主減速器橡膠密封圈性能衰減模型及日歷壽命評(píng)估

吳云章，李健，李昌范，沈軍

（陸軍航空兵研究所，北京 101121）

疲勞壽命和日歷壽命是飛機(jī)（直升機(jī)）結(jié)構(gòu)壽命的重要指標(biāo)，實(shí)際使用過程中，軍用飛機(jī)（直升機(jī)）96%以上的時(shí)間處于地面停放狀態(tài)。日歷壽命是一個(gè)跨學(xué)科、跨部門、長周期共同作用的復(fù)雜系統(tǒng)工程[1-4]。文獻(xiàn)[4-6]給出了飛機(jī)日歷翻修期、總?cè)諝v壽命及金屬涂層日歷壽命的確定關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容、解決方法及計(jì)算公式，并給出了腐蝕環(huán)境譜介質(zhì)及試驗(yàn)方法的研究[7]，并進(jìn)一步考慮了飛行和修理記錄，研究了典型使用情況下的日歷壽命[8]。通過直升機(jī)涂層日歷壽命評(píng)估，開啟了直升機(jī)日歷壽命研究[9]。航空器材（簡稱為航材）日歷壽命通常包括存儲(chǔ)壽命和裝機(jī)使用壽命2 部分，兩者的比例關(guān)系直接影響著航材的儲(chǔ)存壽命、外場(chǎng)使用維護(hù)計(jì)劃、航材大修計(jì)劃。因此，需要開展主要航材的儲(chǔ)存/裝機(jī)條件下性能衰減規(guī)律，提高裝備完好率和經(jīng)濟(jì)效益。

直升機(jī)主減速器（簡稱為主減）在實(shí)際儲(chǔ)存/裝機(jī)條件下，金屬件不存在腐蝕，非金屬件老化成為日歷壽命評(píng)估的主要對(duì)象。橡膠密封圈是航材中最常見的材料，其本身是一種擠壓型密封件，密封原理是當(dāng)其裝入密封槽后，橡膠承受壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生彈性變形，消除密封間隙，達(dá)到密封的目的。在長時(shí)間環(huán)境老化作用下，橡膠材料有可能失去彈性，擠壓變形量減小，無法消除密封間隙，或與配合面的接觸不再緊密，造成滲漏，而壓縮永久變形可直接反映出橡膠密封圈的彈性以及老化程度。

橡膠密封圈通常依據(jù)高溫加速老化試驗(yàn)開展老化機(jī)理分析[9-13]，根據(jù)實(shí)際工況開展實(shí)驗(yàn)室加速老化實(shí)驗(yàn)[14-15]，測(cè)定性能參數(shù)衰減數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的性能衰減模型，進(jìn)行日歷壽命評(píng)估[16-20]。依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展整體推斷，建立衰減模型，進(jìn)行日歷壽命評(píng)估[21-22]。常用的方法是根據(jù)Arrhenius 方程和性能參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，外推給出壽命評(píng)估。

1 橡膠密封圈性能衰減試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

大修廠生產(chǎn)的某型直升機(jī)主減典型橡膠密封圈，共有FX-4、FX-17 等2 種型號(hào)。根據(jù)維修手冊(cè)和維修工卡，橡膠圈初始軸向厚度（簡稱為厚度）H0（名義值）為，壓縮時(shí)厚度Hx（名義值）為5.06～5.1 mm，初始?jí)嚎s范圍在8%～16%，即為符合裝配要求。

1.2 加速老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了模擬主減O 形橡膠密封圈的裝配關(guān)系，試驗(yàn)夾具由試樣底板、壓板和緊固螺栓等幾部分組成，并在試樣底板上開有方形槽，如圖1 所示。老化試驗(yàn)件安裝在試樣底板的凹槽內(nèi)，每套試驗(yàn)夾具可安裝5件加速老化試驗(yàn)的平行樣。分別按照14%和20%初始?jí)嚎s率進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工，凹槽的尺寸偏差一般不大于±0.01 mm，其他技術(shù)要求參考HB 5235 的相關(guān)規(guī)定。然后連同夾具一起放入加速老化試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。文獻(xiàn)[13]表明，F(xiàn)X-4 和FX-17 密封膠圈在表1 中溫度點(diǎn)老化前后，橡膠中各鍵的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化，熱老化具有一致性。

表1 橡膠圈加速老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)[13]Tab.1 Design of accelerated aging test for rubber ring[13]

圖1 典型橡膠密封圈及試驗(yàn)夾具Fig.1 Typical rubber seal ring and test fixture

1.3 橡膠密封圈失效判據(jù)

根據(jù)橡膠圈初始厚度H0、Hx，當(dāng)橡膠圈初始厚度上限由6 mm 壓縮到壓縮厚度下限5.06 mm，初始厚度由5.55 m 下降到壓縮厚度5.1 mm，均在結(jié)構(gòu)有效安全范圍內(nèi)。若將此時(shí)的實(shí)際裝配關(guān)系轉(zhuǎn)換為壓縮變形率，則最小值為47%。對(duì)FX-4 與FX-17 的5 個(gè)老化試驗(yàn)溫度點(diǎn)下的橡膠密封圈試樣按照不同老化時(shí)間進(jìn)行取樣，進(jìn)行厚度Ht的測(cè)定（每個(gè)試樣測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，取平均值），并根據(jù)公式ε=(H0–Ht)/(H0–Hx)×100%，計(jì)算密封圈的壓縮永久變形率，每個(gè)取樣點(diǎn)共測(cè)試5 個(gè)平行試樣，計(jì)算結(jié)果取平均值，實(shí)驗(yàn)壓縮前后膠圈總體情況見表 2。當(dāng)初始厚度下限5.55 mm 老化到厚度5.325 mm（大于壓縮厚度Hx，在安全裕度內(nèi)），此時(shí)永久壓縮變形率為45%。

表2 試驗(yàn)壓縮前后膠圈總體情況Tab.2 General situation of rubber ring before and after experimental compression

綜合這2 種材料的實(shí)際工況和試驗(yàn)實(shí)際數(shù)據(jù)，初始厚度偏下限的橡膠密封圈在80、100、120 ℃這3個(gè)溫度點(diǎn)得的最終厚度大于5.4 mm，此時(shí)最小永久壓縮變形率為30%；150、200 ℃高溫老化后的橡膠圈，厚度大于5.3 mm，此時(shí)的永久壓縮變形率最小，為51%。為了更好地評(píng)估工程應(yīng)用和使用安全性，采用航空工程上的一個(gè)分散系數(shù)2[6]，橡膠密封圈的失效判據(jù)為永久壓縮變形率25%。

2 典型橡膠密封件性能衰減模型

利用熱空氣老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行相應(yīng)貯存與使用壽命的估算[14-15]。在橡膠的老化過程中，材料性能老化指標(biāo)P與老化時(shí)間τ的關(guān)系方程式為：

式中：P為材料老化性能指標(biāo)，本文為1-ε（ε永久壓縮變形率）；τ為老化時(shí)間；K為與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)；A為常數(shù)。

對(duì)式（1）進(jìn)行修正，可采用式（2）描述性能變化指標(biāo)P 與老化時(shí)間的關(guān)系：

式中：α為常數(shù)。

性能變化速度常數(shù)K與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T關(guān)系符合Arrhenius 方程：

式中：T為熱力學(xué)溫度，K；E為表觀活化能，J/mol；Z為頻率因子，d–1；R為氣體常數(shù)，J/(K·mol)。

3 FX-4 密封圈儲(chǔ)存裝機(jī)條件下的性能衰減規(guī)律

3.1 初始?jí)嚎s率為10.5%

初始?jí)嚎s率為10.5%的FX-4 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 個(gè)溫度點(diǎn)的老化指標(biāo)P隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)如圖2 所示。可以看出，在80、100、120 ℃等3 個(gè)溫度點(diǎn)，其老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化并沒有出現(xiàn)明顯的衰減，甚至還略有上升。隨著老化時(shí)間增加，老化指標(biāo)隨著溫度升高。在150、200 ℃這2 個(gè)溫度點(diǎn)，其老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化出現(xiàn)了明顯的下降趨勢(shì)。這與氟橡膠熱氧老化規(guī)律一致，只有當(dāng)環(huán)境溫度升高到一定程度時(shí)，分子鏈或基團(tuán)具有了足夠的活性，才能和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)。

圖2 性能參數(shù)P 隨老化時(shí)間τ的變化（FX-4密封圈10.5%初始?jí)嚎s率）Fig.2 Performance parameter P with aging time τ(FX-4 seal ring at 10.5% initial compression rate)

將P和τ數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析和逐次逼近計(jì)算，得到當(dāng)α=1 時(shí)，殘差平方和為最小。由表2 中相關(guān)系數(shù)的數(shù)據(jù)可知，在80、100、150、200 ℃等4 個(gè)溫度點(diǎn)均與對(duì)應(yīng)的r表值相近，與之對(duì)應(yīng)的 lnP和τα的線性關(guān)系成立，可據(jù)此得到對(duì)應(yīng)的性能變化速度常數(shù)K，即。其他溫度點(diǎn)的均小于對(duì)應(yīng)的r表值。

表2 lnP 和τα回歸分析系數(shù)（FX-4 密封圈10.5%初始?jí)嚎s率）Tab.2 lnP and coefficient of regression analysis τα (FX-4 seal ring at 10.5% initial compression rate)

lnP-τ的線性關(guān)系如圖3 所示。由圖3 可知，在80、100、120 ℃等3 個(gè)溫度點(diǎn)，斜率b為正，老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化呈緩慢上升的趨勢(shì)，且隨著溫度升高，老化指標(biāo)的上升速度也增加。在150、200 ℃這2 個(gè)溫度點(diǎn)，斜率b為負(fù)，老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化明顯呈下降的趨勢(shì)。

圖3 lnP-τ 線性關(guān)系Fig.3 Linear diagram of lnP-τ

一般情形下，性能變化速度常數(shù)K與1/T關(guān)系符合Arrhenius 方程，即式（3）。式（3）是單調(diào)的，這表明性能變化速度常數(shù)K隨著溫度上升也應(yīng)是單調(diào)上升的。試驗(yàn)結(jié)果表明，在100 ℃溫度點(diǎn)的K值明顯不符合單調(diào)規(guī)律。此外，100 ℃溫度點(diǎn)的老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化略呈上升趨勢(shì)，在分析K與T的關(guān)系時(shí)，可將這個(gè)溫度點(diǎn)舍棄。將表2 中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到表3。對(duì)表3 中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到FX-4 密封圈（10.5%初始?jí)嚎s率）性能衰減模型為：

表3 lnK 和1/T 數(shù)據(jù)（FX-4 密封圈10.5%初始?jí)嚎s率）Tab.3 Data of lnK and 1/T (FX-4 seal ring at 10.5% initial compression rate)

式中：A值取表2 中A的平均值，為0.846 5。

3.2 初始?jí)嚎s率為18.3%

初始?jí)嚎s率為18.3%的FX-4 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 個(gè)溫度點(diǎn)老化指標(biāo)P隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)如圖4 所示?？梢钥闯?，在80、100、120 ℃等3 個(gè)溫度點(diǎn)，其老化指標(biāo)P隨時(shí)間略有上升，這與FX-4 橡膠在這些溫度點(diǎn)的進(jìn)一步交聯(lián)有關(guān)。

圖4 性能參數(shù)P 隨老化時(shí)間τ 的變化（FX-4 密封圈18.3%初始?jí)嚎s率）Fig.4 Performance parameter P with aging time τ(FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

對(duì)初始?jí)嚎s率為18.3%的老化數(shù)據(jù)展開進(jìn)一步的數(shù)學(xué)模型分析，得到當(dāng)α＝ 0.48時(shí)，殘差平方和為最小。lnP-τ0.48的線性關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知，在80、100、120 ℃等3 個(gè)溫度點(diǎn)，斜率b為正，老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化略呈上升趨勢(shì)；在150、200 ℃這2 個(gè)溫度點(diǎn)，斜率b為負(fù)，老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化明顯呈下降趨勢(shì)。老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化略呈上升趨勢(shì)與膠料的進(jìn)一步交聯(lián)有關(guān)。

圖5 lnP–τ0.48 線性關(guān)系（FX-4 密封圈18.3%初始?jí)嚎s率）Fig.5 Linear diagram of lnP–τ0.48(FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

80、100 ℃這2 個(gè)溫度點(diǎn)的K值明顯不符合這一單調(diào)規(guī)律，再加上80、100 ℃溫度點(diǎn)的老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化略呈上升趨勢(shì)，在分析K與T的關(guān)系時(shí)，可將這2 個(gè)溫度點(diǎn)舍棄。得到lnK和1/T數(shù)據(jù)見表4，對(duì)表4 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到FX-4 密封圈（18.3%初始?jí)嚎s率）性能衰減模型為：

表4 lnK 和1/T 數(shù)據(jù)（FX-4 密封圈18.3%初始?jí)嚎s率）Tab.4 Data of lnK and 1/T (FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

式中：A的平均值為0.829 1。

4 FX-17 密封圈儲(chǔ)存/裝機(jī)條件下的性能衰減規(guī)律

4.1 初始?jí)嚎s率為11.9%

初始?jí)嚎s率為11.9%的FX-17 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 個(gè)溫度點(diǎn)的老化指標(biāo)P隨老化時(shí)間變化的數(shù)據(jù)如圖6 所示?？梢钥闯?，在80、120、150、200 ℃等4 個(gè)溫度點(diǎn)，其老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化出現(xiàn)了明顯的衰減。但在100 ℃溫度點(diǎn)進(jìn)行熱空氣老化試驗(yàn)，其老化指標(biāo)P隨時(shí)間的變化不明顯。

圖6 性能參數(shù)P 隨老化時(shí)間τ 的變化（FX-17 密封圈11.9%初始?jí)嚎s率）Fig.6 Performance parameter P with aging time τ(FX-17 seal ring at 11.9% initial compression rate)

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析和逐次逼近計(jì)算，得到當(dāng)α＝0.45時(shí)，殘差平方和0.007 457 為最小。lnP-τ0.45的線性關(guān)系如圖7 所示。由圖7 可知，在100 ℃溫度點(diǎn)，斜率b為正，老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化略呈上升趨勢(shì)。在80、120、150、200 ℃等4 個(gè)溫度點(diǎn)，斜率b為負(fù)，老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化明顯呈下降趨勢(shì)。老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化略呈上升趨勢(shì)是膠料的進(jìn)一步交聯(lián)引起的。

圖7 lnP-τ0.45 線性關(guān)系（FX-17 密封圈11.9%初始?jí)嚎s率）Fig.7 Linear diagram of lnP-τ0.45(FX-17 seal ring at 11.9% initial compression rate)

得到FX-17 密封圈（11.9%初始?jí)嚎s率）性能衰減模型為：

式中：A的平均值為0.835 8。

4.2 初始?jí)嚎s率為19.4%

初始?jí)嚎s率為19.4%的FX-17 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 種溫度點(diǎn)的老化指標(biāo)P隨老化時(shí)間變化的數(shù)據(jù)如圖8 所示。在80、100 ℃這2 個(gè)溫度點(diǎn)，其老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化并沒有出現(xiàn)明顯的衰減，甚至還略有上升；在120、150、200 ℃等3 個(gè)溫度點(diǎn)，其老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化出現(xiàn)了較明顯的下降趨勢(shì)。

圖8 性能參數(shù)P 隨老化時(shí)間τ 的變化（FX-17 密封圈19.4%初始?jí)嚎s率）Fig.8 Performance parameter P with aging time τ(FX-17 seal ring at 19.4% initial compression rate)

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析和逐次逼近計(jì)算，得到當(dāng)α＝0.34時(shí)，殘差平方和0.004 556 為最小。lnP-τ0.34的線性關(guān)系如圖9 所示。由圖9 可知，在80、100 ℃這2 個(gè)溫度點(diǎn)，斜率b為正，老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化是略呈上升趨勢(shì)；在120、150、200 ℃等3 個(gè)溫度點(diǎn)，斜率b為負(fù)，老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化明顯呈下降趨勢(shì)。老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化略呈上升趨勢(shì)是膠料的進(jìn)一步交聯(lián)帶來的，性能退化模型主要關(guān)注老化指標(biāo)P隨時(shí)間變化的下降趨勢(shì)。

圖9 lnP-τ0.34 線性關(guān)系（FX-17 密封圈19.4%初始?jí)嚎s率）Fig.9 Linear diagram of lnP-τ0.34(FX-17 seal ring at 19.4% initial compression rate)

最終得到FX-17 密封圈（19.4%初始?jí)嚎s率）性能衰減模型為：

式中：A的平均值為0.806 1。

5 折算系數(shù)

該型橡膠密封件一般為儲(chǔ)存3 a 內(nèi)，裝機(jī)使用x×103h/10 a 進(jìn)入大修，長期備件可儲(chǔ)存至6 a。實(shí)際儲(chǔ)存溫度在5～30 ℃[23]，取其較高的30 ℃作為FX-4密封圈實(shí)際儲(chǔ)存溫度，即T庫存=303.15 K。根據(jù)某型直升機(jī)使用維修手冊(cè)規(guī)定，主減工作滑油溫度為80～100 ℃，120 ℃為滑油報(bào)警溫度，則主減實(shí)際裝機(jī)使用最低溫度為80 ℃（T工作=353.15 K）。

1）FX-4 密封圈儲(chǔ)存/裝機(jī)老化折算系數(shù)。在初始?jí)嚎s率10.5%下，儲(chǔ)存/裝機(jī)老化折算系數(shù)為0.018；在初始?jí)嚎s率18.3%下，儲(chǔ)存/裝機(jī)老化折算系數(shù)為0.002 1。

2）FX-17 密封圈儲(chǔ)存/裝機(jī)老化折算系數(shù)。在初始?jí)嚎s率11.9%下，儲(chǔ)存/裝機(jī)老化折算系數(shù)為0.011；在初始?jí)嚎s率19.4%下，儲(chǔ)存/裝機(jī)老化折算系數(shù)為0.000 53。

3）主減儲(chǔ)存/裝機(jī)日歷壽命折算系數(shù)。FX-4 密封圈在初始?jí)嚎s率10.5%下，儲(chǔ)存/裝機(jī)老化折算系數(shù)為0.018。80 ℃條件下，每工作1 h，相當(dāng)于儲(chǔ)存55 h。如果1 年工作250 h，裝機(jī)工作條件下（工作+停放）相當(dāng)于儲(chǔ)存條件下22 348.89 h，為年庫存的2.5 倍。同理可得，年工作200 h 約為年庫存的2.2 倍。年工作300 h 約為年庫存的2.8 倍。為了保證安全和外場(chǎng)計(jì)算方便，可統(tǒng)一為2 倍，即裝有FX-4 密封圈的主減裝機(jī)使用1 a 相當(dāng)于儲(chǔ)存2 a。同理，裝有FX-17密封圈的主減裝機(jī)使用1 a 相當(dāng)于儲(chǔ)存3 a。

6 結(jié)果與討論

FX-4 和FX-17 在80、100、120 ℃等3 個(gè)溫度點(diǎn)的整個(gè)加速老化試驗(yàn)過程中，壓縮永久變形率均在20%左右，低于失效判據(jù)25%，均在有效使用范圍內(nèi)；在80、100 ℃這2 個(gè)溫度點(diǎn)下經(jīng)歷10～85 d 的加速老化試驗(yàn)，壓縮永久變形率變化不大。

若以25%為失效判據(jù)，F(xiàn)X-4 在初始?jí)嚎s率10.5%下的失效年限為39.6 a，F(xiàn)X-17 在初始?jí)嚎s率11.9%下的失效年限為93.7 a，初始高壓縮率下失效年限計(jì)算結(jié)果分別為12 088、9 687 a，偏差很大。取分散系數(shù)為2，可以確定主減儲(chǔ)存年限可達(dá)19.8 a。與俄羅斯推薦主減速器使用的ИРЛ-1287（TY 380051166—87《航空零件用橡膠膠料》）推薦日歷壽命為15～20 a（包含使用和儲(chǔ)存）基本一致，國內(nèi)氟橡膠FX-4 和FX-17 的日歷壽命長，安全余度大。

7 結(jié)論

1）裝有FX-4 密封圈的主減裝機(jī)使用1 a 相當(dāng)于儲(chǔ)存2 a。

2）裝有FX-17 密封圈的主減裝機(jī)使用1 a 相當(dāng)于儲(chǔ)存3 a。

3）主減儲(chǔ)存條件下日歷壽命可達(dá)20 a，但要及時(shí)更換滑油，做好油封。

4）依據(jù)結(jié)果，在1 個(gè)儲(chǔ)存期（3 a）和裝機(jī)翻修間隔期（10 a）內(nèi)，該直升機(jī)主減速器可安全使用。