航天器密封結(jié)構(gòu)的壽命影響因素分析

白 燕， 白忠奕， 張 榮， 李海歐， 崔曉航

（北京衛(wèi)星制造廠有限公司， 北京 100190）

0 引言

密封技術(shù)廣泛存在于我們的生活中， 是古老而又實用的技術(shù)，航天器中同樣有各種密封結(jié)構(gòu)。航天器產(chǎn)品密封接口大小不一，數(shù)量眾多，如密封艙上的艙門、舷窗、密封分離面和環(huán)控系統(tǒng)的泵、閥、管路等產(chǎn)品。 密封結(jié)構(gòu)的密封性能關(guān)系到航天器的使用壽命， 影響密封的因素是多方面的， 航天器所處的特殊環(huán)境使得影響密封性能的因素有著自身的特點， 通常我們比較關(guān)注非金屬密封材料對于密封性的影響， 但對密封配偶件金屬密封件的研究較少， 本文著重介紹了密封配偶件金屬密封零件表面加工質(zhì)量、結(jié)構(gòu)尺寸、結(jié)構(gòu)變形以及裝配過程等方面對航天器密封失效的影響。

1 密封結(jié)構(gòu)影響因素

1.1 表面形貌影響

密封結(jié)構(gòu)的表面形貌對密封失效和泄漏有著不容忽視的影響，如表面紋理、表面微結(jié)構(gòu)、表面粗糙度以及殘余應(yīng)力等。 根據(jù)經(jīng)驗，產(chǎn)品進(jìn)入到試驗階段時發(fā)生密封失效或泄漏，查找原因后發(fā)現(xiàn)，很大一部分歸因于密封結(jié)構(gòu)的表面形貌差。

1.1.1 粗糙度影響

密封表面的粗糙度對于產(chǎn)品的密封性能有著直接的影響。 加工表面總存在一定程度的粗糙度，凹凸不平的密封表面會在密封端面間形成大大小小的微小孔， 因此并不存在絕對的密封。 以最常用的金屬密封面和非金屬聚四氟乙烯密封面接觸結(jié)構(gòu)為例， 在一定比壓下這些微小連通的孔，在壓差作用下發(fā)生滲漏現(xiàn)象。 經(jīng)試驗，對于工質(zhì)為液體的靜密封來說， 粗糙度對于泄漏率的影響趨勢如圖1 所示。 泄漏率隨著粗糙度的增加而增加，到達(dá)一定數(shù)值后有減小的趨勢，其原因是隨著粗糙度σ 值的增加，流體通過密封端面的阻力減小， 當(dāng)粗糙度增加到一定值時，液體會形成膜層，泄漏率反而下降[1]，這對于油密封來說效果更明顯， 一定數(shù)量的波谷能形成油膜， 反而提高密封性能。由此可見， 粗糙度對密封的影響程度與流體介質(zhì)的種類有很大關(guān)系。

圖1 表面粗糙度σ 對泄漏率Q 的影響

密封表面的粗糙度對于動密封的影響表現(xiàn)為對密封面的磨損。從目前應(yīng)用較廣的橡膠為非金屬的密封結(jié)構(gòu)來說，雖然橡膠密封圈的磨損程度取決于自身粗糙度、耐磨性和自潤滑性能，但密封面的粗糙度是橡膠磨損的主要原因。 圖2 為雙O 型密封圈動密封結(jié)構(gòu)形式， 在進(jìn)行了約1000 次轉(zhuǎn)動試驗后，出現(xiàn)漏率超標(biāo)現(xiàn)象，經(jīng)過單點漏率檢測，發(fā)現(xiàn)雙O 形圈與轉(zhuǎn)軸動密封結(jié)構(gòu)處為泄漏點，轉(zhuǎn)軸與O 型密封圈接觸處有明顯的磨痕，轉(zhuǎn)軸粗糙度不合適是主要原因之一，在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中，粗糙表面使O 型圈表面形成應(yīng)力集中點，促使橡膠加速老化，發(fā)生密封失效。

圖2 粗糙度對密封圈的影響實物圖

動密封金屬表面粗糙度σ 對于橡膠摩擦系數(shù)μ 的影響（干摩擦）如圖3 所示，在經(jīng)過一定時間的動摩擦，摩擦系數(shù)隨粗糙度下降而下降，到達(dá)σ 值后不再隨粗糙度減小下降，而是相應(yīng)升高，隨后居于穩(wěn)定值， 當(dāng)摩擦副表面粗糙度減小到微納米級或原子級時，這種現(xiàn)象更加明顯[2]。

由上可見并不是表面越光滑，磨損越小，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的實際應(yīng)用特點選擇一個合理的粗糙度值，對于接觸式機械密封的優(yōu)化設(shè)計而言， 選擇合適的粗糙度的大小具有極其重要的意義。

圖3 表面粗糙度對摩擦系數(shù)的影響（干摩擦）

1.1.2 表面紋理的影響

密封零件在加工中會因刀具的軌跡在表面形成一定的紋理，紋理的方向?qū)γ芊庑阅艿挠绊懸膊蝗莺鲆暋?以O(shè)型圈密封為例，如圖4，加工紋理方向與O 型圈為同心圓，則有利于密封，紋理方向垂直于密封圈（徑向紋理）則不利于密封，如果密封圈垂直于加工紋理方向并且有滑動將加劇磨損，因此，在不可避免刀具加工痕跡的情況下，盡量選擇有利于密封性能的刀具紋路，例如環(huán)形的密封面或密封槽要盡量采用車加工，其刀具痕跡沿環(huán)向。

圖4 O 型密封圈與密封面加工紋理方向

1.2 密封的結(jié)構(gòu)尺寸影響

航天器密封的結(jié)構(gòu)尺寸除了考慮與密封件的匹配外還應(yīng)該考慮密封件在高、低溫情況下的特性。如果密封件在高溫時膨脹，就應(yīng)該讓設(shè)計尺寸稍大，以免高溫時密封件溢出密封槽，與密封面產(chǎn)生咬噬[3]，但尺寸過大使間隙增大，會減小預(yù)壓縮變形量，影響密封性能。 以密封法蘭的密封結(jié)構(gòu)為例， 如果密封槽的容積小于橡膠密封圈的體積，如圖5（a），很容易出現(xiàn)螺栓擰緊后，壓縮比增大，橡膠圈被擠出密封槽，從而產(chǎn)生很大的永久變形，甚至被壓壞，所以密封槽容積應(yīng)該考慮高低溫對于密封件的影響。

合理確定動密封面配合間隙能有效提升密封結(jié)構(gòu)壽命。 當(dāng)動密封面配合間隙過大時，由于壓差的作用，可能使密封圈被擠出密封槽而破壞影響密封，見圖5（b），密封面配合間隙過小如上圖2，轉(zhuǎn)軸和法蘭因摩擦產(chǎn)生金屬顆粒落入密封圈接觸面，加速破壞橡膠密封圈，使密封失效。

圖5 密封槽結(jié)構(gòu)尺寸的影響

結(jié)構(gòu)設(shè)計中還應(yīng)考慮裝配密封圈所需要的導(dǎo)向圓角，如使用梯形槽懸掛密封圈時，若懸掛槽的銳邊沒有倒鈍， 在壓縮密封圈時容易使密封圈劃傷甚至產(chǎn)生裂紋而遭到破壞（如圖5c），因此加工時必須將銳邊毛刺修光。密封結(jié)構(gòu)中相貫孔的倒圓尺寸大小也是一個不易忽視的重要環(huán)節(jié)，如圖6 相貫孔中倒圓過小，旋轉(zhuǎn)密封體經(jīng)過孔口時，密封體被破壞，造成密封失效。

圖6 圓角尺寸不合理導(dǎo)致密封圈受損

1.3 結(jié)構(gòu)變形影響

密封結(jié)構(gòu)變形主要有以下原因：

（1）應(yīng)力變形：密封結(jié)構(gòu)在加工過程中會不可避免的產(chǎn)生應(yīng)力，如裝卡、切削、焊接、裝配等，應(yīng)力的存在必然會影響密封結(jié)構(gòu)的尺寸精度， 因此需要在研制過程中消除應(yīng)力的影響。

圖7 門體密封面的壓差變形

（2）壓差變形：以艙體艙門結(jié)構(gòu)為例（如圖7），門體、門框在地面加工并裝配調(diào)試后， 在等壓環(huán)境條件下其密封面平面度達(dá)到要求，但在空間真空環(huán)境條件下，由于艙體內(nèi)外存在壓差，必然會使得門體或門框產(chǎn)生變形，其密封面的平面度發(fā)生變化，密封圈壓縮比隨著變化，從而影響艙體密封性能。

（3）負(fù)荷差變形：負(fù)荷差變形主要發(fā)生在有復(fù)雜傳動機構(gòu)的密封結(jié)構(gòu)中，因負(fù)荷不均勻致使密封體發(fā)生變形，如圖8 艙門在密封壓緊時，壓緊力呈多（6 個）點分布，壓緊力作用點和非作用點之間存在負(fù)荷差， 在兩個壓緊力作用點之間，門體產(chǎn)生波形變形，試驗表明：外徑為90cm的門體，橡膠密封圈壓縮比為11%左右時，門體波形變形量一般為0.1～0.2mm，使變形處的密封圈壓縮比減小3%左右；而在門軸處的門框變形更大，達(dá)到0.3mm 左右，使壓縮比減少更多。

（4）溫差變形。溫差變形是指因高低溫交變， 材料的熱性能出現(xiàn)差異使得結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性差異更大， 由此引起密封結(jié)構(gòu)、機構(gòu)變形，使密封狀況惡化。 對于在軌運行的航天器， 受太陽輻射不均而導(dǎo)致空間站各部分溫差很大， 溫差變形是影響航天器密封性能的不可避免的因素。

因此， 除考慮采取必要的技術(shù)措施來減少結(jié)構(gòu)變形對密封的影響外， 在確定密封件的壓縮比時應(yīng)充分考慮到密封件壓縮比對結(jié)構(gòu)變形的適應(yīng)性， 以確保密封性能要求。

圖8 門體負(fù)荷差變形示意圖

1.4 裝配精度的影響

裝配精度對于密封性能的影響， 很大程度來自于人為因素，涉及密封結(jié)構(gòu)的裝配需要注意以下幾點：

（1）裝配前檢查密封面、槽、密封件是否有劃痕，孔內(nèi)、槽內(nèi)毛刺是否清理干凈，排除零件加工缺陷的影響。

（2）裝配前對密封零件進(jìn)行清洗，去除多余物的影響。碳鋼、銅質(zhì)類零件不應(yīng)用液體清洗，防止快速氧化，僅用無塵拭布進(jìn)行擦拭后再用氣體吹除多余物。

（3）軸孔裝配時，需要保證密封耦（軸、孔）件中心線重合，尤其是動密封，同軸度差會導(dǎo)致密封圈壓縮率不一致。 當(dāng)一個方向壓縮率增加， 相對方向的壓縮率就會減少，可能導(dǎo)致密封失效，同時，壓縮率增加的部位磨損速度增加，甚至使密封圈產(chǎn)生扭曲變形，減少密封壽命。

（4）密封件通過軸、孔類通道時，應(yīng)注意防止密封面被劃傷，如剛性軸裝入時將孔密封面劃傷、非金屬密封件更要注意，必要時應(yīng)使用裝配保護(hù)工裝。

（5）對于法蘭密封結(jié)構(gòu)而言，應(yīng)注意裝配壓緊力的均勻性。

2 結(jié)束語

不同的密封結(jié)構(gòu)形式， 不同的使用環(huán)境使得影響密封壽命的主要因素也不相同. 本文從多個維度對影響接觸性密封結(jié)構(gòu)的密封面進(jìn)行分析， 總結(jié)了密封配偶金屬面的表面粗糙度、紋理與密封性的關(guān)系；對密封槽從容積的角度分析了尺寸合理的重要性； 從多方面對引起密封面變形的原因進(jìn)行了分析，并提出優(yōu)化建議；對裝配過程可能造成密封泄露的環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹， 可作為長壽命密封結(jié)構(gòu)設(shè)計借鑒。隨著火箭運載能力的提升，航天器密封艙結(jié)構(gòu)尺寸也越來越大， 如何保證密封面的形位公差精度，減小變形對密封的影響，以及不同表面處理方式后因密封表面的性能與基體不同對于密封性的影響等問題，都對于大型航天器密封結(jié)構(gòu)的密封性提出了新的要求。