飞机液压管路遍布于飞机的各个位置，通过在管道内部运输高压油液来保障飞机各元器件的正常使用和安全飞行，因此液压管路既是飞机的动力源，也是飞机的生命线［1］。管路系统由管接头、导管组件、支架和卡箍等组成，其中管接头是管路系统密封失效的频发区域，管路一旦发生泄漏，轻则影响介质的正常运送，重则会引起致命故障，因此开展管接头密封性能的研究具有重要的意义［2］。
寸文渊等［3］和Yan等［4］研究了振动工况对管路密封性能的影响规律，分析了管件振动的密封失效机理。陈迪等［5］通过对二维模型仿真分析，研究了结构参数对密封面的接触应力与密封性能的影响规律。Wenk等［6］采用三维多尺度有限元接触模型来复现结构的实际密封状态，并考虑了弹性体的几何尺寸和表面粗糙度。Deng等［7］研究了不同拧紧力矩下密封界面的微观磨损行为，并通过试验得出了不同液压和拧紧力矩下管接头密封性能的演化规律。丁建春等［8］建立了典型管接头拧紧力矩与密封带宽之间的关系，并与试验结果进行了对比。郑世伟等［9］研究了安装参数对无扩口导管连接件的密封性能的影响，给出了参考安装力矩。张旭等［10］建立了管道连接件模型，提出有效密封的判定条件，并通过静力学仿真分析了多种因素对管接头连接件密封性能的影响规律。杜双言等［11］研究了拧紧载荷下管路连接结构密封轴向预紧力形成机理及短期退化对密封性能的影响，并在研究中引入装配偏差的影响。王振兴等［12］研究了连接副密封面的接触力、接触面积和接触应力随拉力的变化规律，并定量分析了发动机钛合金管路连接副的密封性能。Stakenborg等［13］利用有限元方法，研究了密封轴的接触问题及温度对接触特性的影响，得到了可靠的密封状态。Zhai等［14］采用有限元法和设计试验，研究了装配偏差和重复装配对35 MPa航空管接头密封性能的影响。
实际工程中，装配偏差会影响扩口式管接头的密封性能。虽然已经有学者就装配偏差对扩口式管路连接件密封性能的影响进行了研究，但只考虑了单一装配偏差所造成的影响。在实际工程中，往往是多种偏差共同作用于管接头，进而导致密封性减弱。针对这一问题，本文以航空行业标准HB 4-52-2002中第2尺寸系列扩口管路连接件作为研究对象，运用有限元软件，通过设计正交试验讨论3种装配偏差耦合作用对管路密封性能的影响。
1 扩口管路连接件密封机理
1.1 连接件结构
1.2 密封机理
2 装配偏差与密封性准则
2.1 装配偏差
导管装配偏差的具体要求［19］为：
1）长度方向偏差（轴向偏差）：每100 mm导管偏差不超过0.3 mm，对每根导管的总长偏差应控制在0.8 mm以内。
2）径向偏差：导管自由端须与接头或附件管嘴在同一直线上，其偏差按导管每100 mm（从最近的支撑件算起）不超过0.3 mm。
3）角度偏差：导管自由端须与接头或附件管嘴平行，允许的偏差不超过2°。
2.2 密封性准则
1）密封面宽：扩口式管接头的密封面为锥形接触面，锥面某点应力大于材料屈服极限时，认为该点发生了塑性形变。当塑性形变区域形成完整的环状密封带时，认为接触面形成了有效密封。在受到装配偏差等因素影响时，环形密封带的宽度不均匀，此时取环形密封带最窄宽度作为密封面宽。丁建春等［8］研究表明，通径在12 mm及以下时，密封面宽取1 mm左右较为合理，通径在14~32 mm时，密封面宽取0.5 mm左右较为合理。
2）有效密封面积：将密封面宽对应的环形密封接触区域称为有效密封区域，该区域的面积为有效密封面积。
3）密封比压：密封比压为有效密封区域内的总接触力与有效密封面积的比值，大小为有效密封区域内的平均接触应力。当密封接触对为两种不同硬度材料时，密封比压应保持在较软材料屈服强度的1~3倍［21］。
有效密封面积可通过密封面宽计算，二者是线性正相关的，因此选取密封面宽和密封比压作为密封性的评价指标。
3 扭拉关系
在拧紧过程中，只有相对滑动的接触面提供与拧紧力矩 相平衡的摩擦力矩。根据机械设计手册［22］可知，对于螺栓连接，其拧紧力矩 用于克服螺纹副的螺纹阻力矩 及螺母与被连接件支承面间的端面摩擦力矩 ，拧紧力矩的计算公式为
式中： 为轴向预紧力； 为螺纹升角； 为螺纹当量摩擦角； 为螺纹中径； 为螺母与被连接件的摩擦因数； 为螺母的当量摩擦半径。
、 和 的计算公式分别为
式中： 为螺距； 为螺纹摩擦因数； 为螺纹半角； 和 分别为螺母接触区域的内、外半径。
式中： 为接触面 的摩擦力矩； 为外套螺母与直通管接头之间螺旋副的螺纹中径； 为管接头锥头处锥角的一半； 为平管嘴内锥角的一半； 为接触面 的摩擦因数； 为接触面 的等效半径。
将式（1 ）、（5 ）和（8）带入式（9） 得
式中： 和 分别为平管嘴和外套螺母接触环的内、外圈半径。
4 数值仿真
4.1 材料
导管、直通管接头、平管嘴和外套螺母的材料分别为1Cr18Ni9Ti、2A12、1Cr17Ni2和45钢，其材料力学属性见文献［25］。
4.2 有限元模型
选取第2尺寸系列公称外径为10 mm的扩口管路连接件为研究对象，扩口导管长度取50 mm。由于导管结构及载荷的对称性，取1/2进行计算。在有限元模型中，将5对接触面均设为摩擦接触。 和 接触面为钢-铝接触，摩擦因数为0.17； 、 和 接触面为钢-钢接触，摩擦因数为0.15［22］。在直通管接头端面施加固定约束，在管内表面施加工作压力为15.2 MPa。
4.3 仿真结果
4.3.1 接触面压力
有限元模型中导管长为50 mm，根据《飞机液压管路系统设计、安装要求》，最大轴向偏差为-0.15 mm，最大径向偏差为0.15 mm，最大角度偏差为2°。通过有限元仿真，得到无装配偏差的接触面压力分布，如图4a所示；单独轴向偏差（-0.15 mm）、单独径向偏差（0.15 mm）和单一角度偏差（2°）的接触面压力分布分别如图4b、4c和4d所示。从图4a可以看出，无装配偏差时，导管内侧形成一条均匀的密封环；从图4b可以看出，存在轴向偏差时，密封面宽度和接触面压力均减小；从图4c可以看出，存在径向偏差时，密封面宽度变化并不明显，但所形成的密封环向径向偏差方向偏移，由圆形密封带变成椭圆形密封带，且接触面压力略微增加；从图4d可以看出，存在角度偏差时，密封面不再是规则的环形密封带，整个密封带出现了粗细不一的特征，与旋转方向相反的一端密封面宽度出现了明显减小，而与旋转方向相同的一端接触面压力出现了明显增大。
4.3.2 单一装配偏差对管路密封性的影响
表1 密封面宽和密封比压的对比 |
| 密封面宽/mm | 密封比压/MPa | |
|---|---|---|
| 无偏差 | 1.617 8 | 278.907 8 |
| 轴向偏差 （-0.15 mm） | 0.945 4 | 273.191 1 |
| 径向偏差 （0.15 mm） | 1.543 9 | 285.381 8 |
| 角度偏差（2°） | 1.194 5 | 296.248 1 |
4.3.3 耦合装配偏差对管路密封性的影响
采用 正交表，将影响密封性的3种装配偏差以不同大小耦合作用进行正交试验。当轴向偏差为正值时，管接头锥面与扩口导管锥面处于一种预压紧状态，此时轴向偏差对管路密封的影响是积极的，因此只考虑使管路密封性下降的负轴向偏差。正交试验因素及水平如表2所示。
表2 正交试验因素及水平 |
| 水平 因 素 | A | B | C |
|---|---|---|---|
| 轴向/mm | 径向/mm | 角度/（°） | |
| 1 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | -0.075 | 0.075 | 1 |
| 3 | -0.15 | 0.15 | 2 |
正交试验与极差分析结果如表3所示，空白组作为对照组，用来衡量试验过程中随机误差的大小。R为极差，极差越大，说明该因素对试验结果影响越显著。3种因素对密封面宽影响结果依次为A>C>B，即最显著的是轴向偏差，其次是角度偏差，影响最小的是径向偏差。3种因素对密封比压的影响结果依次为C>A>B，即最显著的是角度偏差，其次是轴向偏差，影响最小的是径向偏差。
表3 正交试验与极差分析结果 |
| 试验编号 | A | B | C | D | 密封面宽/mm | 密封比压/MPa | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 轴向偏差 | 径向偏差 | 角度偏差 | 空白 | ||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1.617 8 | 278.907 8 | |
| 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 1.418 7 | 293.388 5 | |
| 3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 1.393 6 | 298.992 0 | |
| 4 | 2 | 1 | 2 | 3 | 1.045 5 | 283.483 2 | |
| 5 | 2 | 2 | 3 | 1 | 1.020 5 | 287.428 1 | |
| 6 | 2 | 3 | 1 | 2 | 1.319 8 | 280.471 1 | |
| 7 | 3 | 1 | 3 | 2 | 1.070 6 | 281.819 6 | |
| 8 | 3 | 2 | 1 | 3 | 1.257 1 | 276.699 0 | |
| 9 | 3 | 3 | 2 | 1 | 1.145 7 | 288.714 8 | |
| 密封面宽 | 0.348 1 | 0.054 3 | 0.236 7 | 0.037 6 | |||
| 密封比压 | 7.998 3 | 7.969 1 | 10.740 6 | 1.374 5 | |||
正交试验方差分析的F值如表4所示。对比F值可知，3种装配偏差对密封面宽影响排序为A>C>B，即轴向偏差影响最显著，其次是角度偏差，径向偏差影响最小。3种装配偏差对密封比压影响排序为C>A>B，即角度偏差影响最显著，其次是轴向偏差，径向偏差影响最小。方差分析结论与极差分析结论相同，即3种装配偏差耦合作用时，轴向偏差和角度偏差对管路密封性能影响显著，径向偏差影响较小。
表4 正交试验方差分析的 F 值 |
| 方差来源 | 密封面宽 | 密封比压 |
|---|---|---|
| A | 48.027 4 | 33.770 2 |
| B | 1.377 9 | 29.396 5 |
| C | 22.246 5 | 65.454 4 |
| D（误差） | 1 | 1 |
5 结论
根据扩口式液压管路连接件的结构特点，考虑连接件接触对的多种接触，根据扭拉关系建立有限元模型，分析单一装配偏差及耦合偏差对管路连接件密封性能的影响规律，得出的结论如下：
1）单一装配偏差对管路密封性的影响：随着负轴向、径向和角度偏差的增大，密封面宽均减小，负轴向偏差对密封面宽影响最显著；随着径向偏差和角度偏差的增大密封比压增加；随着负轴向偏差的增大密封比压减小，角度偏差对密封比压的影响最显著。
2）耦合装配偏差对管路密封性的影响：装配偏差会导致管路连接件密封面宽减小，密封性能下降。在3种装配偏差中，轴向偏差与角度偏差对管路密封性影响显著。
3）正轴向偏差会使得密封面宽和密封比压均增大，对密封性的影响是积极的。但过大的正轴向偏差会使得密封面的接触压力过大，可能导致密封组件破坏，存在安全隐患。
综上，在实际连接件装配过程中，在标准规定的范围内，应严格控制负轴向偏差与角度偏差，尽量减小正轴向偏差和径向偏差。