基于FM-1密封材料低溫性能研究

劉媛媛 莊宇 陳勁 蔡文健

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100076)

1 引言

火工技術(shù)是航天飛行器的關(guān)鍵技術(shù)之一，幾乎每個航天飛行器均需要幾個到幾十個火工裝置完成關(guān)鍵程序動作與任務(wù)。由于包含爆炸產(chǎn)物，火工裝置的密封設(shè)計是非常重要的。

火工裝置的密封主要有兩個作用，一是保證裝置不受外界環(huán)境的影響 ，防止?jié)駳夂蛪m土進(jìn)入作動裝置內(nèi)部; 二是減少燃?xì)獾男孤┖臀廴荆岣呋鹚幠芰康睦寐?，保證產(chǎn)品性能穩(wěn)定一致?！癘”形橡膠圈常用于火工裝置的端面密封和活動表面密封。密封圈的失效會影響產(chǎn)品的工作性能和可靠性，甚至影響整個系統(tǒng)的安全性。航天器在太空面臨的嚴(yán)酷環(huán)境對配套產(chǎn)品密封性有更高的要求，密封圈在低溫下失效曾造成美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機(jī)失事等重大事故。因此針對火工裝置密封圈在低溫下的性能進(jìn)行研究具有重要的意義。

2 密封圈的工作原理

2.1 “O”形圈密封原理

“O”形圈是靠壓力密封，作用于密封圈一側(cè)的壓力將密封圈壓緊在活塞和內(nèi)孔間的環(huán)形槽內(nèi)，橡膠彈性材料受壓縮后產(chǎn)生自動的壓緊效應(yīng)，形成接觸面間的接觸應(yīng)力來實現(xiàn)密封。“O”形密封圈安裝在密封槽中，前后有相同的擋肩，見圖1。圖中，P0為接觸壓力，P為被密封介質(zhì)內(nèi)壓。

圖1 “O”形圈密封原理示意圖Fig.1 “O”-ring seal schematic diagram

在火工裝置工作時，藥盒位置壓力上升很快，腔內(nèi)各處的壓力最初是不平衡的。在密封圈被壓緊前，燃?xì)馔ㄟ^活塞與內(nèi)壁的小間隙進(jìn)入密封槽，在氣流的作用下，密封圈與內(nèi)壁接觸部位可能會被擠開，導(dǎo)致燃?xì)饬鬟^密封圈噴射出去。這樣可能導(dǎo)致短時的泄漏。一旦密封圈一側(cè)被擠壓到位后，密封圈才恢復(fù)密封。

2.2 “O”形圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

“O”形密封圈是典型的擠壓型密封。O形圈截面直徑的壓縮率和拉伸量是密封設(shè)計的主要內(nèi)容，對密封性能和使用壽命有重要意義。O形密封圈有良好的密封效果很大程度上取決于O形圈尺寸與溝槽尺寸的正確匹配，形成合理的密封圈壓縮量與拉伸量。

密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計為密封圈選取的首要環(huán)節(jié)，也是保證產(chǎn)品可靠密封的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。圖2為“O”形圈結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。主要設(shè)計參數(shù)為壓縮率、拉伸率。圖中，d1為“O”形圈內(nèi)徑(對活塞桿密封為外徑); d2為“O”形橡膠圈截面直徑。

圖2 “O”形圈結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig. 2 “O”-ring seal structure design

壓縮率反映密封圈裝入溝槽后壓縮量，計算公式如下:

式中 k 為“O”形橡膠圈壓縮率; D0為溝槽外直徑; d0為溝槽內(nèi)直徑。

實際計算時按溝槽和“O”形圈的上下極限尺寸分別計算壓縮率，動密封的壓縮值一般取10%～25%，靜密封取15%～30%。

拉伸率反映密封圈裝入溝槽后拉伸量，計算公式如下:

拉伸率一般在0～8%。

3 密封圈的低溫性能研究

3.1 常用密封圈材料低溫性能

氟醚橡膠以其優(yōu)異性能廣泛應(yīng)用于航天器密封領(lǐng)域。以常用FM-1橡膠圈為例，F(xiàn)M-1的膠料性能如表1所示，其性能數(shù)據(jù)見表2。

表1 FM-1膠料性能Tab. 1 Rubber performance of FM-1

表2 FM-1材料低溫性能數(shù)據(jù)Tab.2 Low temperature properties data of FM-1

通過表中數(shù)據(jù)可以看到，反映密封材料低溫性能的兩個關(guān)鍵指標(biāo)分別是脆性溫度和壓縮耐寒系數(shù)。脆性溫度表示膠料的低溫性能，是指試樣在低溫受一定沖擊力時出現(xiàn)破裂的最高溫度。由于火工裝置為瞬時工作，一般認(rèn)為可以在脆性溫度下完成工作。

壓縮耐寒系數(shù)表征材料低溫下的回彈性。通過表2中數(shù)據(jù)可知FM-1氟醚橡膠在–30℃～–45℃下壓縮耐寒系數(shù)僅為 0.09～0.12，在橡膠材料中居于中等。一般認(rèn)為，當(dāng)耐寒系數(shù)大于 0.2時，橡膠具有足夠的密封性能。

有相關(guān)研究測量了低溫下通用氟橡膠F246(國產(chǎn))、氟醚橡膠Viton GLT(美國Du Pont公司)、氟醚橡膠CKФ-260MnAH(俄羅斯)的壓縮耐寒系數(shù)，性能如下:

表3 低溫下不同材料的壓縮耐寒系數(shù)Tab.3 Compression coefficient of cold-resistant of different materials in low temperatures

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，氟醚橡膠的低溫性能優(yōu)于傳統(tǒng)氟橡膠，但是同為氟醚橡膠的 FM-I材料相對 Viton GLT(美國)、CKФ-260MnAH(俄羅斯)低溫性能較差。

3.2 FM-1材料“O”形圈低溫性能研究

為進(jìn)一步驗證FM-1材料“O”形圈在低溫下的性能，使用內(nèi)徑(18± 0.16)mm，截面直徑(2±0.09)mm的“O”形圈和配合活塞，其槽底直徑為(18.3±0.05)mm，進(jìn)行了低溫條件下壓縮后的密封圈彈性回復(fù)量測試和脆性測試。

3.2.1 試驗方法

密封圈彈性回復(fù)量測試的試驗方法是，將“O”形圈裝入后，活塞與筒殼對接，放入低溫環(huán)境中，在預(yù)定溫度下保溫2h后，取出試件，迅速拔出活塞，對安裝于其上的“O”形圈目測外形，并用卡尺進(jìn)行最大直徑測量。根據(jù)火工裝置低溫工作溫度要求，試驗設(shè)置了–40℃、–50℃、–60℃、–70℃、–80℃5個溫度梯度。為保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，排除測量誤差，試驗采用了6組相同尺寸的密封圈與活塞作為樣本。

密封圈脆性測試的方法是，在溫箱內(nèi)放置了2個“O”形圈，直接觀察低溫脆斷情況。

3.2.2 試驗數(shù)據(jù)與分析

3.2.2.1 密封圈彈性回復(fù)量測試

常溫下測量6個活塞上密封圈外徑尺寸見下表。

表4 常溫時活塞上密封圈外徑Tab.4 Outside diameter of piston seals in normal temperature

由表中數(shù)據(jù)分析，常溫時活塞上密封圈外徑差最大為0.33，如排除測量誤差，這個差異應(yīng)該由活塞和密封圈的尺寸公差引起。取平均值后計算密封圈壓縮率為19.4% 。

在預(yù)定溫度下保溫2h后，于80s內(nèi)用卡尺測量活塞上密封圈外徑變化(部分樣本因測量時間短未完全記錄)。試驗曲線見圖3～圖7所示:

圖3 –40℃時活塞上密封圈外徑Fig. 3 –40 ℃ the outside diameter of the seal

圖4 –50℃時活塞上密封圈外徑變化Fig. 4 –50 ℃ the outside diameter of the seal

圖5 –60℃時活塞上密封圈外徑Fig. 5 –60 ℃ the outside diameter of the seal

圖6 –70℃時活塞上密封圈外徑變化Fig. 6 –70 ℃ the outside diameter of the seal

圖7 –80℃時活塞上密封圈外徑Fig. 7 –80 ℃ the outside diameter of the seal

觀察圖3～圖7中密封圈回彈數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在同一溫度下不同樣本密封圈的回彈曲線基本保持一致。隨測試時間的推移，密封圈回復(fù)量越大，回彈曲線趨于平穩(wěn)。

對比不同溫度下的回彈數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試驗溫度越低，相同時間內(nèi)密封圈回彈量越小，回彈越慢。

計算80s回彈時間內(nèi)，不同溫度下樣本密封圈的平均壓縮率, 見表5。

表5 低溫下密封圈壓縮率Tab.5 Compression ratio of seal ring in low temperatures

從表5中可以看到，隨溫度降低密封圈的壓縮率逐漸減小，環(huán)境溫度低于–70℃時，密封圈的回復(fù)性下降尤其明顯，70s～80s內(nèi)測量時壓縮率小于10% 。由于火工品作用時間很快，在幾毫秒到幾百毫秒之間，所以關(guān)注10s～20s內(nèi)密封圈回彈性可以看到密封圈壓縮率基本為0，與初始設(shè)計值19.4%存在極大差距，會對火工裝置密封效果造成影響。

3.2.2.2 密封圈低溫脆性測試

將放置在–80℃環(huán)境下的密封圈保溫2h后取出，使用鑷子夾住密封圈，在桌子上對其進(jìn)行扭曲試驗。2個密封圈均在出箱20s內(nèi)進(jìn)行扭曲，未出現(xiàn)脆斷情況。

由試驗數(shù)據(jù)分析，低溫條件下 FM-1材料密封圈的回彈性隨溫度降低顯著下降，由計算得到了低溫下的FM-1材料密封圈壓縮率遠(yuǎn)低于設(shè)計值，這會對密封性造成較大影響，有可能引發(fā)火工裝置失效和污染物泄露等問題。從–80℃環(huán)境下取出的“O”形圈試驗情況看，在此溫度下，“O”形圈雖然出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，但尚未達(dá)到受外力即脆斷的程度。由于以往航天火工裝置密封設(shè)計中過于強(qiáng)調(diào)壓縮率指標(biāo)，本次試驗據(jù)為密封圈低溫使用設(shè)計提出了新要求。

4 低溫下密封圈性能對火工裝置的影響

低溫下密封失效會直接影響火工裝置的發(fā)火性能，造成泄漏和污染，嚴(yán)重時會影響整個系統(tǒng)的可靠性和安全性。下面將結(jié)合實際產(chǎn)品分析低溫下密封圈性能對火工裝置工作性能的影響。

以幾種典型火工裝置為例，產(chǎn)品用“O”形橡膠圈(FM-1材料)密封高溫高壓燃?xì)?。各產(chǎn)品配套使用的“O”形圈規(guī)格及使用溫度要求見表6。表7為幾種典型火工裝置高溫、常溫、低溫狀態(tài)下性能試驗數(shù)據(jù)。

表6 各產(chǎn)品配套使用的“O”形圈規(guī)格及使用溫度Tab.6 Specifications and use temperature of "O"-ring supporting products

表7 火工裝置高、低溫性能試驗數(shù)據(jù)Tab.7 High and low temperature performance test data of pyrotechnic devices

由表7中數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)品的低溫工作性能與高溫、常溫組產(chǎn)品存在微小差異。表現(xiàn)在工作壓力峰值下降以及工作時間變長。由于低溫環(huán)境對藥劑燃燒、運(yùn)動部件的磨擦系數(shù)等多種因素均有影響，尚不能將工作性能的差異單一歸結(jié)于低溫橡膠圈密封性能下降。

由于XX彈射器工作時間均小于3ms，燃?xì)庑孤┝肯鄳?yīng)地處于較低范疇，理論上講，對產(chǎn)品的工作性能影響較小。

XX作動筒、XX分離彈射器兩種產(chǎn)品工作時間長，“O”形圈密封性能下降對產(chǎn)品工作性能影響程度要大一些，因此，針對XX作動筒、XX彈射器I兩種產(chǎn)品進(jìn)行專項試驗驗證。

4.1 無“O”形圈產(chǎn)品的發(fā)火試驗

選擇XX作動筒、XX分離彈射器各1發(fā)進(jìn)行了無密封圈條件下的低溫點火試驗。試驗加載工況和試驗測量方法與表7中批驗收試驗時保持一致。實測結(jié)果見表8。

表8 無“O”形圈產(chǎn)品的低溫發(fā)火試驗結(jié)果Tab.8 Cryogenic ignition test results w ithout "O"-ring

與表 7中有“O”形圈產(chǎn)品低溫發(fā)火試驗對比，低溫?zé)o密封圈情況下兩種產(chǎn)品的工作性能均受到一定程度的影響。表現(xiàn)為兩種產(chǎn)品的工作時間均變長: XX作動筒的工作時間延長約30ms、XX分離彈射器工作時間延長約10ms。XX分離彈射器的彈射速度有所下降。

此項試驗?zāi)艹浞终f明低溫下密封圈失效對產(chǎn)品工作性能的影響。事實上，雖然“O”形圈在低溫下密封性能會下降，但其仍存在于密封圈環(huán)面的縫隙中，起到一定的封堵燃?xì)獾淖饔茫藭r產(chǎn)品的密封性能相對于取消“O”形圈的產(chǎn)品要好得多。

4.2 產(chǎn)品在低溫環(huán)境下進(jìn)行高壓檢漏試驗

為模擬密封圈低溫工作環(huán)境，挑選2種產(chǎn)品各3件進(jìn)行高壓檢漏試驗。將產(chǎn)品在低溫環(huán)境下保溫2h以上，然后按照表9所列的檢漏壓力進(jìn)行高壓檢漏。表9中檢漏壓力考慮到設(shè)備能力與操作安全因素，最高檢漏壓力不超過60MPa。

表9 兩種產(chǎn)品低溫環(huán)境及檢漏壓力條件Tab.9 Low-temperature environment and leak detection pressure condition of two products

依據(jù)QJ3253-2005《氣泡檢漏試驗方法》，使用浸泡法，對參檢產(chǎn)品進(jìn)行密封性能檢查，試驗浸泡液體為無水乙醇，示漏氣體為壓縮空氣，保壓時間1m in。根據(jù)產(chǎn)品在低溫環(huán)境下的高壓檢漏試驗結(jié)果，對產(chǎn)品用密封圈的低溫密封性能給出結(jié)論。

試驗時，產(chǎn)品與無水乙醇都放進(jìn)溫箱內(nèi)進(jìn)行保溫，保溫時間不少于 2.5h; 滿足保溫時間要求后將產(chǎn)品及無水乙醇取出，產(chǎn)品從溫箱取出至檢漏開始時間約半分鐘。

產(chǎn)品試驗情況如下，XX作動筒及XX分離彈射器在低溫–60℃下保溫2.5h后，分別進(jìn)行高壓檢漏，保壓1min，2種產(chǎn)品各3件均無氣泡冒出，在該條件下密封圈的性能幾乎沒有損失。

通過以上試驗說明低溫下密封圈的性能不只與初始壓縮率有關(guān)，雖然低溫對密封圈回彈性有較大影響，但整體密封性下降幅度有限。

該檢漏試驗在設(shè)計實驗條件時也存在幾點不足，不能充分驗證低溫環(huán)境下密封圈對火工裝置性能的影響。 最高檢漏壓力值不能覆蓋火工裝置內(nèi)部燃?xì)飧邏悍秶? 最低溫度為–60℃，未進(jìn)行更嚴(yán)格條件下的試驗，從表5中數(shù)據(jù)分析可知，F(xiàn)M-1材料在–70℃時的低溫性能比–60℃下降很多; 并且低溫高壓檢漏試驗中加壓過程非常緩慢，不能模擬火工品內(nèi)部高壓氣體瞬時作用情況。

5 結(jié)束語

本文通過試驗研究了低溫下 FM-1密封圈性能，測量了低溫下密封圈的回彈性數(shù)據(jù)和回彈量隨時間變化的曲線，并通過進(jìn)一步計算得出了低溫下的FM-1材料密封圈壓縮率遠(yuǎn)低于設(shè)計值的結(jié)論，這會對密封性造成較大影響。

結(jié)合火工裝置實例對低溫下密封圈對產(chǎn)品性能造成的影響進(jìn)行試驗驗證，發(fā)現(xiàn)低溫下火工產(chǎn)品的密封性不會因為密封圈回彈性降低而下降很多。由于試驗條件限制，本文對FM-1密封材料低溫性能的研究還不夠充分，可以通過改進(jìn)試驗方法展開深入研究。

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