠圈中摻雜銀粉或鋁鍍銀粉，機(jī)載電子設(shè)備殼體一般同樣使用鋁合金，容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致殼體被腐蝕，使得設(shè)備水氣密封和電磁屏蔽失效。在環(huán)境惡劣的海洋環(huán)境下，不推薦使用該種密封方式。正確方法是在外界大氣與鋁鍍銀導(dǎo)電橡膠條間再加入一層防水設(shè)計(jì)。方法之一為在導(dǎo)電密封橡膠圈外使用密封劑，該種密封方式應(yīng)注意密封結(jié)構(gòu)間尺寸應(yīng)恰當(dāng)，密封劑填充應(yīng)留有足夠的厚度余量，盡量采用工具施工，以提高密封的可靠性；方法之二是直接采用復(fù)合導(dǎo)電橡膠墊，該種橡膠墊由硅橡膠和導(dǎo)電橡膠復(fù)合形成，具備結(jié)構(gòu)緊湊、壓縮性好和裝配性好的工程優(yōu)勢(shì)，其密封機(jī)理是外側(cè)硅橡膠層起水氣密封作用，內(nèi)側(cè)導(dǎo)電橡膠層實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽功能。以上兩種方式在機(jī)載電子類設(shè)備設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用。

3.2 緊固件密封設(shè)計(jì)

當(dāng)機(jī)載設(shè)備殼體不可避免地在頂部設(shè)置緊固件時(shí)，冷凝水特別是從上部滴落的液體，有可能從緊固件孔侵入設(shè)備內(nèi)部，且緊固件安裝時(shí)易損傷孔的表面處理，使得螺釘孔本身特別容易受到腐蝕，增加緊固件位置處的滲漏。另外，緊固件配合部位，尤其電搭接部位常常為多種金屬接觸，當(dāng)有電解液存在時(shí)容易發(fā)生腐蝕，因此這些部位的緊固件非常有必要進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。

緊固件的密封一股采用聚硫密封劑進(jìn)行濕安裝，或者端頭封包。對(duì)于干涉配合的埋頭緊固件，裝配之前在緊固件頭部下涂密封劑，或用密封劑覆蓋整個(gè)埋頭窩；對(duì)于干涉配合的凸頭緊固件，在緊固件的頭部下涂密封劑，或在孔周圍的結(jié)構(gòu)件表面涂密封劑，確保緊固件頭部和殼體結(jié)構(gòu)之間擠出的密封劑連續(xù)。對(duì)于間隙配合類的緊固件，如果是埋頭緊固件，沿緊固件周圍被均勻擠出的密封劑應(yīng)與緊固件頭部或者結(jié)構(gòu)表面平齊；凸頭類的緊固件，沿緊固件周圍被均勻擠壓出來(lái)的密封劑不得超過(guò)緊固件頭部高度的1/2。

可拆卸緊固件密封安裝時(shí)，可采用膩?zhàn)踊驖?rùn)滑脂代替聚硫密封劑，涂于連接孔內(nèi)或螺栓、螺釘桿部，然后擰入孔內(nèi)。

緊固件端頭封包采取刷涂或包覆形式，以便完全覆蓋整個(gè)緊固件連接處，形成一套完整覆蓋層。

3.3 電連接器密封設(shè)計(jì)

穿透設(shè)備殼體的電連接器的密封設(shè)計(jì)也是整機(jī)密封設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。電連接器的密封形式有密封墊形式、密封劑填角，或者兩者同時(shí)使用。當(dāng)設(shè)備無(wú)導(dǎo)電要求時(shí)，密封墊選用絕緣橡膠墊，否則選用導(dǎo)電橡膠墊；當(dāng)設(shè)備導(dǎo)電要求較高時(shí)，安裝電連接器前，可打磨安裝面板結(jié)合面處，之后加涂導(dǎo)電膠或?qū)щ娤鹉z墊，當(dāng)進(jìn)行防腐蝕密封時(shí)，安裝孔與電連接器側(cè)壁應(yīng)進(jìn)行填角密封。

4 結(jié)語(yǔ)

艦載機(jī)載設(shè)備殼體的密封設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求，并在方便維修、降低成本的基礎(chǔ)上進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計(jì)。在殼體密封設(shè)計(jì)的同時(shí)應(yīng)能滿足電磁屏蔽要求、散熱要求和防水要求。隨著材料科學(xué)研究的不斷深入，密封材料的種類多樣化，性能持續(xù)改進(jìn)，密封設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選用耐候性好、抗腐蝕性能良好的密封材料，以提高密封的質(zhì)量和可靠性。殼體密封設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)從殼體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，例如將殼體設(shè)計(jì)為整體式，以減少密封縫隙來(lái)提高設(shè)備的密封性能。