航空激光產品的密封設計研究*

□ 陳智勇 □ 姚永玉 □ 黃曉婧 □ 劉建壽 □ 程廣偉 □ 李妙玲

1.洛陽理工學院機械工程學院 河南洛陽 471023

2.中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所 河南洛陽 471009

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

1 密封設計原則

密封結構一般由密封件、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的排布方法也會影響密封性能。

1.1 密封件材料

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

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

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

（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。航空激光產品的密封腔體壓力都遠在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，根據工程實際應用情況，目前航空激光產品中所使用的密封件材料［9］主要有國防工業用硅橡膠板、航空橡膠板、導電橡膠板。

國防工業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。

導電橡膠板為添加了微細導電粒的硅橡膠，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，建議優先選用國防工業用硅橡膠板。

1.2 密封件構型

按照密封件的來源與加工方法，航空激光產品中所用的密封件構型主要有標準件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、根據使用長度進行裁剪的橡膠密封繩等［10］，各種構型密封件的優缺點及適用范圍見表1。

表1 常用密封件構型對比

筆者根據理論分析、調研及試驗研究，針對激光產品的實際密封要求，液封且邊界為環形、尺寸較小時優先選用O形密封圈，密封且邊界結構較復雜時選用模壓硫化法生成的橡膠密封圈。氣封時優先選用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。橡膠密封墊由于結構限制，壓縮率不宜過高，密封效果不如其它幾種構型，主要在對密封要求不高的場合，如防塵密封結構上使用。

1.3 密封溝槽尺寸

密封件在受到壓力時能夠通過變形產生接觸壓力，可以用來補償泄漏間隙，從而達到密封的目的。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計時應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品使用的密封件，不同密封材料對應不同的壓縮率。確定壓縮率和密封圈直徑后，根據式（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，取值依據結構限制而定，一般情況下比密封件截面積大20%～30%。

1.4 緊固螺釘

密封結構中密封面處的緊固螺釘一般按照等間距的原則進行排布，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相對密一點。

在液封腔體構型中，除腔體的四角外，螺釘的分布是等間距的。在試驗時發現，當壓強過大時，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，腔體四角緊固螺釘的間距變大，蓋板壓緊力不均勻導致腔體四角存在泄漏的風險。

可見，在產品設計階段，螺釘的排布相對于密封件應盡可能均勻，且在拐角處需設計螺釘孔進行壓接。

2 密封結構裝配工藝

在密封結構設計合理的前提下，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構裝配工藝的兩方面內容：密封用緊固螺釘的裝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，應按照對角線原則及力矩遞增原則，分成兩三個循環逐步將螺釘緊固。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，繼續按照上述順序逐步將螺釘緊固，直至螺釘力矩達到規定值。每個循環中擰緊力矩應保持一致。根據查閱相關資料［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，應保證密封件與被密封件之間緊密貼合，對于靜密封還應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、結構簡單的密封件在密封槽內容易固定，對于尺寸較大且結構較復雜的密封件，裝配時密封圈在密封槽內有可能產生滑動或扭動，存在裝配后變形不均勻的風險，易產生泄漏。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鍵點涂少量密封硅橡膠，以達到預先固定密封圈位置，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 結論

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