0. 概述   往復(fù)型密封件是液壓系統(tǒng)中重要的結(jié)構(gòu)單元，在現(xiàn)代飛機舵面操作系統(tǒng)與動力收放系統(tǒng)中起關(guān)鍵密封作用，其質(zhì)量的好壞，直接影響到航空型號的性能和飛行安全。美國20世紀70年代相關(guān)統(tǒng)計表明，飛機作動失效而必須更換維修的情形中，90%以上的原因為往復(fù)型密封件失效[1]。動密封件失效輕則使系統(tǒng)工作效率降低，造成輸出或行程減少，重則會導(dǎo)致整個系統(tǒng)不能按預(yù)定目標進行作動，造成嚴重的事故。美國F-100飛機操縱系統(tǒng)發(fā)生故障，俯沖轉(zhuǎn)彎時曾發(fā)生自動偏舵，水平尾翼和方向舵自由浮動，原因為往復(fù)型橡膠密封件損壞，橡膠碎末堵塞出油口所致。此外，隨著現(xiàn)代飛機特別是軍機的進一步發(fā)展，為追求大攻角超機動飛行、推力矢量控制和主動控制[2]，其液壓系統(tǒng)朝著高壓（28/35 MPa）、變壓力（巡航21 MPa，機動35 MPa）等方向發(fā)展[3]，加之液壓系統(tǒng)特殊的高低溫工況以及強振動環(huán)境，均對往復(fù)型密封件的可靠性和壽命提出了更為嚴苛的要求。   西方十分關(guān)注密封件的服役性能，得益于其快速發(fā)展的工業(yè)以及長時間的航空型號服役優(yōu)勢，通過數(shù)據(jù)的積累、實際使用經(jīng)驗的總結(jié)以及試驗軟硬件設(shè)施的配備，其已形成包括設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、應(yīng)用等完善的密封件工業(yè)體系，建立并完善了密封件相關(guān)標準體系[4-7]。   然而，我國主流航空密封件基本被國外大型公司壟斷，某些情況下，雖能通過國內(nèi)廠商生產(chǎn)，但生產(chǎn)技術(shù)水準很難和國外如美國Parker、德國Folon.A等相比；同時，相應(yīng)性能考核標準極度匱乏，受方式方法及硬件設(shè)備等限制，大多僅能考核諸如比重、拉伸強度、扯斷伸長率、模量、拉伸永久變形、壓縮永久變形和低溫回縮性能等材料本身物理性能，對于實際服役性能，如關(guān)鍵的動密封性能和抗擠出性能等考核捉襟見肘、很難全面，因此，造成往復(fù)型密封件經(jīng)常出現(xiàn)低溫性能差，冬天漏油漏氣，高溫下的使用壽命短、易老化，作動狀態(tài)下密封性能不達標，擠出現(xiàn)象嚴重等問題。   基于國內(nèi)往復(fù)型密封件發(fā)展現(xiàn)狀，國家發(fā)布了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》，其明確指出，在制造業(yè)領(lǐng)域“重點研究開發(fā)重大裝備所需的關(guān)鍵基礎(chǔ)件和通用部件的設(shè)計、制造和批量生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)”，密封件位列其中。著眼于解決國內(nèi)基礎(chǔ)研究不足，技術(shù)水平落后，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，中低端產(chǎn)品過剩，高端產(chǎn)品依賴進口，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，設(shè)計、制造、試驗、應(yīng)用等關(guān)鍵共性技術(shù)亟待發(fā)展等問題。此外，隨著往復(fù)型密封件實際使用過程中問題的累積，國內(nèi)相關(guān)設(shè)計使用單位對密封件的性能及試驗研究驗證提出了迫切的需求。筆者通過查閱大量國內(nèi)外文獻以及相關(guān)科研經(jīng)驗，在SAE ARP 820A《Physical & PerformanceTests for Type II (-65 to 275 ℉) O-ring Packings, 3000psi Hydraulic Service》[8]的基礎(chǔ)上，提出適合國內(nèi)往復(fù)型密封件靜密封性能、關(guān)鍵動密封性能和抗擠出性能（磨損量）的試驗評價技術(shù)，詳細描述了其原理和使用建議，為相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的科研工作者提供參考。


1. 往復(fù)型密封件性能評價技術(shù)
  往復(fù)型密封件性能評價應(yīng)基于其實際的服役環(huán)境，參數(shù)應(yīng)能涵蓋工作壓力（如21/28/35MPa等）、最低工作溫度（一般為-55℃）、最高工作溫度（一般為150℃）、工作時的往復(fù)行程和運動速率等，同時應(yīng)適當考慮環(huán)境載荷帶來的附加效應(yīng)，如振動偏載等。性能評價手段應(yīng)盡量通用化，能適應(yīng)受試品材料、結(jié)構(gòu)、規(guī)格等的變化而不使試驗夾具或設(shè)備發(fā)生重大或過多變化，此外，在全面考慮環(huán)境剖面的同時，也應(yīng)減少不必要的繁冗。   1.1 往復(fù)型密封件靜密封性能評價技術(shù)
  往復(fù)型密封件處在一個多變的環(huán)境下，如裝配后的初始壓縮狀態(tài)，高壓及壓力變化，高溫、低溫、溫度沖擊等，加之橡膠密封件自身的粘彈特性，會發(fā)生應(yīng)力松弛、壓縮永久變形等，這些“靜”性能均對其能否正常服役產(chǎn)生影響。因此，往復(fù)型密封件的靜密封性能是要進行嚴格評估的。   圖1給出了往復(fù)型密封件靜密封性能的測試原理，整個測試裝置大致分為3大功能單元：工作壓力供給系統(tǒng)、環(huán)境溫度施加系統(tǒng)和泄漏量測量系統(tǒng)。夾具包括以下6大部分：   （1）腔體：內(nèi)表面尺寸和公差與作動筒相一致，粗糙度要求較高，一般為8～32微英寸； （2）插頭：模擬作動筒活塞桿，溝槽設(shè)計十分嚴格，與腔體相配合，二者間隙不應(yīng)大于0.0025英寸； （3）端蓋：起密封腔體作用； （4）注油孔：起壓力供給作用； （5）泄漏測量孔：用于連接泄漏測量系統(tǒng)，評價泄漏量； （6）測試試樣。   靜密封性能測試的環(huán)境剖面加載如下： （1）系統(tǒng)工作壓力：通過工作壓力供給系統(tǒng)在注油孔處施加靜壓或壓力脈沖，可模擬往復(fù)型密封件服役過程中所處的高壓、變壓環(huán)境； （2）老化效應(yīng)：環(huán)境溫度施加系統(tǒng)可提供-55 ℃或150 ℃的老化溫度，在密封件承受初始壓縮、航空液壓油或滑油浸漬的工作環(huán)境剖面下，模擬往復(fù)型密封件的老化環(huán)境。   由于理論的“0”泄漏是不存在的，所以泄漏量測試系統(tǒng)一定是有讀數(shù)的，關(guān)于泄漏量要求方面，SAE AS820A明確規(guī)定，靜壓力下每件密封件允許的泄漏量不大于5滴/min，壓力脈沖狀態(tài)下每件密封件允許的泄漏量不大于1滴/h。




1.2 往復(fù)型密封件動密封性能評價技術(shù)
  在作動筒進行作動過程中，往復(fù)型密封件需承受活塞運動的摩擦、高壓力或變壓力環(huán)境沖擊、環(huán)境溫度變化以及內(nèi)部摩擦生熱、振動偏載等復(fù)雜載荷的耦合影響，其“動”密封性能考核十分嚴苛。   圖2給出了往復(fù)型密封件動密封性能的測試原理，整個測試裝置主要包括以下9大部分：       -活塞桿  2-行程加載活塞  3-襯套  4-偏載襯套  5-偏載活塞  6-溫度測量評價系統(tǒng)  7-泄漏量評價系統(tǒng)  8-注油孔  9-測試試樣 圖2 往復(fù)型密封件動密封性能測試原理   （1）活塞桿：模擬作動筒內(nèi)部活塞，與相應(yīng)襯套和測試密封件組合成類作動筒功能系統(tǒng)； （2）行程加載活塞：通過控制活塞運動，實現(xiàn)（1）中活塞桿正向或逆向行程； （3）襯套：內(nèi)設(shè)有溝槽，用于安裝測試用密封件，與活塞桿配合； （4）偏載襯套：與活塞桿配合，實現(xiàn)徑向偏載（也可加裝測試用密封件）； （5）偏載活塞：通過外加油壓實現(xiàn)活塞桿徑向偏載； （6）溫度測量系統(tǒng)：用于測量往復(fù)型密封件所處的溫度環(huán)境； （7）泄漏量評價系統(tǒng)：用于測量往復(fù)型密封件的泄漏量； （8）注油孔：用于與液壓源相連，為整個系統(tǒng)供給恒壓或可變壓力； （9）測試試樣。   動密封性能測試的環(huán)境剖面加載如下： （1）系統(tǒng)工作壓力：通過件⑧施加靜壓或壓力脈沖，可模擬往復(fù)型密封件服役過程中所處的高壓、變壓環(huán)境； （2）老化效應(yīng)：通過環(huán)境箱施加-55 ℃或150℃的老化溫度，并用件⑥進行測量，在密封件承受初始壓縮、航空液壓油或滑油浸漬的工作環(huán)境剖面下，模擬往復(fù)型密封件的老化環(huán)境； （3）行程：通過外加液壓驅(qū)動件②進行作動，推動件①正向或逆向運動實現(xiàn)活塞桿行程的加載； （4）振動偏載（徑向）：通過液壓對件⑤施加載荷，其會推動件①偏向另一側(cè)，此時本側(cè)的測試密封件處于“松”狀態(tài)，另一側(cè)的測試密封件處于“緊”狀態(tài)；調(diào)整外部液壓供給系統(tǒng)實現(xiàn)另一側(cè)液壓供給，同時本側(cè)液壓斷供，即實現(xiàn)兩側(cè)液壓的瞬間轉(zhuǎn)換，此時本側(cè)的測試密封件處于“緊”狀態(tài)，另一側(cè)的測試密封件處于“松”狀態(tài)，瞬時轉(zhuǎn)換會使密封件密封更傾向于“泄漏”，從而達到考核目的。 動密封泄漏量的要求與靜密封相同。   1.3  往復(fù)型密封件抗擠出性能（磨損量）評價技術(shù)
  在作動筒進行作動過程中，往復(fù)型密封件需承受復(fù)雜載荷的耦合作用，其極易發(fā)生磨損、擠出失效，因此需對其抗擠出性能（磨損量）進行系統(tǒng)客觀地評價。   往復(fù)型密封件抗擠出性能（磨損量）的測試原理同圖2。   抗擠出性能（磨損量）的測試評價選取偶數(shù)件密封件，一半未老化安裝，另一半老化后安裝。之后將其裝入試驗夾具中（圖2），經(jīng)受5000次短行程循環(huán)（總行程0.156inch/循環(huán)），速率為300cpm，壓力為實際工作壓力，溫度為室溫，不計量泄漏量。試驗完成后，使樣品靜置揮發(fā)掉液壓油，之后采取稱重或截面損失法進行磨損量計算，進而評估在規(guī)定的行程循環(huán)下往復(fù)型密封件的使用壽命。   需指出的是，動密封性能和抗擠出性能（磨損量）對樣本量需求較高，在實際的性能評價過程中，可適當加長活塞桿的長度，相應(yīng)地，與之相配合的襯套及偏載襯套也會加長，這樣就有足夠的空間來加工更多的溝槽，在一次試驗中測試更多的密封件，從而積累更多樣本測試數(shù)據(jù)，使評價結(jié)果更為客觀。在樣本量增加后，會遇到單次行程不滿足實際要求的狀況，可通過增加作動頻次來補償。     2. 總結(jié)   本文通過對航空往復(fù)型密封件所處復(fù)雜環(huán)境的分析，提出了靜密封性能、動密封性能和抗擠出性能（磨損量）評價技術(shù)，系統(tǒng)闡述了各評價技術(shù)的試驗夾具結(jié)構(gòu)及原理，為往復(fù)型密封件的性能考核提供了切實可行的方法參考，具體結(jié)論如下：   （1）靜密封性能、動密封性能和抗擠出性能（磨損量）評價技術(shù)均關(guān)注測試部位的壓力以及環(huán)境老化效應(yīng)； （2）動密封性能評價技術(shù)引入了徑向偏載，考察了往復(fù)型密封件在實際服役過程中所處的振動環(huán)境； （3）抗擠出性能（磨損量）評價技術(shù)對往復(fù)型密封件在復(fù)雜環(huán)境下的服役能力及壽命進行了評估，為設(shè)計選用提供了有力參考。