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(jī)舵面操作系統(tǒng)與動(dòng)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(hào)的性能和飛行安全。美國(guó)20世紀(jì)70年代相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，飛機(jī)作動(dòng)失效而必須更換維修的情形中，90%以上的原因?yàn)橥鶑?fù)型密封件失效[1]。動(dòng)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不能按預(yù)定目標(biāo)進(jìn)行作動(dòng)，造成嚴(yán)重的事故。美國(guó)F-100飛機(jī)操縱系統(tǒng)發(fā)生故障，俯沖轉(zhuǎn)彎時(shí)曾發(fā)生自動(dòng)偏舵，水平尾翼和方向舵自由浮動(dòng)，原因?yàn)橥鶑?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(jī)特別是軍機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，為追求大攻角超機(jī)動(dòng)飛行、推力矢量控制和主動(dòng)控制[2]，其液壓系統(tǒng)朝著高壓（28/35 MPa）、變壓力（巡航21 MPa，機(jī)動(dòng)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(qiáng)振動(dòng)環(huán)境，均對(duì)往復(fù)型密封件的可靠性和壽命提出了更為嚴(yán)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(zhǎng)時(shí)間的航空型號(hào)服役優(yōu)勢(shì)，通過(guò)數(shù)據(jù)的積累、實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)以及試驗(yàn)軟硬件設(shè)施的配備，其已形成包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、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(biāo)準(zhǔn)體系[4-7]。   然而，我國(guó)主流航空密封件基本被國(guó)外大型公司壟斷，某些情況下，雖能通過(guò)國(guó)內(nèi)廠商生產(chǎn)，但生產(chǎn)技術(shù)水準(zhǔn)很難和國(guó)外如美國(guó)Parker、德國(guó)Folon.A等相比；同時(shí)，相應(yīng)性能考核標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度、扯斷伸長(zhǎng)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(duì)于實(shí)際服役性能，如關(guān)鍵的動(dòng)密封性能和抗擠出性能等考核捉襟見(jiàn)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(dòng)狀態(tài)下密封性能不達(dá)標(biāo)，擠出現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題。   基于國(guó)內(nèi)往復(fù)型密封件發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)家發(fā)布了《國(guó)家中長(zhǎng)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(diǎn)研究開(kāi)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(jì)、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(guó)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(guò)剩，高端產(chǎn)品依賴進(jìn)口，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏，設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、應(yīng)用等關(guān)鍵共性技術(shù)亟待發(fā)展等問(wèn)題。此外，隨著往復(fù)型密封件實(shí)際使用過(guò)程中問(wèn)題的累積，國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)使用單位對(duì)密封件的性能及試驗(yàn)研究驗(yàn)證提出了迫切的需求。筆者通過(guò)查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)以及相關(guān)科研經(jīng)驗(yàn)，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(guó)內(nèi)往復(fù)型密封件靜密封性能、關(guān)鍵動(dòng)密封性能和抗擠出性能（磨損量）的試驗(yàn)評(píng)價(jià)技術(shù)，詳細(xì)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(píng)價(jià)技術(shù)
  往復(fù)型密封件性能評(píng)價(jià)應(yīng)基于其實(shí)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(shí)的往復(fù)行程和運(yùn)動(dòng)速率等，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮環(huán)境載荷帶來(lái)的附加效應(yīng)，如振動(dòng)偏載等。性能評(píng)價(jià)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(yàn)夾具或設(shè)備發(fā)生重大或過(guò)多變化，此外，在全面考慮環(huán)境剖面的同時(shí)，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(píng)價(jià)技術(shù)
  往復(fù)型密封件處在一個(gè)多變的環(huán)境下，如裝配后的初始?jí)嚎s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(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛、壓縮永久變形等，這些“靜”性能均對(duì)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(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估的。   圖1給出了往復(fù)型密封件靜密封性能的測(cè)試原理，整個(gè)測(cè)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(cè)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(dòng)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(dòng)筒活塞桿，溝槽設(shè)計(jì)十分嚴(yán)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(cè)量孔：用于連接泄漏測(cè)量系統(tǒng)，評(píng)價(jià)泄漏量； （6）測(cè)試試樣。   靜密封性能測(cè)試的環(huán)境剖面加載如下： （1）系統(tǒng)工作壓力：通過(guò)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(guò)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?jí)嚎s、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(cè)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(dòng)密封性能評(píng)價(jià)技術(shù)
  在作動(dòng)筒進(jìn)行作動(dòng)過(guò)程中，往復(fù)型密封件需承受活塞運(yùn)動(dòng)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(dòng)偏載等復(fù)雜載荷的耦合影響，其“動(dòng)”密封性能考核十分嚴(yán)苛。   圖2給出了往復(fù)型密封件動(dòng)密封性能的測(cè)試原理，整個(gè)測(cè)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(cè)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)  7-泄漏量評(píng)價(jià)系統(tǒng)  8-注油孔  9-測(cè)試試樣 圖2 往復(fù)型密封件動(dòng)密封性能測(cè)試原理   （1）活塞桿：模擬作動(dòng)筒內(nèi)部活塞，與相應(yīng)襯套和測(cè)試密封件組合成類作動(dòng)筒功能系統(tǒng)； （2）行程加載活塞：通過(guò)控制活塞運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(cè)試用密封件，與活塞桿配合； （4）偏載襯套：與活塞桿配合，實(shí)現(xiàn)徑向偏載（也可加裝測(cè)試用密封件）； （5）偏載活塞：通過(guò)外加油壓實(shí)現(xiàn)活塞桿徑向偏載； （6）溫度測(cè)量系統(tǒng)：用于測(cè)量往復(fù)型密封件所處的溫度環(huán)境； （7）泄漏量評(píng)價(jià)系統(tǒng)：用于測(cè)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(gè)系統(tǒng)供給恒壓或可變壓力； （9）測(cè)試試樣。   動(dòng)密封性能測(cè)試的環(huán)境剖面加載如下： （1）系統(tǒng)工作壓力：通過(guò)件⑧施加靜壓或壓力脈沖，可模擬往復(fù)型密封件服役過(guò)程中所處的高壓、變壓環(huán)境； （2）老化效應(yīng)：通過(guò)環(huán)境箱施加-55 ℃或150℃的老化溫度，并用件⑥進(jìn)行測(cè)量，在密封件承受初始?jí)嚎s、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(guò)外加液壓驅(qū)動(dòng)件②進(jìn)行作動(dòng)，推動(dòng)件①正向或逆向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)活塞桿行程的加載； （4）振動(dòng)偏載（徑向）：通過(guò)液壓對(duì)件⑤施加載荷，其會(huì)推動(dòng)件①偏向另一側(cè)，此時(shí)本側(cè)的測(cè)試密封件處于“松”狀態(tài)，另一側(cè)的測(cè)試密封件處于“緊”狀態(tài)；調(diào)整外部液壓供給系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)另一側(cè)液壓供給，同時(shí)本側(cè)液壓斷供，即實(shí)現(xiàn)兩側(cè)液壓的瞬間轉(zhuǎn)換，此時(shí)本側(cè)的測(cè)試密封件處于“緊”狀態(tài)，另一側(cè)的測(cè)試密封件處于“松”狀態(tài)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)換會(huì)使密封件密封更傾向于“泄漏”，從而達(dá)到考核目的。 動(dòng)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(píng)價(jià)技術(shù)
  在作動(dòng)筒進(jìn)行作動(dòng)過(guò)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(duì)其抗擠出性能（磨損量）進(jìn)行系統(tǒng)客觀地評(píng)價(jià)。   往復(fù)型密封件抗擠出性能（磨損量）的測(cè)試原理同圖2。   抗擠出性能（磨損量）的測(cè)試評(píng)價(jià)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(yàn)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(shí)際工作壓力，溫度為室溫，不計(jì)量泄漏量。試驗(yàn)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(jìn)行磨損量計(jì)算，進(jìn)而評(píng)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(dòng)密封性能和抗擠出性能（磨損量）對(duì)樣本量需求較高，在實(shí)際的性能評(píng)價(jià)過(guò)程中，可適當(dāng)加長(zhǎng)活塞桿的長(zhǎng)度，相應(yīng)地，與之相配合的襯套及偏載襯套也會(huì)加長(zhǎng)，這樣就有足夠的空間來(lái)加工更多的溝槽，在一次試驗(yàn)中測(cè)試更多的密封件，從而積累更多樣本測(cè)試數(shù)據(jù)，使評(píng)價(jià)結(jié)果更為客觀。在樣本量增加后，會(huì)遇到單次行程不滿足實(shí)際要求的狀況，可通過(guò)增加作動(dòng)頻次來(lái)補(bǔ)償。     2. 總結(jié)   本文通過(guò)對(duì)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(dòng)密封性能和抗擠出性能（磨損量）評(píng)價(jià)技術(shù)，系統(tǒng)闡述了各評(píng)價(jià)技術(shù)的試驗(yàn)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(shí)可行的方法參考，具體結(jié)論如下：   （1）靜密封性能、動(dòng)密封性能和抗擠出性能（磨損量）評(píng)價(jià)技術(shù)均關(guān)注測(cè)試部位的壓力以及環(huán)境老化效應(yīng)； （2）動(dòng)密封性能評(píng)價(jià)技術(shù)引入了徑向偏載，考察了往復(fù)型密封件在實(shí)際服役過(guò)程中所處的振動(dòng)環(huán)境； （3）抗擠出性能（磨損量）評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)往復(fù)型密封件在復(fù)雜環(huán)境下的服役能力及壽命進(jìn)行了評(píng)估，為設(shè)計(jì)選用提供了有力參考。