沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司 王志強 周金磊 惠飛淵

密封技術應用于許多的機械設備中，密封的功能是防止泄漏。常見的氣動密封形式有O形圈氣動密封和唇形密封，這兩種密封形式在技術上已相當成熟，對其密封機理也分析得非常透徹。“Ω”形膠圈是我們接觸的全新密封結構，想要了解這種結構的密封特點，應對這種新型密封形式進行技術分析，特別是在使用中發(fā)生過密封失效，有必要對其密封機理進行系統(tǒng)的研究。

1 結構介紹

某型飛機座艙蓋操縱作動筒氣壓腔內部安裝有兩種“Ω”形的異形膠圈，用于活塞密封(缸封)的膠圈(簡稱118)，安裝2件，用于活塞桿密封(軸封)的膠圈(簡稱119)，安裝1件。118膠圈結構見圖1，119膠圈結構形式與圖1相似，只是密封工作面相反、向內，并且標注的是膠圈內徑尺寸φ34 + 0.5mm。- 0.05

“Ω”形膠圈的安裝位置見圖2。以118膠圈為例，說明其安裝形式：在活塞及擋圈上制出溝槽，溝槽孔徑φ60mm，軸徑φ57mm，深1mm，用于“Ω”形膠圈底邊的安裝；在膠圈內安裝有脹圈，用于支撐夾緊膠圈側壁；在活塞、擋圈、脹圈的相鄰部位都制有相互連通的通氣孔，直達118膠圈內形腔，使作動筒工作時能保持進氣端一側的“Ω”形膠圈內形腔充進等壓的氣體。

圖1 118膠圈結構圖Fig.1 Rubber apron strcuture

圖2 “Ω”形膠圈安裝位置Fig.2 Rubber“Ω”-apron installation position

2 密封失效現(xiàn)象

2.1 膠料不同的影響

使用“Ω”形膠圈的初期，生產膠圈的材料是進口的二元乙丙橡膠，裝配前將膠圈在某種儀表油中浸泡24h，再進行作動筒的裝配，滿足氣密性要求。在材料國產化、將二元乙丙橡膠換成了三元乙丙橡膠后，采用相同的裝配工藝，在氣密試驗及裝機使用過程中，都發(fā)生了密封失效，即有漏氣現(xiàn)象發(fā)生。

經對比發(fā)現(xiàn)，雖然“Ω”形膠圈結構、尺寸不變，但經過某種儀表油中浸泡24h后，膠圈狀態(tài)發(fā)生變化，用進口的二元乙丙橡膠生產的“Ω”形膠圈溶脹明顯，膠圈尺寸有所放大，并且膠圈硬度較低；而用三元乙丙橡膠生產的“Ω”形膠圈溶脹不明顯，膠圈尺寸未有效放大，膠圈硬度較高。這可能是造成膠圈工作面與密封件表面接觸狀態(tài)不同，從而有漏氣現(xiàn)象發(fā)生[1]。

2.2 浸泡介質的影響

在使用某種儀表油浸泡不能滿足作動筒裝配試驗及使用要求的情況下，生產中將浸泡介質由某種儀表油改為某種潤滑脂，浸泡時間調整為18h。新的浸泡介質能使“Ω”形膠圈發(fā)生很大的膨脹現(xiàn)象，膠圈尺寸放大較多，膠圈硬度較低，短期內滿足裝配試驗要求。由于新的浸泡介質對膠圈溶脹過度，并有持續(xù)溶脹作用，對橡膠的性能也產生了不利的影響，已裝機的膠圈發(fā)生漏氣現(xiàn)象，拆開后檢查“Ω”形膠圈已有損壞就說明了這個問題。更換浸泡介質后，又發(fā)生密封失效，浸泡介質選擇不當，也對結構密封產生影響。

3 “Ω”形膠圈密封機理

3.1 結構工作過程分析

按圖2所示，作動筒工作時，118膠圈工作表面要緊貼氣缸內表面，按傳統(tǒng)密封機理分析，還需要給膠圈一定的壓縮量，使膠圈在接觸面產生接觸壓力p0[2]。對118膠圈而言，只是“U”形外形產生變形，按其結構尺寸(見圖1)，這一變形力相對于O形圈要小得多。當有工作壓力p1作用在氣缸一側時，如作動筒左側進氣時，壓縮空氣推動活塞右移，同時充入左側“Ω”形膠圈內側，見圖3所示；當作動筒右側進氣時，壓縮空氣推動活塞左移，同時充入右側“Ω”形膠圈內側。從作動筒的工作過程可以看出，“Ω”形膠圈內、外側壓力相等，不存在壓力差，這種結構的密封特點是作動筒工作時膠圈壓縮(變形)量很小，并且不再增加，膠圈也不產生 “自封作用”，可以減少作動筒往復運動的摩擦力，減少功率損耗，同時提高系統(tǒng)使用壽命。通過密封機理分析，可以看出此種結構在密封面為微壓縮密封。

3.2 膠圈尺寸要求

作動筒安裝時，如膠圈保持圖樣尺寸未經過浸泡，以118為例(見圖1)，膠圈最小尺寸φ65mm，小于作動筒內徑最大尺寸φ65.074mm(φ65H9), 膠圈工作表面不能緊貼氣缸內表面，必定造成作動筒漏氣。

使用某種儀表油浸泡，膠圈狀態(tài)未有效改變，膠圈也不能貼緊氣缸內表面，所以也使作動筒有漏氣現(xiàn)象。當浸泡介質使膠圈尺寸溶脹過大時，安裝及使用過程中，在固定的安裝槽內，膠圈受到過大的擠壓收縮而失穩(wěn)脫槽，造成密封失效。

為保證微壓縮密封的可靠性，“Ω”形膠圈工作面要緊貼氣缸內表面，貼緊壓力不能過大，為此膠圈安裝時，要求膠圈底邊緊貼安裝槽上沿(見圖3)，使膠圈凸出量得到準確控制。這就要求膠圈安裝時有一定的壓縮量，使膠圈產生內應力，驅使膠圈底邊緊貼安裝槽上沿；這個內應力又不能太大，如內應力過大將使膠圈底邊從安裝槽內脫出。由此可見，膠圈壓縮率決定膠圈內應力。

膠圈內應力與壓縮率有如下關系式：膠圈壓縮量

圖3 “Ω”形膠圈工作壓力分布圖Fig.3 Distribution map of rubber“Ω” apron working pressure

式中，d1為膠圈安裝前直徑，d0為膠圈安裝后直徑。膠圈安裝后壓縮率

膠圈內應力

式中，E為膠圈彈性模量。

3.3 膠圈硬度要求

使用XHA微型國際橡膠硬度計測量發(fā)現(xiàn)，用進口的二元乙丙橡膠生產的“Ω”形膠圈，在某種儀表油中浸泡24h后，膠圈硬度≤69IRHD，膠圈尺寸變大；而用三元乙丙橡膠生產的“Ω”形膠圈用相同工藝浸泡后，膠圈硬度79IRHD，與未浸泡膠圈相同，尺寸也未有效放大。膠圈硬度低對提高密封性有利，因硬度低使柔順性提高，變形容易，順應密封面形狀，達到密封目的[3]。

4 工藝改進研究

4.1 浸泡介質選擇

經過調研了解到，某種中間油、某種乙基硅油在相同的結構中使用過。決定將118膠圈和119膠圈在某種中間油中浸泡18h(如不能實現(xiàn)密封，可追加浸泡20 h、22 h、24 h)，在座艙蓋操縱作動筒上安裝，并按圖樣要求對座艙蓋操縱作動筒的密封效果進行檢查；將118膠圈和119膠圈在某種乙基硅油中浸泡5d、7d、10d，在座艙蓋操縱作動筒上安裝，并檢查密封效果。試驗結果見表1。

在試驗結果中，以是否達到圖樣要求的氣密性檢查為合格判據，以是否達到高、低和常溫下的氣密檢查要求為試驗有效性的判斷依據，則有效試驗為：(1)在某種中間油中浸泡18h和20h； (2)在某種乙基硅油浸泡7d。

經對比膠圈浸泡后的尺寸變化得出，膠圈在某種中間油浸泡18h和20h后，均發(fā)生膨脹現(xiàn)象，119膠圈在35.68～35.79mm之間，118膠圈在68.67～69.02mm之間，分布差一致性較好，可以作為更換浸泡介質的目標，需要繼續(xù)試驗掌握工藝參數(shù)。膠圈在某種乙基硅油中浸泡5d、7d、10d后，膨脹較小，雖然浸泡7d的膠圈通過了氣密試驗，但與浸泡5d、10d的數(shù)據無明顯規(guī)律性可循。因此，不再進行該種浸泡介質試驗工作。

表1 浸泡介質選擇試驗結果

4.2 工藝參數(shù)確定

對某種中間油浸泡膠圈試驗，加大樣本投入量，以確定浸泡工藝參數(shù)。具體要求為：

(1)準備118膠圈24個，119膠圈12個；

(2)測量膠圈浸泡前的尺寸；

(3)膠圈在某種中間油中的浸泡，在溫度20℃條件下，浸泡18h；

(4)測量膠圈浸泡后尺寸并按從小到大編號；

(5)取兩件作動筒，分別安裝 119(3)、118(3)和118(4)尺寸組合以及 119(10)、118(21)和 118(22)尺寸組合膠圈，進行氣密試驗，合格后轉入壽命試驗。

(6)膠圈狀態(tài)觀察要求：對其余膠圈每10天測量尺寸一次并記錄，共測6次；

(7)試驗測試要求： 6次測量后，分別挑選尺寸最大118膠圈、119膠圈各兩件，進行拉斷伸長率測試。

圖4 118膠圈浸泡后外徑尺寸變化狀態(tài)Fig.4 Outside diameter size of 118 rubber apron after soaking

試驗結果：進行壽命考核的兩個作動筒已通過全部壽命試驗；膠圈浸泡后60天尺寸變化狀態(tài)見圖4，膠圈尺寸可以達到穩(wěn)定值，不再繼續(xù)溶脹；浸泡后膠圈拉斷伸長率平均183.5%，大于材料規(guī)范要求的160%。通過以上試驗確定的工藝參數(shù)為：浸泡介質，某種中間油；浸泡溫度，20℃；浸泡時間，18h；浸泡后118膠圈外徑為 67.3～67.8mm，安裝后壓縮率ε為 3%～5%，119膠圈內徑為35.4～35.9mm，安裝后壓縮率ε為4%～5.5%。

5 結論

通過分析膠料和浸泡介質的不同對“Ω”形膠圈密封效果的影響，在對膠圈工作過程、膠圈尺寸、膠圈硬度的研究基礎上，對“Ω”形膠圈密封機理進行了分析、驗證。通過試驗、分析得出了此類膠料的“Ω”形膠圈最適合的浸泡介質，確立了工藝參數(shù)，為“Ω”形膠圈密封結構的推廣應用積累了寶貴經驗。

[1] 杜福海,狄繁,張守輝.異形膠圈密封失效分析.飛機設計，2012(4)：56-58.

[2] 呂百齡.實用橡膠手冊.北京：化學工業(yè)出版社, 2010.

[3] 付平,常德功.密封設計手冊.北京：化學工業(yè)出版社,2009.