魚雷尾軸密封老化試驗(yàn)與貯存壽命預(yù)測

楊霞輝， 李志宇， 王 欣

（1. 西安航天動(dòng)力研究所， 陜西 西安， 710100； 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所， 陜西 西安， 710077）

YANG Xia-hui1， LI Zhi-yu1， WANG Xin2

魚雷尾軸密封老化試驗(yàn)與貯存壽命預(yù)測

楊霞輝1， 李志宇1， 王 欣2

（1. 西安航天動(dòng)力研究所， 陜西 西安， 710100； 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所， 陜西 西安， 710077）

為估算魚雷尾軸密封貯存壽命， 對(duì)魚雷尾軸密封進(jìn)行高溫加速老化試驗(yàn)， 測其扯斷伸長率、壓縮殘余變形、內(nèi)外徑殘余變形和運(yùn)轉(zhuǎn)密封性能， 采用動(dòng)力學(xué)衰減方程和阿累尼烏斯公式對(duì)加速老化試驗(yàn)進(jìn)行理論描述， 最后采用外推法估算尾軸密封貯存壽命。研究結(jié)果表明， 滿足材料性能指標(biāo)扯斷伸長率、壓縮殘余變形的貯存壽命分別為22.55年和21.69年； 滿足皮碗內(nèi)、外徑殘余變形的貯存壽命分別為5.17年和9.68年； 皮碗內(nèi)徑殘余變形是影響皮碗壽命的關(guān)鍵因素， 該型號(hào)尾軸密封預(yù)測的貯存壽命為5.17年， 滿足設(shè)計(jì)使用要求。

魚雷； 尾軸密封； 加速老化試驗(yàn)； 扯斷伸長率； 殘余變形； 貯存壽命

YANG Xia-hui1， LI Zhi-yu1， WANG Xin2

0 引言

魚雷是水下作戰(zhàn)的重要戰(zhàn)術(shù)裝備， 其推進(jìn)裝置中尾軸與殼體之間設(shè)置的旋轉(zhuǎn)密封稱為尾軸密封， 作用是阻止海水或淡水流入裝置腔內(nèi)。魚雷生產(chǎn)裝配完成以后， 常需經(jīng)歷長時(shí)間的存放。尾軸密封材料采用的是以丁腈膠為基的混煉膠， 在長期的保存過程中受熱、氧、應(yīng)力及介質(zhì)等因素作用， 容易發(fā)生老化變質(zhì)， 并喪失工作性能。而尾軸密封一旦失效， 將會(huì)導(dǎo)致魚雷無法正常工作。

在20世紀(jì)20年代， 吉爾（Gerr）烘箱的問世誕生了烘箱加速老化法。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)， 與氧彈加速老化法、空氣彈加速老化法等相比， 烘箱加速老化與實(shí)際自然老化最接近［1-3］。Babek、Schoch等采用此法研究了非受力自然老化下橡膠拉伸強(qiáng)度、硬度、伸長率等物理性能的變化規(guī)律［4-6］。近年來， 國內(nèi)外學(xué)者在橡膠老化機(jī)理、研究方法、延長壽命等方面做了很多研究。Paeglis提出應(yīng)變能分?jǐn)?shù)因子概念描述老化機(jī)理［7］； 方慶紅、草翠微等將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用于橡膠老化預(yù)測研究［8-9］；金兵、馬海瑞等在橡膠工藝和防老化劑方面做了深入研究［10-11］； 王峰采用紅外分法研究了氯丁橡膠的老化機(jī)理和貯存壽命［12］。前人在橡膠老化方面所做工作較多， 但針對(duì)尾軸密封貯存壽命卻鮮有研究。

文章通過烘箱加速老化試驗(yàn)， 采用動(dòng)力學(xué)衰減方程和阿累尼烏斯公式對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論描述和統(tǒng)計(jì)分析， 并以橡膠材料的扯斷伸長率、壓縮殘余變形和皮碗內(nèi)外徑貯存殘余變形為性能指標(biāo)， 采用外推法對(duì)尾軸密封貯存壽命進(jìn)行預(yù)測，為確定魚雷貯存時(shí)間提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 尾軸密封基本結(jié)構(gòu)及原理

魚雷尾軸密封由皮碗和支撐墊組成， 安裝于魚雷尾部殼體和旋轉(zhuǎn)軸之間。皮碗由以丁晴膠為基的混煉膠制成， 并且內(nèi)帶金屬骨架以提高強(qiáng)度，如圖1所示。

圖1 尾軸密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic of torpedo stern shaft seal structure

右側(cè)2個(gè)皮碗唇口均朝向海水側(cè)， 防止海水進(jìn)入魚雷裝置內(nèi)， 而左側(cè)單個(gè)皮碗唇口朝向魚雷內(nèi)腔側(cè)， 防塵和避免介質(zhì)外漏。皮碗內(nèi)外徑均采用過盈配合， 內(nèi)徑受徑向張力， 而外徑受徑向壓力， 其具體受力情況如表1所示。

表1 皮碗受力情況Table 1 Force situation of seal cup

1.2 試驗(yàn)方法

研究表明［13］， 硫化膠在 130℃以下熱老化機(jī)理基本相同， 材料表觀活化能與老化溫度無關(guān)，老化速率是老化反應(yīng)溫度的函數(shù)， 即可采用阿累尼烏斯公式描述， 并可采用外推法由高溫求出常溫老化速率。綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和可操作性， 實(shí)驗(yàn)選取70℃， 80℃， 90℃， 100℃， 110℃為高溫快速老化溫度。為了準(zhǔn)確預(yù)測尾軸密封的貯存壽命， 對(duì)材料的物理機(jī)械性能和尾軸密封老化運(yùn)轉(zhuǎn)性能進(jìn)行深入研究， 并選取材料扯斷伸長率和壓縮殘余變形，皮碗內(nèi)、外徑在快速熱老化下的殘余變形積累作特性指標(biāo)。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T528-1998《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》和GB/T1685- 1982《硫化橡膠在常溫和高溫下壓縮應(yīng)力松弛的測定》，將混煉膠制成啞鈴形試片（工作部分寬 3.2 mm， 厚2 mm）和試驗(yàn)用小豆（10 mm×10 mm）， 如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)件（啞鈴和小豆）Fig. 2 Schematic of test samples（dumbbell-shaped and bean-shaped）

將自由狀態(tài)下的啞鈴試片放入烘箱中進(jìn)行70℃， 80℃， 90℃， 100℃， 110℃ 5個(gè)不同溫度的加速老化試驗(yàn)， 測出材料拉伸狀態(tài)的扯斷伸長率。在5個(gè)溫度下， 對(duì)“小豆”施加實(shí)際裝配的外徑壓縮比進(jìn)行加速老化試驗(yàn)， 每個(gè)溫度取3組平行試樣， 測其隨老化時(shí)間壓縮殘余變形。

為研究尾軸密封皮碗內(nèi)外徑尺寸和密封性能隨加速老化試驗(yàn)的變化情況， 設(shè)計(jì)了專門的試驗(yàn)工裝夾具以模擬實(shí)際的貯存情況， 皮碗在夾具內(nèi)的受力情況（見表1）與實(shí)際裝配完全一致。每個(gè)溫度取3套（即9個(gè)皮碗）涂上潤滑脂放入老化箱中進(jìn)行試驗(yàn)， 第 1套采用精確度為 0.25%的大型工場顯微鏡WM2測其內(nèi)外徑尺寸隨加速老化的變化， 第2套和第3套尾軸密封按照預(yù)定壓力做隨加速老化的氣密性試驗(yàn)并記錄。

2 老化壽命預(yù)測原理

采用加速老化法獲得材料性能和皮碗內(nèi)外徑變形隨時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)方程， 并進(jìn)行線性化和最小二乘法處理。然后， 在尾軸密封試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)， 根據(jù)在模擬夾具中老化后的氣密性試驗(yàn)和魚雷尾軸密封件驗(yàn)收試驗(yàn)要求， 獲得失去工作性能的“臨界值”。最后， 采用阿累尼烏斯公式對(duì)老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論描述， 預(yù)估貯存期。相關(guān)理論方程如下。

1） 動(dòng)力學(xué)方程

其線性化方程

式中: ε是殘余變形積累； b是與橡膠種類、配方、指標(biāo)有關(guān)的常數(shù)； k是老化速率； t是老化時(shí)間； C為線性化方程常數(shù)。

2） 最小二乘法配回歸線法方程

式中: i為每種試樣的試驗(yàn)溫度組別； j=1， 2， 3，…；Ni和Nj為每個(gè)溫度下子樣個(gè)數(shù)。

3） 阿累尼烏斯公式

其線性化方程

式中: T是絕對(duì)溫度； E是表觀活化能； R是氣體常數(shù)； A是與橡膠相關(guān)的常數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 啞鈴試片扯斷伸長率

將啞鈴試片進(jìn)行老化試驗(yàn)， 得到試片的老化系數(shù)P（任一時(shí)間的扯斷伸長率與老化前扯斷伸長率的比值）與老化時(shí)間關(guān)系如圖3所示。

圖3 啞鈴形試片老化試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Aging test result of dumbbell-shaped sample

由圖 3可知， 隨著加速老化時(shí)間的增加， 老化系數(shù)P呈非線性關(guān)系遞減， 并且溫度越高扯斷伸長率降的越快， 老化速率越大。當(dāng)溫度為110℃時(shí)， 僅需加速老化 20天左右其扯斷伸長率就降為原來的40%。采用動(dòng)力學(xué)公式b

P kt= 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 將老化系數(shù)P和老化時(shí)間t代入動(dòng)力學(xué)方程的線性化公式， 并配合最小二乘法回歸線得到lnk， b和ri的值， 計(jì)算結(jié)果如表2所示。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取置信度為 99%和自由度為 4， 查閱相關(guān)系數(shù)表可知， 相關(guān)系數(shù)r=0.917。因此|ri|?r， 這說明lnP 和lnt線性關(guān)系成立。

表2 啞鈴形試片統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 2 Test data statistics of dumbbell-shaped sample

根據(jù)老化試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)， 拉伸試驗(yàn)的老化系數(shù)臨界值一般取 80%左右。老化試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)老化溫度為100℃時(shí)加速老化16天的老化系數(shù)為 0.71?？紤]扯斷試驗(yàn)和數(shù)據(jù)測量誤差等因素，取扯斷伸長率臨界值為0.81。由圖3即可求出各溫度下的臨界時(shí)間τ， 具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同溫度時(shí)的啞鈴試片試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 3 Test data statistics of dumbbell-shaped sample at different temperature

圖4 啞鈴試片絕對(duì)溫度與臨界時(shí)間關(guān)系圖Fig. 4 Relation between absolute temperature and critical time for dumbbell-shaped sample

考慮尾軸密封非常易受環(huán)境、工況等因素的影響， 以及試驗(yàn)過程引入的各種誤差因素和外推方法本身的偏差， 為保證安全性和可靠性， 取安全系數(shù)為2。故預(yù)測材料在貯存溫度25℃下的貯存壽命為22.55年。

3.2 “小豆”壓縮殘余變形

對(duì)“小豆”兩端施加2.6%的壓縮比進(jìn)行老化試驗(yàn)， 得到“小豆”殘余變形ε與老化時(shí)間t的關(guān)系如圖5所示。可知， 隨著老化時(shí)間的增加壓縮殘余變形呈非線性逐漸增加， 并且溫度越高其殘余變形積累速率越快。

圖5 “小豆”殘余變形與老化時(shí)間關(guān)系圖Fig. 5 Relation between residual deformation and aging time for bean

對(duì)動(dòng)力學(xué)公式 ε= ktb線性化并對(duì)壓縮殘余變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理， 得到不同溫度下的 b，lnk和ri2值， 見表4?？芍?， |ri|?r=0.917， 說明lnε和lnt線性關(guān)系成立， 作出lnε和lnt線性關(guān)系如圖6所示。

表4 “小豆”殘余變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 4 Test data statistics of residual deformation of bean

圖6 “小豆”殘余變形與老化時(shí)間對(duì)數(shù)關(guān)系圖Fig. 6 Logarithmic relation between residual deformation and aging time for bean

k與T服從Arrhenius方程， 代入式（7）可求出各溫度下的 lnk和 1 000/T， 及直線相關(guān)系數(shù)ri2=0.985 6。作出lnk與1 000/T關(guān)系如圖7所示，并采用外推法得到貯存溫度 25℃的老化速率k=0.254 1。

圖7 “小豆”的老化速率與老化溫度關(guān)系圖Fig. 7 Relation between aging rate and aging temperature for bean

根據(jù)老化試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)， 壓縮殘余變形臨界值一般取70%左右。考慮尾軸密封實(shí)際工作時(shí)皮碗均受壓縮應(yīng)力， 老化試驗(yàn)無法完全真實(shí)地反映實(shí)際老化過程， 以及試驗(yàn)裝配夾具和數(shù)據(jù)分散性等誤差因素， 將經(jīng)驗(yàn)值要求提高10%， 取“小豆”壓縮殘余變形臨界值為60%。將貯存溫度下的老化速率k和殘余變形臨界值代入Arrhenius方程，可計(jì)算出lnτ=9.697， 從而得到貯存壽命為 43.38年。取安全系數(shù)為 2， 得到滿足壓縮殘余變形條件下材料的貯存壽命為21.69年。

3.3 皮碗內(nèi)外徑殘余變形試驗(yàn)

3.3.1 皮碗內(nèi)徑殘余變形

將尾軸密封產(chǎn)品放入夾具內(nèi)進(jìn)行老化試驗(yàn)，結(jié)果得到皮碗內(nèi)徑殘余變形ε和老化時(shí)間 t的關(guān)系如圖8所示?？芍?皮碗內(nèi)徑殘余變形隨老化時(shí)間的積累特征與“小豆”壓縮殘余變形基本一致， 但老化時(shí)間短了很多。

圖8 皮碗內(nèi)徑殘余變形與老化時(shí)間關(guān)系圖Fig. 8 Relation between residual deformation and aging time of sealing cup internal diameter

表5 皮碗內(nèi)徑統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 5 Test data statistics of sealing cup internal diameter

根據(jù)表5中l(wèi)nk和1 000/T數(shù)據(jù)采用外推法可得， 當(dāng)貯存溫度為 25℃時(shí)老化速率 k=2.468。因老化速率 k和老化時(shí)間 t可用阿累尼烏斯公式來描述， 所以將lnk和1 000/T代入式（7）可得到相關(guān)參數(shù)， 從而得到老化速率 k和老化時(shí)間 t的關(guān)系式。

氣密運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明， 當(dāng)100℃老化16天皮碗出現(xiàn)泄漏情況， 達(dá)到產(chǎn)品臨界點(diǎn)， 此時(shí)皮碗的內(nèi)徑殘余變形積累達(dá)73.87%。考慮皮碗內(nèi)徑是工作時(shí)最薄弱、最容易失效的部分， 以及試驗(yàn)裝配夾具和數(shù)據(jù)分散性等誤差因素， 將經(jīng)驗(yàn)值要求提高15%， 取內(nèi)徑殘余變形臨界值為55%。然后，將老化速率k和殘余變形臨界值代入阿累尼烏斯公式可得到老化臨界時(shí)間τ為 10.34年。取安全系數(shù)為 2， 故預(yù)測在保證皮碗內(nèi)徑性能的前提下尾軸密封的貯存壽命為5.17年。

3.3.2 皮碗外徑殘余變形

在夾具內(nèi)進(jìn)行老化試驗(yàn)的皮碗， 其外徑殘余變形隨老化時(shí)間的變化關(guān)系如圖9所示?？芍?，隨老化時(shí)間的增加， 皮碗外徑殘余變形呈凸函數(shù)逐漸遞增。同樣地， 采用動(dòng)力學(xué)方程 ε= ktb和阿累尼烏斯公式對(duì)皮碗外徑殘余變形試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 得到 lnε和 lnt線性相關(guān)性好， 其 b，lnk和ri2值見表6， 并且在溫度25℃時(shí)的老化速率k=2.1。

圖9 皮碗外徑殘余變形與老化時(shí)間關(guān)系圖Fig. 9 Relation between residual deformation and aging time of sealing cup external diameter

表6 皮碗外徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 6 Test data statistics of sealing cup external diameter

通過氣密運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 每個(gè)溫度老化后的皮碗運(yùn)轉(zhuǎn)過程中外徑都沒有發(fā)生失效， 而 110℃老化 13天后皮碗外徑的殘余變形積累達(dá) 90%?？紤]試驗(yàn)裝配夾具和數(shù)據(jù)分散性等誤差因素， 外徑殘余變形臨界值取經(jīng)驗(yàn)值70%。

通過阿累尼烏斯公式可得到老化臨界時(shí)間τ=19.36年。取安全系數(shù)為2， 故預(yù)測在保證皮碗外徑性能的前提下尾軸密封的貯存壽命為9.68年。

4 結(jié)論

文中通過烘箱加速老化法對(duì)尾軸密封材料和產(chǎn)品進(jìn)行加速老化試驗(yàn)研究， 采用動(dòng)力學(xué)方程和阿累尼烏斯公式對(duì)橡膠老化進(jìn)行理論描述及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析， 得到如下結(jié)論:

1） 根據(jù)性能指標(biāo)材料扯斷伸長率、材料壓縮殘余變形和皮碗內(nèi)外徑貯存殘余變形預(yù)測的尾軸密封貯存壽命分別為22.55年、21.69年、5.17年和9.68年（取安全系數(shù)為2）；

2） 皮碗內(nèi)徑殘余變形所預(yù)測的貯存壽命時(shí)間最短， 其是決定尾軸密封老化壽命的關(guān)鍵因素；

3） 預(yù)測該型號(hào)尾軸密封貯存壽命為5.17年，滿足設(shè)計(jì)使用要求的5年。

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（責(zé)任編輯: 陳 曦）

Aging Test and Storage Life Prediction for the Seal of Torpedo Stern Shaft

（1. Xi′an Aerospace Propulsion Institute， Xi′an 710100， China； 2. The 705 Research Institute， China Shipbuilding Industry Corporation， Xi′an 710077， China）

Accelerated aging test for a certain type of torpedo stern shaft seal was conducted at different high temperature to measure its break elongation rate， residual compression deformation， internal and external diameter residual deformations， and air tightness. The dynamic attenuation equation and the Arrhenius formula were employed to describe the accelerated aging test， and the extrapolation method was adopted to estimate the storage life of the seal. The results show that: 1） the storage life of the seal is 22.55 and 21.69 years if the requirements of break elongation rate and residual compression deformation are met， respectively； 2） the storage life is 5.17 and 9.68 years if the requirements of the internal and external diameter residual deformations of the sealing cup are met； 3） the internal diameter residual deformation of the sealing cup is the key factor influencing sealing cup life； and 4） the storage life prediction of the torpedo stern shaft seal is 5.17 years， meeting the designed value.

torpedo； stern shaft seal； accelerated aging test； break elongation rate； residual deformation； storage life

TJ630.2

A

1673-1948（2016）03-0248-06

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.04.002

2016-03-17；

2016-04-21.

楊霞輝（1970-）， 女， 碩士， 高級(jí)工程師， 主要研究方向?yàn)闄C(jī)械密封技術(shù).