考慮貯存剖面的固體火箭發(fā)動機(jī)橡膠密封圈貯存壽命研究

吳迪，王預(yù)然，胡雨蒙

考慮貯存剖面的固體火箭發(fā)動機(jī)橡膠密封圈貯存壽命研究

吳迪，王預(yù)然，胡雨蒙*

（中國航天科技集團(tuán)有限公司四院四十一所，西安 710025）

對貯存周期內(nèi)包含多個溫度環(huán)境剖面的固體火箭發(fā)動機(jī)橡膠密封圈貯存壽命進(jìn)行評估。通過開展硅橡膠材料加速老化試驗(yàn)，結(jié)合Arrhenius老化規(guī)律，建立硅橡膠老化模型，獲得硅橡膠加速老化等當(dāng)規(guī)律，并根據(jù)等當(dāng)關(guān)系開展模擬密封裝置加速老化試驗(yàn)，考核老化后硅橡膠密封性。最后通過對固體火箭發(fā)動機(jī)貯存環(huán)境剖面進(jìn)行梳理，計(jì)算出貯存周期下的等效溫度，并結(jié)合試驗(yàn)獲得的硅橡膠密封圈老化性能，直接對該貯存周期下密封圈老化壽命進(jìn)行評估。通過硅橡膠材料老化試驗(yàn)及模擬密封裝置老化試驗(yàn)，得到了25 ℃下硅橡膠能夠滿足20 a的使用壽命。隨后通過梳理并計(jì)算得出固體火箭發(fā)動機(jī)貯存周期下的等效溫度為22.78 ℃，可以直接獲得該發(fā)動機(jī)使用的硅橡膠密封圈壽命在該貯存環(huán)境下能夠滿足20 a使用壽命。通過計(jì)算貯存周期下多個溫度環(huán)境剖面的等效溫度，并結(jié)合加速老化試驗(yàn)結(jié)論，可快速獲得橡膠密封圈老化壽命。

固體火箭發(fā)動機(jī)；硅橡膠；密封圈；加速老化；快速壽命評估；等效溫度

隨著導(dǎo)彈武器對實(shí)戰(zhàn)化性能需求的逐漸提升，對固體火箭發(fā)動機(jī)貯存壽命提出了更高要求，合理評估發(fā)動機(jī)壽命，成為支撐發(fā)動機(jī)貯存延壽工作的重要依據(jù)。國內(nèi)外在固體火箭發(fā)動機(jī)壽命評估研究方面做了大量工作，形成了憑借材料級、部組件級、全彈加速老化試驗(yàn)手段逐步遞進(jìn)的壽命研究方法，以及通過監(jiān)檢測技術(shù)進(jìn)行性能監(jiān)控的分析方法，為提升導(dǎo)彈貯存壽命、減少生產(chǎn)成本提供了支撐[1-15]。

在固體火箭發(fā)動機(jī)貯存過程中，橡膠密封圈是極易發(fā)生失效的零件之一，而作為保證發(fā)動機(jī)密封性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在發(fā)動機(jī)貯存過程中，往往采用更換密封件等措施來進(jìn)行延壽，而密封件更換需要對全彈及發(fā)動機(jī)進(jìn)行分解，周期較長，不利于導(dǎo)彈隨時(shí)能夠投入使用的實(shí)戰(zhàn)要求[16]。因此，合理準(zhǔn)確地評估密封圈壽命對發(fā)動機(jī)貯存延壽工作有重要意義，許多學(xué)者開展了大量工作研究橡膠密封件老化壽命。解紅雨等[17]通過多項(xiàng)測試與試驗(yàn)獲得了橡膠材料的各項(xiàng)物理性能，并采用壓縮永久變形臨界值作為判據(jù)，獲得了硅橡膠密封圈的壽命預(yù)估值。羅勇等[18]通過質(zhì)譜、紅外光譜和能譜等理化分析方法確定了某型進(jìn)口導(dǎo)彈橡膠密封件的主體材質(zhì)，并開展了加速老化試驗(yàn)，獲得了在25 ℃條件下橡膠密封件的剩余貯存壽命為5.8 a。一般說來，橡膠件的壽命研究主要需要通過加速老化試驗(yàn)手段來進(jìn)行[19-23]，并根據(jù)加速老化試驗(yàn)獲得橡膠的老化規(guī)律，進(jìn)一步建立橡膠密封圈的壽命預(yù)測模型，獲得某一特定貯存溫度下密封圈的壽命評估[24-25]。

當(dāng)前密封圈加速老化研究主要圍繞某一特定貯存溫度開展，而固體火箭發(fā)動機(jī)根據(jù)實(shí)際使用工況可能面臨著高溫達(dá)60 ℃、低溫達(dá)–40 ℃下的極端溫度剖面，在作戰(zhàn)值班狀態(tài)和庫房貯存狀態(tài)溫度同樣存在較大差異，在經(jīng)過長期貯存和值班后，其溫度歷程極為復(fù)雜。簡單地采用常溫貯存狀態(tài)（多為25 ℃）進(jìn)行評估不能表征真實(shí)的溫度載荷，影響評估的準(zhǔn)確性，而針對貯存周期下的每個環(huán)境溫度剖面開展加速老化試驗(yàn)則過于復(fù)雜，不僅研究成本過高，也無法迅速獲得壽命評估結(jié)論。

本文提出了一種考慮貯存周期內(nèi)溫度載荷剖面的密封圈壽命評估方法：首先，開展材料級老化試驗(yàn)，獲得硅橡膠性能的老化規(guī)律，建立老化模型；隨后，根據(jù)硅橡膠老化模型，開展等當(dāng)自然貯存25 ℃溫度下的模擬密封裝置加速老化試驗(yàn)，并在達(dá)到考核時(shí)間點(diǎn)后進(jìn)行水壓檢驗(yàn)，獲得25 ℃下硅橡膠密封圈的老化壽命評估結(jié)論；最后，對發(fā)動機(jī)貯存周期下環(huán)境溫度剖面進(jìn)行梳理，獲得全周期內(nèi)環(huán)境溫度變化情況，并根據(jù)溫度時(shí)歷數(shù)據(jù)，計(jì)算得到平均溫度，以此作為貯存周期下的等效溫度。結(jié)合前文中25 ℃下硅橡膠密封圈的壽命評估結(jié)論，可以得到以下結(jié)論：當(dāng)?shù)刃囟刃∮?5 ℃時(shí)，該貯存環(huán)境溫度條件下的硅橡膠密封圈壽命大于25 ℃條件下硅橡膠的貯存壽命。

1 密封圈貯存壽命研究

1.1 貯存溫度對密封圈老化性能的影響

固體火箭發(fā)動機(jī)中所使用的密封圈均屬于橡膠類材料，一般發(fā)生老化主要是由于其內(nèi)部發(fā)生交聯(lián)、降解等化學(xué)作用，導(dǎo)致在宏觀上一些物理性能發(fā)生改變。已有研究表明，橡膠材料在使用溫度范圍內(nèi)，其性能變化速度常數(shù)與熱力學(xué)溫度關(guān)系符合Arrhenius方程，見式（1）。

式中：為性能變化速度常數(shù)；為頻率因子；為表觀活化能；為氣體摩爾常數(shù)；為熱力學(xué)溫度。

Arrhenius公式是一個經(jīng)驗(yàn)公式，對于加速老化試驗(yàn)作了以下假設(shè)：在試驗(yàn)溫度和外推溫度范圍內(nèi)，只有1個或幾個具有相同活化能的反應(yīng)起決定作用；反應(yīng)活化能是常數(shù)，與溫度無關(guān)；反應(yīng)速率只受溫度影響，與其他因素?zé)o關(guān)。從上述反應(yīng)速率方程可知，對于特定的材料，即認(rèn)為表觀活化能不變的情況下，溫度升高，性能變化速度常數(shù)增大，溫度降低，性能變化速度常數(shù)減小，即溫度越高，橡膠材料的性能老化速度越快。

1.2 材料級老化性能研究

為了掌握密封圈的貯存壽命，根據(jù)GB 1683—81《硫化橡膠恒定形變壓縮永久變形的測定方法》開展了材料級加速老化試驗(yàn)以及模擬密封裝置考核試驗(yàn)。通過材料級加速老化試驗(yàn)，獲得密封圈材料的老化性能模型，進(jìn)一步通過模擬密封裝置考核實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證密封圈各貯存節(jié)點(diǎn)的密封性能。

采用一定的數(shù)學(xué)模型將材料性能參量與性能變化速度常數(shù)、時(shí)間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，性能變化速度常數(shù)與溫度關(guān)系按照Arrhenius方程處理。在密封圈實(shí)際老化性能預(yù)測中，經(jīng)常采用如式（2）所示老化模型[26-27]：

式中：當(dāng)()為壓縮老化性能時(shí)，其值為1－（為壓縮永久變形率）；當(dāng)()為其他老化性能時(shí)，可表示為老化系數(shù)，即()=/0，為性能變化速度常數(shù)，和為與溫度無關(guān)的常數(shù)。

性能參數(shù)與老化時(shí)間不是線性關(guān)系，隨的變化用動力學(xué)公式描述。通過坐標(biāo)變換，將曲線變成直線，求出各溫度下的速率常數(shù)值。然后，利用Arrhenius公式外推求出常溫下的速率常數(shù)0的值，從而建立常溫下的性能變化方程。

首先開展硅橡膠材料的老化規(guī)律研究?？紤]到橡膠材料的壓縮永久變形隨時(shí)間的變化具有較強(qiáng)的規(guī)律性，因此這里選取壓縮永久變形作為橡膠材料的老化特性指標(biāo)進(jìn)行分析。

采用式（2）的老化模型，老化性能參數(shù)采用壓縮老化性能。根據(jù)材料老化性能測試結(jié)果，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到硅橡膠材料各老化節(jié)點(diǎn)壓縮老化性能數(shù)據(jù)。由于試件本體性能偏差以及測試誤差，部分測試數(shù)據(jù)與預(yù)期值偏差較大，但數(shù)據(jù)整體規(guī)律性較好，確保了數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。硅橡膠材料壓縮老化性能數(shù)據(jù)見表1，壓縮老化性能變化曲線如圖1所示。

通過對模型參數(shù)迭代處理，得到=0.4?？紤]到后期測試數(shù)據(jù)散差較大，為了使計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，利用前30 d的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)擬合。各溫度下ln隨t的變化曲線見圖2，雖然曲線存在略微波動，但整體線性一致性較好，數(shù)據(jù)處理可行。

表1 硅橡膠材料壓縮老化性能

Tab.1 Aging performance of silicone rubber under compression

圖1 硅橡膠壓縮永久變形變化曲線

圖2 硅橡膠lnf與tα曲線

通過擬合可以得到各溫度下的老化反應(yīng)速率以及系數(shù)，進(jìn)一步通過各溫度下的值，可以作出ln隨1/的變化曲線，如圖3所示?？梢钥闯?，老化反應(yīng)速率與系數(shù)的線性相關(guān)性較好，符合Arrhenius老化規(guī)律。

圖3 硅橡膠lnK與1/T曲線

得到ln與1/的擬合直線方程為：

按照式（4）所示Arrhenius公式的變化形式：

已知?dú)怏w常數(shù)=8.314 J/(mol·K)，根據(jù)公式（3）、（4）可以得到該材料活化能=25.635 kJ/mol。

從而得到硅橡膠材料的老化性能模型為：

則不同溫度下達(dá)到相同老化效果所需的等當(dāng)老化時(shí)間，可以按照下式（6）進(jìn)行快速計(jì)算：

根據(jù)式（6），可以得到硅橡膠材料在常溫（25 ℃）條件下老化10、15、20 a，等當(dāng)于高溫100、110、120、130、140 ℃條件下的老化時(shí)間，具體見表2。

表2 硅橡膠老化等當(dāng)關(guān)系

Tab.2 Equivalence relationship for aging performance of silicone rubber d

1.3 模擬密封裝置試驗(yàn)

為了對硅橡膠密封圈老化后密封性能進(jìn)行驗(yàn)證，開展了模擬密封裝置試驗(yàn)。按照表2中老化等當(dāng)關(guān)系，綜合考慮模擬的準(zhǔn)確性以及老化時(shí)間等因素，選取110 ℃作為密封試驗(yàn)容器老化條件，并在各等效時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密封考核試驗(yàn)。

1.3.1 模擬密封裝置設(shè)計(jì)

對發(fā)動機(jī)的密封結(jié)構(gòu)和密封材料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，選取具有代表性的常用密封狀態(tài)，作為研究的主要對象，常用的密封狀態(tài)見表3。選取典型的密封結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了密封結(jié)構(gòu)，建立了密封結(jié)構(gòu)模型，具體結(jié)構(gòu)狀態(tài)見表4。

表3 密封狀態(tài)

Tab.3 Sealing state

表4 密封結(jié)構(gòu)

Tab.4 Sealing structure

密封老化試驗(yàn)容器分為考核端面及端側(cè)面密封的老化組合件1和側(cè)面密封的老化組合件2，如圖4、圖5所示。將老化組合件1、2整體放入保溫箱中進(jìn)行加速老化。

圖4 老化組合件1

圖5 老化組合件2

老化試驗(yàn)結(jié)束后，需將主容器與各貯存節(jié)點(diǎn)的密封子容器裝配，進(jìn)行水壓檢驗(yàn)，考核密封圈在各貯存節(jié)點(diǎn)的密封性能。水壓檢驗(yàn)壓強(qiáng)為15 MPa，保壓120 s。水壓試驗(yàn)容器見圖6～8。

圖6 主容器

圖8 水壓組合件2

1.3.2 模擬密封裝置試驗(yàn)考核結(jié)果

在加速老化等當(dāng)自然貯存10、15、20 a時(shí)，將主容器與各貯存節(jié)點(diǎn)的老化組合件裝配，分別進(jìn)行水壓試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)考核，硅橡膠密封圈加速老化后容器水壓過程無滲漏，表明密封圈老化后密封性良好，硅橡膠密封圈的貯存壽命不小于20 a。

1.4 小結(jié)

本節(jié)通過材料級加速老化試驗(yàn)，獲得了硅橡膠材料老化規(guī)律，建立了老化模型，并以此確定了熱老化加速試驗(yàn)溫度。隨后進(jìn)行模擬密封裝置加速老化試驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)發(fā)動機(jī)上常用密封形式設(shè)計(jì)模擬密封裝置，并根據(jù)已建立的老化模型，對密封裝置試驗(yàn)件進(jìn)行等當(dāng)自然貯存10、15、20 a的加速老化試驗(yàn)，在達(dá)到考核時(shí)間點(diǎn)后，對模擬密封裝置進(jìn)行15 MPa水壓試驗(yàn)檢驗(yàn)，均無滲漏現(xiàn)象，成功考核了老化后硅橡膠密封圈的密封性。

根據(jù)材料級老化性能試驗(yàn)、模擬裝置驗(yàn)證試驗(yàn)情況分析可知，硅橡膠密封圈在25 ℃環(huán)境下貯存壽命不小于20 a。

2 考慮貯存環(huán)境剖面的壽命評定方法

由上文可以看出，硅橡膠密封圈壽命直接受到貯存環(huán)境溫度的影響，但固體火箭發(fā)動機(jī)貯存環(huán)境溫度剖面差別較大，若按照常溫（25 ℃）進(jìn)行評估，所得結(jié)論并不準(zhǔn)確。因此，首先需要收集貯存周期內(nèi)的詳細(xì)溫度變化數(shù)據(jù)，在獲得全周期下溫度變化數(shù)據(jù)后，若采用交變溫度開展加速老化試驗(yàn)，則存在試驗(yàn)難度大、時(shí)間長、操作不易等難點(diǎn)。

考慮到環(huán)境溫度對密封圈性能老化是一種累積效應(yīng)作用，可以將溫度累積效應(yīng)看作是一個隨時(shí)間變化的函數(shù)()。通過梳理出全周期內(nèi)的溫度變化情況，建立溫度隨時(shí)間變化的函數(shù)()，則溫度累積效應(yīng)與溫度函數(shù)之間的關(guān)系為：

由積分中值定理可知，對于一個閉區(qū)間[,]內(nèi)連續(xù)的函數(shù)()，在積分區(qū)間內(nèi)至少存在一個點(diǎn)使得式（8）成立：

令0=2－1，表示整個貯存周期時(shí)長，則式（9）可寫為：

表5 貯存環(huán)境剖面

Tab.5 Environmental conditions during storage cycle

為了充分評估密封圈老化壽命，對每個溫度間隔取上限作為該溫度間隔的貯存溫度T，每個溫度持續(xù)時(shí)間記為τ，則式（10）可寫成離散形式：

3 結(jié)論

本文通過對硅橡膠密封圈的老化性能開展了相關(guān)研究，得到了以下結(jié)論：

1）固體火箭發(fā)動機(jī)密封圈所用材料均為橡膠類材料，其性能主要受到溫度的影響，性能變化速度常數(shù)與熱力學(xué)溫度關(guān)系符合Arrhenius方程。

2）通過對硅橡膠密封圈開展了材料級老化性能試驗(yàn)、模擬裝置驗(yàn)證試驗(yàn)，獲得了硅橡膠密封圈在25 ℃環(huán)境下貯存壽命不小于20 a。

3）通過梳理固體火箭發(fā)動機(jī)全周期貯存環(huán)境剖面條件，計(jì)算出密封圈在發(fā)動機(jī)貯存周期下的等效溫度，并結(jié)合試驗(yàn)獲得的結(jié)論，可以直接獲得在該貯存環(huán)境下密封圈的使用壽命，達(dá)到快速評估貯存壽命的效果。

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Storage Life of Silicone-rubber Sealing Ring for Solid Rocket Motor Based on Storage Condition

WU Di, WANG Yu-ran, HU Yu-meng*

(The 41stInstitute of the Forth Academy of CASC, Xi'an 710025, China)

The work aims to evaluate the storage life of silicone-rubber sealing ring for solid rocket motor under multiple temperature conditions during the storage cycle. A series of accelerated aging tests were carried out to the silicone-rubber material. Combined with the test results and Arrhenius formula, the aging model for silicone-rubber material was established. Then, the equivalent law of accelerated aging of silicone-rubber material was obtained, and the accelerated aging test was carried out to the simulated sealing device according to the equivalent relationship to verify the sealing performance of aged silicone-rubber material. Finally, the equivalent temperature was calculated by sorting out the storage environment data of a solid rocket motor and the aging performance of silicone-rubber sealing ring was obtained combined with the test results. Thus, the aging life of sealing ring under this storage cycle was directly evaluated. Ultimately, it was concluded that the service life of silicone-rubber sealing ring could reach 20 years at 25 ℃ after the aging tests of silicone-rubber material and simulated sealing device. The equivalent temperature of the silicone-rubber sealing ring used for solid rocket motor during its storage cycle was 22.78 ℃, so it could directly come to a conclusion that the service life of silicone-rubber sealing ring used in this motor could meet the service life of 20 years in this storage environment. The aging life of rubber sealing ring can be obtained quickly by calculating the equivalent temperature under multiple temperature environment conditions during storage cycle and combining with the conclusion of accelerated aging test.

solid rocket motor; silicone-rubber material; sealing ring; accelerated aging test; rapid evaluation of storage life; equivalent temperature

2023-09-25；

2023-10-11

TG760.6

A

1672-9242(2023)10-0077-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.10.009

2023-09-25；

2023-10-11

吳迪, 王預(yù)然, 胡雨蒙. 考慮貯存剖面的固體火箭發(fā)動機(jī)橡膠密封圈貯存壽命研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(10): 77-83.

WU Di, WANG Yu-ran, HU Yu-meng. Storage Life of Silicone-rubber Sealing Ring for Solid Rocket Motor Based on Storage Condition [J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(10): 77-83.

責(zé)任編輯：劉世忠