航空激光产品的密封设计研究*

2018-10-10陈智勇姚永玉黄晓婧刘建寿程广伟李妙玲

机械制造 2018年7期

□ 陈智勇 □ 姚永玉 □ 黄晓婧 □ 刘建寿 □ 程广伟 □ 李妙玲

1.洛阳理工学院机械工程学院河南洛阳 471023

2.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所河南洛阳 471009

密封技术是防止流体或固体微粒从相邻接合面泄漏，以及避免外界杂质侵入机器设备内部的技术，广泛应用于各种设备和仪器中。航空激光产品存在着气封、液封及防尘密封三方面的密封需求，较其它光机产品严格，其密封性能的好坏直接影响产品的性能及使用寿命［1-4］。目前，航空激光产品采用的主要密封方式是橡胶件密封，其密封结构的理论设计和装配工艺都是在借鉴以往设计的基础上，结合设计师个人经验确定的，缺乏明确的理论分析和试验数据作为指导。笔者通过理论分析，结合试验研究，提出适用于航空激光产品密封的设计原则和方法，对提高航空激光产品密封性能有参考价值。

1 密封设计原则

密封结构一般由密封件、被密封件上的密封沟槽和密封用紧固螺钉组成，不同材料和构型的密封件具有不同的密封效果和适用场合，密封沟槽的形状尺寸和紧固螺钉的排布方法也会影响密封性能。

1.1 密封件材料

选择密封件材料应从产品的性能特点和使用环境出发。对航空激光产品而言，在选用密封件材料时应重点考虑以下几点［5-8］。

（1）工作温度。应充分考虑极限温度、连续工作温度和温度冲击等。产品的长期工作温度应低于橡胶制品的使用温度上限，产品的下限工作温度应高于橡胶制品的下限工作温度。

（2）工作介质。由于大型激光产品有散热需求，密封结构中存在带有腐蚀性的液体工作介质，因此所选橡胶材料应能抵御工作介质的长期侵蚀。

（3）工作压力。一般工作压力在10 MPa以下时，橡胶的邵氏硬度值在70以下为宜。航空激光产品的密封腔体压力都远在10 MPa以下，因此密封件不宜选择硬度过高的橡胶密封制品。

基于以上考虑，根据工程实际应用情况，目前航空激光产品中所使用的密封件材料［9］主要有国防工业用硅橡胶板、航空橡胶板、导电橡胶板。

国防工业用硅橡胶板具有较好的耐高低温性能和较好的耐压缩永久变形性能。

航空橡胶板主要为丁腈橡胶与氯丁橡胶的合成橡胶，丁腈橡胶具有较好的耐热性能和耐油性能，氯丁橡胶除了具有较好的耐热性能和耐油性能外，还具有较好的耐老化性能。

导电橡胶板为添加了微细导电粒的硅橡胶，硬度较高，主要用于有电磁密封需求的场合。

这几种材料中，国防工业用硅橡胶板的硬度最低，耐高低温性能最好，在没有其它特殊要求的前提下，建议优先选用国防工业用硅橡胶板。

1.2 密封件构型

按照密封件的来源与加工方法，航空激光产品中所用的密封件构型主要有标准件O形圈、模压硫化生成的定制橡胶密封圈、激光切割加工方法获得的橡胶密封垫、根据使用长度进行裁剪的橡胶密封绳等［10］，各种构型密封件的优缺点及适用范围见表1。

表1 常用密封件构型对比

笔者根据理论分析、调研及试验研究，针对激光产品的实际密封要求，液封且边界为环形、尺寸较小时优先选用O形密封圈，密封且边界结构较复杂时选用模压硫化法生成的橡胶密封圈。气封时优先选用O形密封圈和橡胶密封圈，要求不高时也可选用橡胶密封绳。橡胶密封垫由于结构限制，压缩率不宜过高，密封效果不如其它几种构型，主要在对密封要求不高的场合，如防尘密封结构上使用。

1.3 密封沟槽尺寸

密封件在受到压力时能够通过变形产生接触压力，可以用来补偿泄漏间隙，从而达到密封的目的。密封件变形过程中，总体积不变，对于闭合的橡胶圈和橡胶垫而言，变形前后截面面积不变。用于放置密封件的沟槽在设计时应保证槽的截面积不小于密封件的截面积，以保证高度方向被挤压的密封件在宽度方向有足够的空间来接纳。

以截面直径为d的密封圈为例，其密封沟槽截面形状为矩形，设密封沟槽的高度为h，宽度为b，则密封圈的压缩率X为：

对于目前航空激光产品使用的密封件，不同密封材料对应不同的压缩率。确定压缩率和密封圈直径后，根据式（1）可确定高度，则密封沟槽的宽度b为：

式中：Sg为沟槽截面积，取值依据结构限制而定，一般情况下比密封件截面积大20%～30%。

1.4 紧固螺钉

密封结构中密封面处的紧固螺钉一般按照等间距的原则进行排布，且间距越小，腔体的密封效果越好。对于冷却水箱等液封的腔体，密封用的螺钉分布应相对密一点。

在液封腔体构型中，除腔体的四角外，螺钉的分布是等间距的。在试验时发现，当压强过大时，腔体的四角均存在轻微的泄漏，主要原因在于相对于其它位置，腔体四角紧固螺钉的间距变大，盖板压紧力不均匀导致腔体四角存在泄漏的风险。

可见，在产品设计阶段，螺钉的排布相对于密封件应尽可能均匀，且在拐角处需设计螺钉孔进行压接。

2 密封结构装配工艺

在密封结构设计合理的前提下，合理的装配工艺是确保良好密封效果的重要保证。笔者主要研究密封结构装配工艺的两方面内容：密封用紧固螺钉的装配工艺和密封件的装配工艺。

2.1 密封用紧固螺钉

安装紧固螺钉时，应按照对角线原则及力矩递增原则，分成两三个循环逐步将螺钉紧固。以图1所示螺钉排布为例，可以采用 1、5、2、6、3、7、4、8 的顺序紧固螺钉，初次紧固时将螺钉紧固到螺钉头与被密封件接触即停止紧固，然后增大力矩，继续按照上述顺序逐步将螺钉紧固，直至螺钉力矩达到规定值。每个循环中拧紧力矩应保持一致。根据查阅相关资料［11-12］及笔者实际试验，M2螺钉所需的拧紧力矩为0.6 N·m，M2.5螺钉所需的拧紧力矩为0.8 N·m，M3螺钉所需的拧紧力矩为1.2 N·m，可以满足航空激光产品的密封要求。

▲图1 紧固螺钉装配示意图

2.2 密封件

密封件的装配过程中，应保证密封件与被密封件之间紧密贴合，对于静密封还应保证密封件与被密封件之间没有相对移动。一般情况下，尺寸小、结构简单的密封件在密封槽内容易固定，对于尺寸较大且结构较复杂的密封件，装配时密封圈在密封槽内有可能产生滑动或扭动，存在装配后变形不均匀的风险，易产生泄漏。如图2所示，装配时可以在密封圈拐角处与沟槽接触的几个关键点涂少量密封硅橡胶，以达到预先固定密封圈位置，保证多次拆装后密封效果一致的目的。如密封边界的某一边密封长度较长，那么也可以在该边中间位置涂少量密封硅橡胶辅助固定。