飞机氧气附件装配气密性的技术研究

姜 鸥，张得礼

（南京航空航天大学，江苏南京 210016）

0 引言

飞机氧气附件主要用于飞机供氧系统的备用氧气瓶和补氧系统氧气瓶装配、连接和机上氧气管路充气、放气等，由三通管、壳体、接嘴和配套零件组成。根据GJB 1403—1992《机载电子设备安装和试验通用规范》和《氧气附件装前试验生产说明书》要求，对氧气附件100%进行装机前试验。装机前将先将三通管、壳体和接嘴等进行脱脂清洗、装配。由于装配过程要求保证气密性，且胶带密封易带来多余物，只能依靠金属壳体与金属垫片产生形变达到密封，装配过程难度大，对试验人员的要求较高。因此，必须开展飞机氧气附件装配气密性研究，以保障后续装前试验的生产交付进度和装配质量。

1 影响飞机氧气附件装配气密性的因素

1.1 飞机氧气附件装配流程

按照《氧气附件装前试验生产说明书》要求，将领取的三通管、壳体和接嘴等零部件放入超声波清洗机容器内，使用汽油或酒精多次反复清洗进行脱脂，烘干后再进行装配、气密性检查、性能试验等。氧气附件装前试验生产中，出现的壳体断裂、漏气、活门卡死、表面划痕、弹簧失效等故障问题，其中97.8%的故障主要集中在壳体断裂、漏气，造成气密性检查故障。

1.2 飞机氧气附件装配气密性问题因素

针对氧气附件气密性故障的试件进行技术分析和试验验证，找出影响氧气附件气密性的因素有：螺纹连接处镀镍厚度超标，壳体内部垫片变形不均，紧固时拧紧力过大等。

（1）镀镍厚度超标。经现状调查，发现主要故障原因为壳体断裂与漏气，均发生在氧气附件的三通管与壳体连接处（图2）。调查生产现场，漏气的氧气附件中镀镍厚度超标件不多，漏气对镀镍过厚影响不大；而对发生壳体断裂故障的38 件氧气附件螺纹连接处的镀镍厚度进行检测，发现38 件壳体断裂的氧气附件中有33 件镀镍厚度超过标准（12～18 μm），不合格率为86.8%。通过进一步检查验证，证明镀镍厚度对壳体断裂有明显影响。

图1 氧气附件

图2 故障发生点

（2）壳体内部垫片变形不均。在《氧气附件装前试验生产说明书》中未明确垫片的放置方式，而实际氧气附件漏气与垫片的变形状态有一定联系。将故障件和合格件各抽样10 件进行检查，发现合格件中100%垫片变形均匀，故障件中80%垫片变形不均匀，证明垫片未水平放置对氧气附件漏气有明显影响。

（3）紧固时拧紧力过大。经现状调查，紧固时拧紧力过大，会造成壳体断裂，影响气密性。针对紧固时拧紧力过大造成的氧气附件故障品进行理化失效分析，发现三通管断口中心的圆孔均随着扭转方向拉长变形为椭圆，表明送试样件经历塑性变形后断裂，属于韧性断裂（图3）。断裂三通管螺牙段的螺牙可见严重的机械损伤痕迹，表明螺牙的牙底凹槽会因装配受到损伤（图4）。断口放入扫描电镜观察未见夹杂、疏松等材料缺陷，亦未见明显的加工缺陷，表明是承受扭转作用的剪切力而发生的过载断裂（图5）。理化失效分析结果证明了承受外力所致的过载断裂与原材料抗拉强度无关，同时将断裂零件螺纹连接位置做渗透检查，未发现内部裂纹显示，证明原材料抗拉强度符合要求。综上所述，证明断裂零件是承受外力所致的过载断裂，与原材料抗拉强度无关，与拧紧力矩相关。

图3 三通管断口

图4 三通管螺纹

图5 扫描电镜观察断口

2 提出氧气附件装配气密性的控制要求

通过对影响氧气附件气密性因素分析，对螺纹连接处镀镍厚度超标、壳体内部垫片变形不均、紧固时拧紧力过大等方面提出控制要求。

2.1 螺纹连接处镀镍厚度的要求

根据Q/CACPS2020204TY007《铜及铜合金清洗工艺规范》，提出镀镍参考时间为40～60 min，镀镍厚度应在12～18 μm。为确保镀镍厚度在控制范围内，开展试验验证，发现镀镍时间直接影响镀层厚度，必须严格要求镀镍时间，控制螺纹连接处镀镍厚度在合格范围内，才能有效降低氧气附件壳体断裂，保证氧气附件的气密性。

2.2 壳体内部垫片变形的要求

由于壳体内部垫片变形不均匀会影响氧气附件的气密性，确保垫片的水平放置，能够减少壳体内部垫片变形不均匀的风险。现根据三通管与壳体的安装特点，设计并制造辅助工装，固定壳体，利用正向重力使垫片保持平铺，同时与壳体外部保持垂直状态（图6）。设计并制造专用工具放置垫片，确保垫片水平（图7）。经试验验证，通过增加辅助工装固定壳体，用专用工具装配垫片的方式，有效降低了氧气附件漏气的故障率，保障了壳体与三通管的连接处气密性良好。

图6 固定壳体的辅助工具

图7 垫片安装专用工具

2.3 紧固时拧紧力的控制要求

由于壳体拧紧过程未规范最大拧紧力矩，全凭操作者的经验控制，造成紧固时无力矩要求，必须计算出最大拧紧力矩，才能避免拧紧力过大造成氧气附件的过载断裂。因此，通过与氧气附件设计、材料供应商等相关单位共同对螺纹参数、材料参数、力矩计算方法等研究分析，共同计算得出最大拧紧力矩的理论值。

三通管材料为铜合金HPb59-1，供货状态R，依据GB 13808—1992《铜及铜合金挤制棒》，σb=365 MPa。

依据HB 6586—1992《螺栓螺纹拧紧力矩》，按抗拉强度采用插值法计算，拧紧力矩为

根据式（1）式（2）修正数据：

式中 K——拧紧力矩系数，取决于摩擦表面状态和润滑情况

F——轴向预紧力，N

d——螺纹的公称直径，mm

σs——螺栓屈服极限强度，MPa

As——螺纹公称应力截面积，mm2

通过理论计算，得出最大拧紧力矩为28±3 N·m。

结合理论拧紧力矩的计算值28±3 N·m，进行实际的试验验证（表1）。结果显示，最大拧紧力矩控制在＜31 N·m，能够有效控制拧紧力矩，减除拧紧力矩过大造成的零件壳体断裂，保证氧气附件的气密性；拧紧力矩在31 N·m，有可能发生断裂；最大拧紧力矩＞31 N·m，样本都发生了断裂。

表1 拧紧力矩验证试验结果

3 实施效果

（1）找出飞机氧气附件装配气密性问题的因素和控制方法，氧气附件气密性得到了很好的控制，减少安装过程的反复验证期，降低故障率，已成功应用在氧气附件装配中。

（2）找出飞机氧气附件装配控制方法，提出装配的控制规范要求，形成一套从“三通管—壳体—接嘴”装配的规范动作方法，从而在氧气附件装配过程形成有效控制，提高氧气附件装配的质量和可靠性。

（3）提出垫片装配放置的方式，设计、制造专用安装夹具，提高安装效率和质量，保证装配的气密性，为后续同类机械产品组装件专供的夹具设计、制造提供设计依据和借鉴作用。

（4）锻炼了试验队伍，提高了人员试验技术能力。

4 结论

通过对根据GJB 1403—1992《机载电子设备安装和试验通用规范》和《氧气附件装前试验生产说明书》等文件的深入学习和研究，分析造成影响氧气附件气密性的不同因素，提出氧气附件装配气密性的控制要求，形成一套从“三通管—壳体—接嘴”装配的规范动作方法，从而在氧气附件装配过程形成有效控制，避免了装配后的壳体断裂和漏气现象的发生，提高氧气附件装配的质量和可靠性。为后续飞机同类机械产品组装件装配提供技术支持和借鉴作用。