航空液压密封设计方法研究.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e Ms ／ N o ． 0 3 ． 2 0 1 4 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 0 2 4 航空液压密封设计方法研究 郭志攀， 夏立群， 王少华， 汪 洋 中航工业 西安飞行 自动控制研究所 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 5 摘 要 该文 阐述 了航空密封 的设计方法 中需要注意 的几个关键 问题 。分别从密封材料 的选择 、 密封零件表面处理 工艺和表面加工质 量 、 以及密封槽 的设计方面进行 了讨论 ， 对航空密封设计所需要的方法和因素进行 了详细分析与说明 。 关键 词 密封技术 ； 密封材料 ； 表面处理工艺 ； 密封槽设计 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 3 0 0 6 9 0 3 Th e Re s e a r c h o f Av i a t i o n Hy d r a u l i c S e a l i n g De s i g n i ng M e t ho d GUO Z h i - pa n , XI A L i - q u n ， WANG S h o o h u a , WANG Y a n g A V I C Xi ’ a n F l i g h t A u t o m a t i o n C o n t r o l R e s e a r c h I n s t i t u t e ， X i ’ a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e s c rib e s s o me i mp o r t a n t p r o b l e ms i n t h e d e s i g n i n g me t h o d o f t h e a v i a t i o n s e a l i n g t e c h n o l o g y ．Th e n ，t h e s e l e c t i o n o f t h e s e a l i n g ma t e ria l ， t h e s u r f a c e t r e a t me n t p r o c e s s o f t h e s e a l i n g c o mp o n e n t s a n d the d e s i g n i n g me t h o d o f t h e s e ali n g g r o o v e a r e a l s o d i s c u s s e d ． I n t h e e n d ， t h e r e q u i r e me n t me t h o d s a n d f a c t o r s of t h e a v i a t i o n s e a l i n g t e c h n o l o gy a l e d e t a i l e d a n aly s i s a n d i l l u s t r a t i o n ． Ke y wo r d s s e a l i n g t e c h n o l o gy ； s e a l i n g mate ria l ； t h e s u r f a c e t r e a t me n t p r o c e s s ； s e a l i n g g r o o v e d e s i g n i n g 0 引言 密封技术是一项关系飞机安全的重要技术 ．密封 失效会影响飞机的正常工作 ， 甚至造成严重事故 。在飞 机的作动系统 、 飞行控制系统、 发动机 、 起 落架 、 刹车系 统 、 燃 油系统 、 机身等 。 几乎在飞机的每个部 位你都会 看到密封圈的存在 。但这些位置所使用 的密封圈都有 很大差别 ． 每个位置都有它们独特 的密封技术需求 ． 选 择合适 的密封技术方案 ．对达到理想的密封效果至关 重 要 。 选择合适的密封方案 。 要考虑 以下几点因素 选择 合适 的密封材料 、 密封零件表面使用合适的表面处理工 艺并达到一定 的表面加工质量、 设计合适的密封槽㈣ 。 1 密封材料选择 密封材料的选择首先要考虑所选材料和密封介质 的化学兼容性。化学反应能够引起密封损坏 ， 影响其物 理特性 。密封弹性材料在液体 中比其他密封复合材料 更敏感 ， 选择适合的密封弹性体材料是关键 。选择密封 材料时不仅要考虑使用的介质 ．还要考虑介质中的添 加剂 ． 添加剂也会对密封弹性体产生不利的影响。在高 温环境 中做浸泡测试 以便验证 弹性体在实际应用中的 性能是非常必要 的 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 2 3 作者简介 郭志攀 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山西定 襄人 ， 工 程师 ， 硕 士 ， 研 究方 向 飞 行液 压控制作动系统 。 其次所选密封材料要满足使用环境 的温度要求 在低温环境 中． 弹性材料的收缩性是钢 的十倍 ． 弹性材 料会变得僵硬并失去弹性 。当超过低温极限后 ， 弹性材 料会达到玻璃化阶段 ． 它会变得极其易碎 ； 当温度回升 后 。 它的物理性能将会恢 复 增加挤压可以提高弹性材 料 的低温性能 当工作温度高过弹性材料规定的上限 时 ． 它将会变软 ， 并散失 它的物理特性 ， 这种物理特性 的散失是不可恢复的 ． 密封 圈将会产生永久的变形 ． 变 形量会 因材料 的工作介质不同而不 同持续 的工作在 超过工作温度范 围的高温环境中将会损坏密封圈 温 度的交替变化也有可能影 响密封圈的使用 寿命 。随着 温度 的交替变化弹性密封材料会发生应变 ．随着时间 的积累 。 弹性密封材料 的弹性会逐渐散失 ． 从而影响密 封圈的使用寿命 一 般来说 ， 在复合密封圈中。 复合材料 的温度适应 范围较宽 ． 橡胶材料温度适应范 围较窄 ． 所 以选择适合 于所工作环境温度范 围的橡胶材料是主要工作 。 对于动密封 ．运动速度也是密封材料选择的关键 因素之一 ．与弹性密封材料接触的运动表 面运动速度 过高会损坏弹性密封材料 运动速度越高所选择的密 封材料 的硬度就要越高 ．如果运动速度过高就必须选 择复合密封 ， 以提高密封件接触表面的硬度 。 2 密封零件表面质量 密封圈的密封性能与密封零件表面的表面处理工 6 9 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 叭 4年 第 0 3期 艺和表面加工质量有很大关系 ． 特别是动密封 ． 它的密 封性能与零件 的表面处理质量和表面加工质量有直接 的关系I9 ] 零件表面的加工质量是密封寿命和可靠性的 关键 因素 1 零件表面轮廓的要求 在显微镜下观察用 肉眼看上去非常光滑 的密封零 件表面 ， 会发现零件表面纤维组织是凸凹不平的 ． 就像 山脉一样 ， 存在很多波峰和波谷 。并不是最平坦的表面 拥有最好的密封性能 ．零件表面纤维组织有过多和过 大的波峰会使密封圈产生过渡的磨损 ．产生不希望的 泄漏。但有一定数量 的波谷 ， 反而能提高密封圈的密封 性能 ， 波谷能够储存润滑油 ， 形成润滑油膜 ， 这样能够 有效提高密封圈的使用寿命 ， 但并不会产生泄漏 理想 的密封零件表面轮廓如图 1 所示 图 1 理想 的密 封零 件 表 面 轮 廓 每一种零件表面加工方法如 车削 、磨削 、 珩 磨 、 喷丸 、 抛光等都会在零件表面产生一种 特定 的 加工纹路 。这种纹路在使用 中会影响密封 圈的密封性 能和使用寿命。为了获得理想 的密封性能 ， 在零件表面 加工时要避免产生影响密封圈密封性能和使用寿命 的 加工纹路。例如． 在直线往复运动的活塞密封中要避免 产生明显 的轴向加工纹路 。 在旋转轴的旋转密封 中． 要 避免产生明显的螺旋状加工纹路 图 2 、 图 3分别是零件表面粗糙度的三维和二维测 量 图． 图中清晰地显示了零件表面形貌特征。正确 的零 件表面处理轮廓是保证密封圈密封效果的关键 因素。 图 2零件表面粗糙 度三维测量 图 ■ _ ■ ●■ ’ t * ■ 獬 ● ． | ● 辩 ’ ■ ■ 图 3零件表面粗糙度二维测量图 2 磨合期对密封圈寿命的影响 在标准的密封系统 中．密封圈和密封零件表面在 刚开始工作的一段时期 内具有很高的磨损率 ．这段时 7 0 期叫做磨合期 在刚进入磨合期时粗糙 的零件表面会 使密封圈产生过渡的磨损 ． 零件表面硬度越高 ． 对密封 圈的磨损越快 一 旦密封零件表面纤维组织的波峰被磨平 ．密封 圈和密封零件表面将达到一种平衡状态 ．在平衡状态 下 ． 如果 密 封 圈得 到 充分 的润 滑 ． 密封 圈 的磨 损 就 会显 著降低 精确地控制零件表面的综合质量 ．可以减少密封 系统渡过磨合期的时间．使 密封系统尽早进入平衡状 态 ， 这样能够更好地控制泄漏 、 提高密封 圈的耐磨性和 使用寿命 。对于越硬的零件表面 ． 越要严格控制零件密 封表面的综合质量。 3 零件表面硬度的要求 较高的零件表面硬度 ．可 以提高密封圈的使用寿 命 。 防止密封圈磨坏零件 ， 减小密封圈的动摩擦力 。如 果密封零件表面太软 ． 密封圈会把零件表面磨坏 在金属材料表面镀层是 目前普遍采用的提高密封 表面综合质量的方法 ．在镀层前需要考虑基体材料是 否支持镀层非常重要 。当一个高压载荷施加在一个较 软 的不锈钢基体材料支撑 的硬铬镀层密封表 面时 ． 镀 层可能会剥落或裂开 。 然后刮伤密封圈 基体材料的罗 氏硬度最好能达到 4 4以上才能够较好地支撑镀层 3 密封槽的设计 密封槽设计主要是按照一定 的计算公式 ．使安装 后 的密封圈的压合量 、 拉伸量复合要求【 砌 。密封槽的设 计也有很多标准可以参考 ． 参考标准设计密封槽可以省 去很多计算过程 ． 现在工程应用中普遍采用此方法 。国 内关于密封槽设计 的标准 比较少 ． 国外在这方面标准很 多 ． 体系比较完善。本文在密封槽设计方面主要介绍一 些国外常用 的标准 ， 以及它们所适用 的场合。这些标准 主要包括 S A E发行的 A S系列标准和 AR P系列标准 A S 4 7 1 6标准[ 1 1 】是现在航空作动器领域使封槽设 计 标准 ．它的密封槽按照 S A E A S 5 6 8标准 2级公差下的 O形密封圈而设计的 ． 包含 了动密封和静密封槽尺寸 ． 在压力超过 1 5 0 0 p s i ／ 1 0 ． 3 MP a的情况下 ． 使用 1到 2个 防挤出保 护环用最广泛 的密封 ．在压力低 于 1 5 0 0 p s i ／ 1 0 ． 3 MP a的情况下 。 不使用保护环 。虽然这个标准是针 对标准尺寸的 O形圈设计的．但这种密封槽也可 以用 于其他弹性密封和 P T F E密封 A S 4 7 1 6标准详细规定 了密封槽的大径 、 小径 、 槽宽 、 轴孔间隙、 密封底面和侧 面的粗糙度 、 侧面的倾斜角、 地面圆角和尖边倒角尺寸 及 公 差 A S 4 7 1 6标 准 的密 封槽 压 力 范 围最 高可 达 8 0 0 0 p s i ／ 5 5 ． 1 6 MP a 。 一 - _ 一 一 l Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ．0 3 ． 2 01 4 AS 5 8 5 7标准 密封槽适用于静密封设计 这个标 准的密封槽也是按照 S A E A S 5 6 8标准 2级公差下的 O 形密封圈而设计 的． 它的密封槽尺寸 比 A S 4 7 1 6标准的 密封槽对密封圈 的挤压更强 ．在低温和低密封膨胀的 情况下密封效果更好 。推荐应用在外装式 的静密封中。 A R P 1 2 3 4是关于无保护环的轴 向静密封弹性 O形密封 圈密封槽的设计标准 。该标准是 A R P 1 2 3 1 密封槽设 计 。 弹性 O形密封 。 轴 向静密封 ， 无保护环 的补充 。 A S 4 0 8 8是航 空作动器活塞 杆刮尘 圈槽 的设 计标 准 盖标准刮尘 圈槽 的尺寸 比标准 MS 3 3 7 6 5的空 间更 大 ， 能够安装更高效可靠 的 更大的 刮尘圈。 A S 4 0 5 2主要是用于起落装置密封槽 的设计 。它包 含起 落装置下端 的减振柱的刮尘圈安装槽 的设计 。活 塞杆的直径 ， 密封槽内径 ， 密封槽侧壁角度和密封面光 洁度与 AS 4 7 1 6定义相同． 但是密封圈外侧 的挡壁直径 发生了变化。减小 了密封槽与大气接触 的唇边 的尺寸 ． 以便于有弹簧支撑 的 P T F E刮尘圈密封护套 能够安装 在 内。 4结论 密 封技术作 为保 障飞机安 全工作 的一项 重要技 术 ． 一 直是航空系统的一个重要研究方向。文章通过对 航空密封材料 、密封零件表面处理工艺和密封槽设计 方法 的详细分析与说明 ． 研究 了航空密封设计的方法 ． 为密封技术在航空领域的应用提供了设计参考 参考文 献 【 1 】 C ． Y ．L e e ，C ． S ．L i n ，R． Q ．J i a n ，C ． Y． We n ． S i mu l a t i o n a n d E x p e r i me n t a t i o n o n t h e C o n t a c t Wi d t h a n d P r e s s u r e D i s t il b u t i o n o f L i p S e a l s [ J ] ．T r i b o l o g y I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 6 ， 3 9 91 5 -92 0． [ 2 】 K．Ma t s u i ，e t a 1 ． T h e Ma t e ri a l a n d P r o p e r t i e s o f Hy d r a u l i c S e al f o r R e c i p r o c a t i n g Mo t i o n [ J ] ．Ma c h i n e D e s ．2 0 0 0 ， 4 1 4 - 1 9 ． [ 3 】 K ． Ha r a d a ．T h e S e ali n g P e rf o r m a n c e o f R o d S e al ] ．Ma c h i n e D e s ．1 9 8 5 ， 1 1 4 4 4 9 ． [ 4 ] C ． G i g n a r d i ，A ． M． B e e t t o ，L ． Ma z z a ． P h o t o e l a s t i c M e a s u r e me n t s a n d Co mp u t a t i o n o f t h e S t r e s s F i e l d a n d C o n t a c t P r e s s u r e i n P n e u m a t i c L i p S e a l 【 J 】 ．T r i b o l o g y I n t e rna t i o n al， 1 9 9 9 ， 3 2 ， 1 -1 3． [ 5 】 B ． E ．G u ． F i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s o f U - t y p e S e a l f o r Ma s t e r C y l i n d e D ] ． P u s a n P u s a n N a t i o n al U n i v e r i s i t y ，2 0 0 3 ． [ 6 ] A ． G a b e U i ，F ． P o n s o n ，G ．P o l 1 ． C o m p u t a t i o n a n d Me a s u r e m e n t o f the S e a l i n g C o n t a c t S t r e s s a n d I t s Ro l e i n Ro t a r y L i p S e al D e s i g n[ H I ． B rng g e 1 3 t h I n t e rna t i o n al C o n f e r e n c e o n F l u i d S e ali n g ，1 9 9 2 ． B H R A [ 7 】 K ． 0 ．L e e ，Y ． M．H u r a ，J ． H．K ang ，S ． S ．K a n g ．P e r f o rma n c e E s t i ma t i o n o f Du s t W i p e r s for Hy d r a u l i c C y l i n d e r s a n d O p t i mi z a t i o n o f G e o m e t r i c D e s i g n V a r i a b l e s [J 】 ．J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ， 1 8 7 1 8 8 ． 【 8 】 C h i o d o ， C h ri s t o p h e r M． A v o i d i n g C o m mo n C a u s e s o f O - ri n g F a i l u r e ．P l a n t E n g i n e e ri n g [ J ] ． B a r r i n g t o n ，I l l i n o i s ， v 5 8 n 2 F e b r u a r y ，2 0 0 4 ． [ 9 】 A S ME B 4 6 ． 1 - 2 0 0 9 ，S u rf a c e T e x t u re S u rf a c e R o u g h n e s s ， Wa v i n e s s a n d L a y I S ] ． [ 1 0 ] HB ／ Z 4 9 5 ， O形密封圈及密封结构的设 计要求【 S ] ． 【 1 1 】 S A E A S 4 7 1 6 B - 2 0 1 1 ，G l a n d D e s i g n ，O - R i n g a n d O the r E l a s t o m e r i c S e a l s [ S ] ． [ 1 2 ] S A E A S 5 8 5 7 A - 2 0 1 0，G l a n d D e s i g n ，O - R i n g a n d O t h e r E l a s t o m e r i c S e a l s ，S t a t i c A p p l i c a t i o n s [ S ] ． [ 1 3 】徐飞云 ， 张涛． 影响锥形 喇叭 口密封性 的有 限元 分析[ J ] ． 机 电 工程 ， 2 0 1 2 ， 7 ． 液压气动与密封 杂志社 ■■■ 尊敬 的读者 您好 液压气 动与密封 杂 志是 由中国液压气 动密 封件 工业 协会 主办的中央级技术性期刊， 国 内外公开发行 ， 月刊 ， 1 9 8 1 年创刊 ， 是 “ 中国科 技核心期刊” 本 刊以服务 于液压 、 液力 、 气 动与密封及 其主机行 业为宗 旨， 以面 向企业 、 面向生产 ， 理论与应用相结合 的方针 ， 主要 报道国 内外 最新 的液压 、 液力 、 气 动与密封 技术及其 应用 ， 设有综述与评论 、 设计 与研 究 、 系统与应用 、 新产品 新技术 新工艺、 使用与维护 、 行 业 专题等栏 目． 读者 对象 为本 行业 的工程技术人员 、 管理人员 、 销售人员 、 安装调试 和使用 维修人员 ， 以及有关大专院校的师生。 在此特 向您征集 与我 刊栏 目相关 的稿件 ， 使杂志 内容能更加贴近广大读者 。 更好地 为行业服务 。 稿件格式见 网站 h t t p ／ ／ w w w ．c h p s a ． 0 r g ． c n ／ ma g a z i n e m a i n 1 ． a s p x “ 投稿服务 ” 栏 目。 联 系人 张婷婷李绍云 联系 电话／ 传真 0 1 0 6 8 5 9 4 9 0 0 投稿 邮箱 c h p s a y q m1 6 3 ．c o m； c h p s a y q mm e i ． n e t ． e n 71