一種橡膠密封圈的剩余貯存壽命評(píng)估方法

張凱，周堃，何建新

（中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039）

橡膠密封圈由于具有良好的密封特性，在彈藥武器裝備密封結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)密封性能的好壞將直接影響發(fā)射裝藥、推進(jìn)劑以及電子元器件的正常作用[1-2]。常用作橡膠密封圈的材料有硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠以及天然橡膠等，這些材料在環(huán)境的長(zhǎng)期作用下會(huì)發(fā)生緩慢的物理化學(xué)性能和力學(xué)性能退化，致使橡膠密封圈失去密封能力，是限制彈藥貯存壽命的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)之一[3-6]。掌握彈藥用橡膠密封圈在隨彈貯存一段時(shí)間后的剩余貯存壽命，對(duì)于彈藥武器裝備的維修保養(yǎng)和戰(zhàn)斗力保持具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于橡膠密封圈的壽命評(píng)估方法主要為動(dòng)力學(xué)曲線直線化法[7-12]，該方法依據(jù)橡膠密封圈在不同加速老化溫度下性能參數(shù)P的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（如壓縮永久變形或壓縮應(yīng)力松弛），可以建立不同溫度下橡膠密封圈的性能P和時(shí)間τ之間的關(guān)系，并得到其老化速度常數(shù)K與溫度T之間的計(jì)算方程。通過(guò)對(duì)這個(gè)方程進(jìn)行外推，可以計(jì)算出橡膠密封圈在貯存溫度下的老化速度常數(shù)。如果確定了橡膠密封圈在時(shí)效時(shí)對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)量值，就可以計(jì)算出橡膠密封圈的壽命。這種方法只能用于評(píng)估新橡膠密封圈的壽命，對(duì)于已裝配到彈上并隨彈貯存一段時(shí)間后，已發(fā)生一定程度性能退化的舊橡膠密封圈，則不能利用該方法評(píng)估其剩余貯存壽命。

文中在動(dòng)力學(xué)曲線直線化方法的基礎(chǔ)上，對(duì)其適用范圍進(jìn)行外推、拓展，得出了一種相比原方法適用性更廣的橡膠密封圈貯存壽命評(píng)估方法，可用于評(píng)估已隨彈貯存一定年限的舊橡膠密封圈的剩余貯存壽命。

1 方法原理

以壓縮永久變形ε作為橡膠密封圈的性能參數(shù)，假設(shè)某橡膠密封圈已隨彈貯存了τ0時(shí)間，則該密封圈在受壓方向的壓縮永久變形0τε可用式（1）計(jì)算：

式中：D0為橡膠密封圈在裝配前受壓方向上的原始截面高度；D1為橡膠密封圈在彈上的實(shí)際壓縮高度；D2為拆解下橡膠密封圈受壓方向上的截面回彈高度。

利用拆解出的舊橡膠密封圈進(jìn)一步開(kāi)展加速老化試驗(yàn)，則該舊橡膠密封圈在加速老化試驗(yàn)過(guò)程中，某一檢測(cè)周期的總壓縮永久變形ε為：式中：D2′為橡膠密封圈在加速老化試驗(yàn)過(guò)程中某一檢測(cè)周期受壓方向上的截面回彈高度。

總壓縮永久變形包括隨彈貯存0τ時(shí)間后已產(chǎn)生的壓縮永久變形0τε和在加速老化試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的壓縮永久變形ε′，即：

經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出舊橡膠密封圈在加速老化試驗(yàn)期間產(chǎn)生的壓縮永久變形ε′為：

從式（4）中可以看出：當(dāng)0τε=0時(shí)，D0=D2，該式即退化為傳統(tǒng)的壓縮永久變形計(jì)算表達(dá)式，表征新橡膠密封圈在加速老化試驗(yàn)中老化一段時(shí)間后發(fā)生的壓縮永久變形；當(dāng)0＜0τε＜1時(shí)，該式則表征已有壓縮永久變形的舊橡膠密封圈在加速老化試驗(yàn)過(guò)程中老化一段時(shí)間后產(chǎn)生的壓縮永久變形。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式（5）建立舊橡膠密封圈在加速老化試驗(yàn)中，不同老化溫度下的壓縮永久變形ε′與老化時(shí)間τ之間的關(guān)系式，進(jìn)而得出舊橡膠密封圈在各溫度下的老化速度常數(shù)K。

根據(jù)Arrhenius方程（6）推算出舊密封圈在貯存溫度下的老化速度常數(shù) Kc，反代入經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式就可以確定橡膠密封圈隨彈貯存τ0時(shí)間后，在之后隨彈貯存過(guò)程中的壓縮永久變形隨時(shí)間的變化規(guī)律：

得到橡膠密封圈在貯存溫度下的性能隨時(shí)間的變化規(guī)律后，將橡膠密封圈的失效臨界值εc帶入即可求出其剩余貯存壽命 τc，如式（8）所示。失效臨界值εc可根據(jù)密封功能性試驗(yàn)結(jié)果，按式（4）進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)的 D2′表示橡膠密封圈出現(xiàn)密封失效時(shí)受壓方向的截面回彈高度。

2 實(shí)例分析

2.1 已有壓縮永久變形分析

以用于某型已貯存10年彈藥上的橡膠密封圈為例，對(duì)該密封圈剩余貯存壽命評(píng)估方法進(jìn)行進(jìn)一步闡明。

通過(guò)對(duì)該型橡膠密封圈的原始尺寸、拆解后受壓方向截面回彈高度及其在彈上的裝配結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行測(cè)量和分析，明確了其原始截面直徑D0=2.5 mm，在彈上的壓縮高度D1=1.7 mm，拆解后受壓方向的截面回彈高度D2=2.163 mm。通過(guò)式（1）可得出該橡膠密封圈在隨彈貯存10年后，已產(chǎn)生的壓縮永久變形ε10為 0.421。

2.2 加速老化試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

以拆解出的該橡膠密封圈為對(duì)象，在不改變老化機(jī)理的前提下，選擇 70，80，90，100 ℃等 4個(gè)溫度點(diǎn)繼續(xù)開(kāi)展模擬其在彈上實(shí)際貯存狀態(tài)的加速老化試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)溫度下設(shè)置3個(gè)平行樣，以各平行樣受壓方向截面回彈高度的平均值作為待分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1 橡膠密封圈受壓方向截面回彈高度

按照式（4）可計(jì)算該舊橡膠密封圈在加速老化過(guò)程中所產(chǎn)生的壓縮永久變形，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 橡膠密封圈壓縮永久變形計(jì)算結(jié)果

2.3 剩余貯存壽命評(píng)估

利用經(jīng)驗(yàn)公式(5)對(duì)上述各老化溫度下的壓縮永久變形數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)圖1和表3。

表3 橡膠密封圈在不同老化溫度下的性能退化方程

圖1 橡膠密封圈在不同老化溫度下的性能退化曲線

利用Arrhenius方程對(duì)上述各溫度下的老化速度常數(shù)進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如式（9）所示：

按照式（9）可外推計(jì) 95%置信度下，該橡膠密封圈在隨彈貯存溫度為25 ℃下的老化速度常數(shù)的均值和上限值分別為0.0382和0.1406。以25 ℃老化速率常數(shù)的均值計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，反代入經(jīng)驗(yàn)公式（5）即可獲得該橡膠密封圈在隨彈貯存10年后，在隨后的貯存時(shí)間內(nèi)壓縮永久變形隨時(shí)間的變化方程為：

通過(guò)氣密性功能試驗(yàn)，確定該橡膠密封圈失效時(shí)受壓方向上的截面回彈高度為 1.49 mm，按式（4）計(jì)算得到該密封圈的失效臨界值εc=0.894。將其反代入式（10），根據(jù)式（8）可計(jì)算出橡膠密封圈在25 ℃下的剩余貯存壽命為3.8年。

3 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)有橡膠密封材料壽命評(píng)估方法的基礎(chǔ)上，建立了一種可用于已隨彈貯存一定年限的舊橡膠密封圈的剩余貯存壽命評(píng)估新方法，彌補(bǔ)了現(xiàn)有橡膠密封材料壽命評(píng)估方法的不足。通過(guò)實(shí)例分析，驗(yàn)證了所建立新方法的有效性，可為現(xiàn)役彈藥的維修保養(yǎng)和二次定壽、延壽等提供支撐。

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