航空激光產(chǎn)品的密封設(shè)計研究*

□ 陳智勇 □ 姚永玉 □ 黃曉婧 □ 劉建壽 □ 程廣偉 □ 李妙玲

1.洛陽理工學(xué)院機械工程學(xué)院 河南洛陽 471023

2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所 河南洛陽 471009

密封技術(shù)是防止流體或固體微粒從相鄰接合面泄漏，以及避免外界雜質(zhì)侵入機器設(shè)備內(nèi)部的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備和儀器中。航空激光產(chǎn)品存在著氣封、液封及防塵密封三方面的密封需求，較其它光機產(chǎn)品嚴(yán)格，其密封性能的好壞直接影響產(chǎn)品的性能及使用壽命［1-4］。目前，航空激光產(chǎn)品采用的主要密封方式是橡膠件密封，其密封結(jié)構(gòu)的理論設(shè)計和裝配工藝都是在借鑒以往設(shè)計的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計師個人經(jīng)驗確定的，缺乏明確的理論分析和試驗數(shù)據(jù)作為指導(dǎo)。筆者通過理論分析，結(jié)合試驗研究，提出適用于航空激光產(chǎn)品密封的設(shè)計原則和方法，對提高航空激光產(chǎn)品密封性能有參考價值。

1 密封設(shè)計原則

密封結(jié)構(gòu)一般由密封件、被密封件上的密封溝槽和密封用緊固螺釘組成，不同材料和構(gòu)型的密封件具有不同的密封效果和適用場合，密封溝槽的形狀尺寸和緊固螺釘?shù)呐挪挤椒ㄒ矔绊懨芊庑阅堋?/p>

1.1 密封件材料

選擇密封件材料應(yīng)從產(chǎn)品的性能特點和使用環(huán)境出發(fā)。對航空激光產(chǎn)品而言，在選用密封件材料時應(yīng)重點考慮以下幾點［5-8］。

（1）工作溫度。應(yīng)充分考慮極限溫度、連續(xù)工作溫度和溫度沖擊等。產(chǎn)品的長期工作溫度應(yīng)低于橡膠制品的使用溫度上限，產(chǎn)品的下限工作溫度應(yīng)高于橡膠制品的下限工作溫度。

（2）工作介質(zhì)。由于大型激光產(chǎn)品有散熱需求，密封結(jié)構(gòu)中存在帶有腐蝕性的液體工作介質(zhì)，因此所選橡膠材料應(yīng)能抵御工作介質(zhì)的長期侵蝕。

（3）工作壓力。一般工作壓力在10 MPa以下時，橡膠的邵氏硬度值在70以下為宜。航空激光產(chǎn)品的密封腔體壓力都遠(yuǎn)在10 MPa以下，因此密封件不宜選擇硬度過高的橡膠密封制品。

基于以上考慮，根據(jù)工程實際應(yīng)用情況，目前航空激光產(chǎn)品中所使用的密封件材料［9］主要有國防工業(yè)用硅橡膠板、航空橡膠板、導(dǎo)電橡膠板。

國防工業(yè)用硅橡膠板具有較好的耐高低溫性能和較好的耐壓縮永久變形性能。

航空橡膠板主要為丁腈橡膠與氯丁橡膠的合成橡膠，丁腈橡膠具有較好的耐熱性能和耐油性能，氯丁橡膠除了具有較好的耐熱性能和耐油性能外，還具有較好的耐老化性能。

導(dǎo)電橡膠板為添加了微細(xì)導(dǎo)電粒的硅橡膠，硬度較高，主要用于有電磁密封需求的場合。

這幾種材料中，國防工業(yè)用硅橡膠板的硬度最低，耐高低溫性能最好，在沒有其它特殊要求的前提下，建議優(yōu)先選用國防工業(yè)用硅橡膠板。

1.2 密封件構(gòu)型

按照密封件的來源與加工方法，航空激光產(chǎn)品中所用的密封件構(gòu)型主要有標(biāo)準(zhǔn)件O形圈、模壓硫化生成的定制橡膠密封圈、激光切割加工方法獲得的橡膠密封墊、根據(jù)使用長度進(jìn)行裁剪的橡膠密封繩等［10］，各種構(gòu)型密封件的優(yōu)缺點及適用范圍見表1。

表1 常用密封件構(gòu)型對比

筆者根據(jù)理論分析、調(diào)研及試驗研究，針對激光產(chǎn)品的實際密封要求，液封且邊界為環(huán)形、尺寸較小時優(yōu)先選用O形密封圈，密封且邊界結(jié)構(gòu)較復(fù)雜時選用模壓硫化法生成的橡膠密封圈。氣封時優(yōu)先選用O形密封圈和橡膠密封圈，要求不高時也可選用橡膠密封繩。橡膠密封墊由于結(jié)構(gòu)限制，壓縮率不宜過高，密封效果不如其它幾種構(gòu)型，主要在對密封要求不高的場合，如防塵密封結(jié)構(gòu)上使用。

1.3 密封溝槽尺寸

密封件在受到壓力時能夠通過變形產(chǎn)生接觸壓力，可以用來補償泄漏間隙，從而達(dá)到密封的目的。密封件變形過程中，總體積不變，對于閉合的橡膠圈和橡膠墊而言，變形前后截面面積不變。用于放置密封件的溝槽在設(shè)計時應(yīng)保證槽的截面積不小于密封件的截面積，以保證高度方向被擠壓的密封件在寬度方向有足夠的空間來接納。

以截面直徑為d的密封圈為例，其密封溝槽截面形狀為矩形，設(shè)密封溝槽的高度為h，寬度為b，則密封圈的壓縮率X為：

對于目前航空激光產(chǎn)品使用的密封件，不同密封材料對應(yīng)不同的壓縮率。確定壓縮率和密封圈直徑后，根據(jù)式（1）可確定高度，則密封溝槽的寬度b為：

式中：Sg為溝槽截面積，取值依據(jù)結(jié)構(gòu)限制而定，一般情況下比密封件截面積大20%～30%。

1.4 緊固螺釘

密封結(jié)構(gòu)中密封面處的緊固螺釘一般按照等間距的原則進(jìn)行排布，且間距越小，腔體的密封效果越好。對于冷卻水箱等液封的腔體，密封用的螺釘分布應(yīng)相對密一點。

在液封腔體構(gòu)型中，除腔體的四角外，螺釘?shù)姆植际堑乳g距的。在試驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓強過大時，腔體的四角均存在輕微的泄漏，主要原因在于相對于其它位置，腔體四角緊固螺釘?shù)拈g距變大，蓋板壓緊力不均勻?qū)е虑惑w四角存在泄漏的風(fēng)險。

可見，在產(chǎn)品設(shè)計階段，螺釘?shù)呐挪枷鄬τ诿芊饧?yīng)盡可能均勻，且在拐角處需設(shè)計螺釘孔進(jìn)行壓接。

2 密封結(jié)構(gòu)裝配工藝

在密封結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的前提下，合理的裝配工藝是確保良好密封效果的重要保證。筆者主要研究密封結(jié)構(gòu)裝配工藝的兩方面內(nèi)容：密封用緊固螺釘?shù)难b配工藝和密封件的裝配工藝。

2.1 密封用緊固螺釘

安裝緊固螺釘時，應(yīng)按照對角線原則及力矩遞增原則，分成兩三個循環(huán)逐步將螺釘緊固。以圖1所示螺釘排布為例， 可以采用 1、5、2、6、3、7、4、8 的順序緊固螺釘，初次緊固時將螺釘緊固到螺釘頭與被密封件接觸即停止緊固，然后增大力矩，繼續(xù)按照上述順序逐步將螺釘緊固，直至螺釘力矩達(dá)到規(guī)定值。每個循環(huán)中擰緊力矩應(yīng)保持一致。根據(jù)查閱相關(guān)資料［11-12］及筆者實際試驗，M2螺釘所需的擰緊力矩為0.6 N·m，M2.5螺釘所需的擰緊力矩為0.8 N·m，M3螺釘所需的擰緊力矩為1.2 N·m，可以滿足航空激光產(chǎn)品的密封要求。

▲圖1 緊固螺釘裝配示意圖

2.2 密封件

密封件的裝配過程中，應(yīng)保證密封件與被密封件之間緊密貼合，對于靜密封還應(yīng)保證密封件與被密封件之間沒有相對移動。一般情況下，尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單的密封件在密封槽內(nèi)容易固定，對于尺寸較大且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的密封件，裝配時密封圈在密封槽內(nèi)有可能產(chǎn)生滑動或扭動，存在裝配后變形不均勻的風(fēng)險，易產(chǎn)生泄漏。如圖2所示，裝配時可以在密封圈拐角處與溝槽接觸的幾個關(guān)鍵點涂少量密封硅橡膠，以達(dá)到預(yù)先固定密封圈位置，保證多次拆裝后密封效果一致的目的。如密封邊界的某一邊密封長度較長，那么也可以在該邊中間位置涂少量密封硅橡膠輔助固定。

▲圖2 密封件裝配示意圖

3 結(jié)論

密封效果的好壞對于航空產(chǎn)品整體性能及使用壽命有至關(guān)重要的影響，提高密封性能必須從密封結(jié)構(gòu)的理論及裝配工藝著手。筆者提出的相關(guān)原則和方法是筆者在以往航空激光產(chǎn)品密封結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過理論分析和試驗研究得出的，對提高航空激光產(chǎn)品的密封性能具有參考價值。