燃?xì)庋b置橡膠密封件使用壽命預(yù)估研究

許 濤，池旭輝，朱學(xué)珍，封學(xué)華

(1.海軍裝備部，西安 710025；2.中國航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，襄陽 441003)

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燃?xì)庋b置橡膠密封件使用壽命預(yù)估研究

許 濤1，池旭輝2，朱學(xué)珍2，封學(xué)華2

(1.海軍裝備部，西安 710025；2.中國航天科技集團(tuán)公司四院四十二所，襄陽 441003)

為預(yù)估某燃?xì)庋b置硅橡膠密封件的使用壽命，提出了一種不需要先驗(yàn)參數(shù)和模型、完全依賴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的橡膠密封件壽命預(yù)估新方法。新方法以結(jié)構(gòu)氣密性測試判定失效、以壓縮永久變形曲線平移搭接成主曲線的唯象方法確定加速系數(shù)。研究結(jié)果表明，該密封件各溫度下壓縮永久變形與時間的雙對數(shù)曲線呈線性，曲線斜率與溫度的關(guān)系在加速試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)；在轉(zhuǎn)折點(diǎn)兩邊，可用不同的WLF方程描述。根據(jù)壓縮永久變形測試結(jié)果，采用曲線平移搭接成主曲線的方法，內(nèi)插得到密封件125 ℃相對于25 ℃的加速系數(shù)為181.3。通過模擬試驗(yàn)工裝高溫加速氣密性監(jiān)測試驗(yàn)，確定125 ℃下密封件裝配于燃?xì)庋b置中的使用壽命大于43 d。根據(jù)加速系數(shù)，該密封件常溫使用壽命預(yù)估值大于21 a。

物理化學(xué)；密封件；硅橡膠；高溫加速試驗(yàn)；壓縮永久變形；失效；氣密性測試；使用壽命

0 引言

橡膠密封件的使用壽命評估，國內(nèi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 3087—2001[1]。近年常見采用該標(biāo)準(zhǔn)評估橡膠密封件使用壽命的研究工作報道[2-3]。該標(biāo)準(zhǔn)按照傳統(tǒng)的高溫加速老化試驗(yàn)方法，按照式(1)描述材料永久變形c與時間t的關(guān)系：

ln(1-c)=a+b·tα

(1)

其中，指數(shù)項(xiàng)α與材料特性有關(guān)，為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。應(yīng)用Arrhenius方程擬合式(1)斜率b與溫度的關(guān)系，外推常溫下(1-c)的變化速率，對照事先確定的永久變形臨界值c0，預(yù)估密封件壓縮狀態(tài)下的常溫使用壽命。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閏0的確定沒有明確依據(jù)，有的客戶對壽命預(yù)估結(jié)果存在疑慮。因此，本文提出一種不需要參數(shù)c0的新預(yù)估方法。該方法通過模擬結(jié)構(gòu)的高溫加速氣密性測試來判定失效，從而不需要確定永久變形臨界值；另一方面，通過一系列覆蓋常溫的寬溫度范圍壓縮永久變形試驗(yàn)，采用時-溫疊加方法確定高溫與常溫的關(guān)系(加速系數(shù))，也避免了高溫外推常溫需要確定適用方程(模型)的問題。應(yīng)用該方法，對某燃?xì)庋b置密封件材料進(jìn)行多溫度水平壓縮永久變形監(jiān)測、密封結(jié)構(gòu)模擬裝置高溫加速試驗(yàn)與氣密性監(jiān)測，預(yù)估了該密封件的常溫使用壽命。

1 試驗(yàn)

1.1 材料與工裝

(1)Φ10 mm×10 mm硅橡膠圓柱試件50個，用于壓縮永久變形試驗(yàn)；380#硅橡膠密封圈(Φ148.82 mm×3.53 mm)6件，用于高溫加速氣密性檢測。所使用的膠料代號為G105，半成品的力學(xué)性能見表1(樣品及數(shù)據(jù)均來自西北橡膠塑料研究設(shè)計(jì)院)。

(2)按照GB/T 7759—1996[4]要求，加工制作壓縮永久變形試驗(yàn)夾具6件，見圖1。每個夾具工裝設(shè)計(jì)為同時進(jìn)行5個子樣試驗(yàn)，限制器高度為7.5mm。按照燃?xì)庋b置密封結(jié)構(gòu)尺寸與工差，設(shè)計(jì)制作6件可充壓的密封結(jié)構(gòu)模擬試驗(yàn)工裝，見圖2。

表1 膠料半成品力學(xué)性能Table1 Mechanical properties of semi-finished seal materials

圖1 壓縮永久變形試驗(yàn)夾具Fig.1 Compression set testing jig

圖2 密封結(jié)構(gòu)模擬試驗(yàn)工裝Fig.2 Analog device for airproof test

1.2 高溫加速壓縮永久變形監(jiān)測

圓柱試件裝入圖1所示的壓縮永久變形試驗(yàn)夾具，每套夾具裝5件，作為同溫度的5個測試子樣。放入預(yù)定溫度的試驗(yàn)箱進(jìn)行加速試驗(yàn)，以天(d)為最小單位取樣。取出測試永久變形后，裝入夾具，繼續(xù)加速老化。永久變形測試標(biāo)準(zhǔn)按照GB—T 7759—1996[4]，用厚度計(jì)測出試樣每次取出恢復(fù)后高度ht，根據(jù)式(2)求得永久變形c：

(2)

式中h0為試樣初始高度；hl為限制器高度(即試樣處于壓縮狀態(tài)的高度)。

1.3 高溫加速氣密性監(jiān)測

將密封圈裝配到模擬試驗(yàn)工裝，用氮?dú)馄繉δM試驗(yàn)工裝充壓到(0.4±0.02)MPa，關(guān)閉氣瓶閥門，觀察壓力表壓力變化情況。若在穩(wěn)壓后10 min內(nèi)壓力無變化，則氣密性檢驗(yàn)合格。若壓力出現(xiàn)緩慢下降，用肥皂水涂刷裝置各個接口，直至確定漏氣部位。若密封圈接口漏氣，則判定該裝置密封圈失效，否則為合格。

將合格的模擬試驗(yàn)裝置(含密封圈)放入125 ℃烘箱，進(jìn)行高溫加速試驗(yàn)。按照預(yù)定的時間間隔取出，放置2.5～3.0 h，冷卻至室溫后，按照上述方法進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)。若合格，繼續(xù)開展試驗(yàn)(需要補(bǔ)償取樣檢時間，每次取樣檢測到重新放入烘箱約需4 h)，若不合格，則終止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 材料加速老化行為分析

圓柱試件各加速溫度下永久變形c隨時間t的變化見圖3。在起始階段，永久變形變化很快，之后逐漸趨緩；試驗(yàn)溫度越高，永久變形越大，變化越快。根據(jù)圖3永久變形曲線的變化規(guī)律，結(jié)合粘彈性研究經(jīng)驗(yàn)，得到永久變形與時間的雙對數(shù)曲線見圖4，圖4各溫度曲線的線性擬合相關(guān)系數(shù)見表2。由圖4和表2可見，各溫度下lnc-lnt曲線均可看作線性。

在圖4上，以20 ℃ lnc-lnt曲線為基準(zhǔn)，對其他各加速溫度的lnc-lnt曲線進(jìn)行平移，搭接成1條主曲線，見圖5。得到各加速溫度下lnc-lnt曲線的平移距離ln(aT)，也列于表2。

高分子材料ln(aT)與加速溫度T的關(guān)系一般可采用Arrhenius方程或WLF方程描述。WLF方程如下式：

轉(zhuǎn)換成線性方程，有

(3)

Arrhenius方程的ln(aT)可從Arrhenius方程推導(dǎo)。根據(jù)定義可知，aT為參考溫度性能退化速率ks與加速溫度性能退化速率k之比，則根據(jù)Arrhenius方程：

有

(4)

即-ln(aT)與(T-Ts)/(T·Ts)成正比。

按照式(3)和式(4)對表2數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到ln(aT)與加速試驗(yàn)溫度T的關(guān)系，見圖6。擬合參數(shù)見表3。由圖6可見，ln(aT)與T的關(guān)系在80 ℃出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說明在80 ℃前后，壓縮永久變形的變化遵循不同的機(jī)理。圖6(a)中，80～20 ℃以及80～175 ℃ 2個區(qū)間的1/ln(aT)與1/(T-Ts)數(shù)據(jù)點(diǎn)均是很好的線性分布，但2個區(qū)間斜率不同。圖6(b)中，ln(aT)與(T-Ts)/(T·Ts)在80～175 ℃區(qū)間分別是有一定凹凸的曲線，且80～175 ℃區(qū)間的延長線遠(yuǎn)離原點(diǎn)(偏離正比關(guān)系)。

表3表明，ln(aT)與T的關(guān)系較適合用WLF方程描述，但因?yàn)榇嬖谵D(zhuǎn)折點(diǎn)，不能在全部試驗(yàn)溫度范圍用WLF方程外推常溫狀態(tài)。

圖3 各試驗(yàn)溫度下材料永久變形的變化規(guī)律Fig.3 Compression set vs time at different test temperatures

圖4 材料高溫老化永久形變與時間的雙對數(shù)曲線Fig.4 Log compression set vs log time at different test temperatures

表2 各加速溫度下lnc-lnt曲線的線性擬合相關(guān)系數(shù)和平移因子Table 2 Fitting correlation coefficients and shift factors of lnc vs lnt curves

圖5 通過時-溫等效原理得到的密封圈材料永久形變主曲線Fig.5 Compression set master curve of seal material by time-temperature superposition

2.2 密封件加速系數(shù)

上述分析表明，不能通過擬合方程外推的方法求得密封件加速系數(shù)，應(yīng)按照圖5所示，采用唯象的曲線搭接方法，直接通過平移因子，求得加速系數(shù)。

保守起見，以燃?xì)庋b置貯存溫度上限25℃作為壽命預(yù)估的常溫溫度。材料試驗(yàn)的參考溫度是20 ℃，與25 ℃還有5 ℃的差距，首先需要考慮這個差距影響。

據(jù)表3和式(3)，25 ℃相對于20 ℃的平移因子為

ln(a25)=-3.87(25-20)/

(12.3+25-20)=-1.12

則可按照下式求得各加速試驗(yàn)溫度相對于貯存溫度25 ℃的平移因子ln(aT～25)和相應(yīng)的加速系數(shù)1/aT～25，見表4。

ln(aT～25)=ln(aT)-ln(a25)

但是據(jù)表4，考慮到試驗(yàn)進(jìn)度要求，選擇125 ℃作為密封模擬試驗(yàn)裝置的加速試驗(yàn)溫度，此時加速系數(shù)為181.3，等效老化16a需要加速試驗(yàn)31d。

(a)1/ln(aT)-1/(T-Ts)

(b)ln(aT)-1/T圖6 密封圈材料平移因子ln(aT)與加速試驗(yàn)溫度T的關(guān)系Fig.6 Shift factors of of seal material vsaccelerating temperatures

表3 ln(aT)與加速溫度T的關(guān)系擬合參數(shù)Table 3 Fitting results of ln(aT)vs T

2.3 密封件使用壽命預(yù)估

裝配密封件的密封模擬試驗(yàn)裝置125 ℃加速老化氣密性監(jiān)測結(jié)果如表5(等效貯存時間=加速老化時間×加速系數(shù))。由表5可見，直到老化至43 d(常溫等效貯存21.4 a)，全部樣品未失效。一直到老化至91 d(常溫等效貯存45 a)，只有一個樣品失效?？梢?，密封件使用壽命預(yù)估值大于21 a。

表5 密封模擬試驗(yàn)裝置125 ℃加速老化試驗(yàn)結(jié)果Table5 Airproof test results of analog devices

注：1)√表示合格；每次取樣測試補(bǔ)償4 h。

3 結(jié)論

(1)該密封件各溫度下壓縮永久變形與時間的雙對數(shù)曲線呈線性，曲線斜率與溫度的關(guān)系在加速試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)，不宜按照傳統(tǒng)方法通過高溫加速外推常溫狀態(tài)。在轉(zhuǎn)折點(diǎn)兩邊，可用不同的WLF方程(而非Arrhenius方程)描述。

(2)根據(jù)覆蓋實(shí)際貯存溫度的寬范圍加速試驗(yàn)壓縮永久變形測試結(jié)果，采用曲線平移搭接成主曲線的方法，內(nèi)插得到密封件125 ℃相對于25 ℃的加速系數(shù)為181.3。

(3)通過模擬試驗(yàn)工裝高溫加速氣密性監(jiān)測確定，在125 ℃下，密封件裝配于燃?xì)庋b置中的使用壽命大于43 d。根據(jù)加速系數(shù)預(yù)估，裝配于燃?xì)庋b置密封件常溫使用壽命大于21 a。

[1] HG/T 3087—2001.靜密封橡膠零件貯存期快速測定方法[S].2001.

[2] 熊渲,康安愷.固體火箭發(fā)動機(jī)橡膠件貯存壽命預(yù)測[J].固體火箭技術(shù),1991,14(1):86-94.

[3] 周漪,周堃,馬宏艷,等.某彈用硅橡膠密封材料貯存壽命預(yù)測[J].裝備環(huán)境工程,2010,7(5):65-68.

[4] GB/T 7759—1996.硫化橡膠、熱塑性橡膠 常溫、高溫和低溫下壓縮永久變形測定[S].1996.

(編輯：崔賢彬)

Service life prediction for rubber seals fitted in gas generators

XU Tao1，CHI Xu-hui2，ZHU Xue-zhen2，F(xiàn)ENG Xue-hua2

(1.Ministry of Navy Arming，Xi’an 710025，China；2.The 42nd Institute of the Fourth Academy of CASC，Xiangyang 441003，China)

A novel method has been established for predicting service life of rubber seals in gas generators.The method only depends on experimental data,and needs no transcendental parameters and models.In the method,failure of rubber seals is decided by structural airproof tests,and accelerating factor of rubber seals is determined through time-temperature superposition of compression set/time curves.Experimental results suggest a linear relationship between log compression set and log time.There is a turning point on the curve of slope coefficients among log compression set and log time and accelerating temperatures. Both sides of the curve divided by the turning point could be fitted well by different WLF equations.According to compression set results,the accelerating factor of the rubber seals is 181.3 when the accelerating temperature is 125 ℃,which has been interpolated by time-temperature superposition.The service life of the seals assembled in gas generator at 125 ℃ is greater than 43 days,which has been determined by structural airproof tests of analog devices.So the service life prediction value at normal temperature is greater than 21 years.

physical chemistry；seals；silicon rubber；elevated temperature accelerated test；compression set；failure；airproof test；service life

2014-08-30；

：2015-03-16。

許濤(1980—)，男，工程師，研究方向?yàn)榛鸺l(fā)動機(jī)科研與驗(yàn)收。E-mail：18691451600@163.com

V435

A

1006-2793(2015)04-0510-04

10.7673/j.issn.1006-2793.2015.04.011