某型導彈橡膠密封件剩余貯存壽命預測

羅勇,何建新,趙全成,張凱,周堃

(西南技術工程研究所,重慶400039)

某型導彈橡膠密封件剩余貯存壽命預測

羅勇,何建新,趙全成,張凱,周堃

(西南技術工程研究所,重慶400039)

目的評估預測某型進口導彈的橡膠密封件剩余貯存壽命。方法通過質譜、紅外光譜和能譜等理化分析方法確定橡膠密封件主體材質,通過熱重分析確定熱老化試驗溫度條件,設計壓縮工裝模擬彈體實際密封結構,開展4個溫度條件下的加速熱老化試驗。結果材質分析確定橡膠密封件為丁苯橡膠,熱老化試驗獲取了該材料在貯存溫度下的壓縮永久變形與貯存時間的老化動力學方程。結論25℃條件下該橡膠密封件的剩余貯存壽命為5.8年。

密封件;熱氧老化;剩余貯存壽命

導彈裝備在貯存過程中,橡膠密封材料是最早、最容易出現老化問題的材料之一,橡膠密封件是決定裝備貯存壽命的關鍵元件[1—3]。針對橡膠密封件的貯存壽命,已經開展了很多的研究工作[4—8]。某型導彈為進口型號,設計定型其貯存壽命為N年,目前處于超期服役狀態,需要對其開展剩余貯存壽命的評估工作。通過整彈薄弱環節的篩選,文中橡膠密封件被確定為重點關注的薄弱環節之一。基于Arrhenius方程開展熱老化試驗評估橡膠材料貯存壽命案例較多,文中也基于這一基本原理開展評估工作,但實際工作中存在對象材質信息缺失、樣本量少等難點,需逐一解決。

1 試驗

1.1 試驗樣品

試驗樣品O型圈密封件為實際貯存N年的某型導彈拆解件,單發導彈裝配密封件1件,試驗評估工作使用拆解3發導彈獲得的3件密封件。一般開展熱老化試驗,要求溫度條件不少于4個,單個溫度條件平行樣不少于3件。文中熱老化試驗選取4個溫度條件,每個溫度條件1套壓縮工裝,但由于密封件樣品量少,將單個貯存N年拆解O型圈密封件均分剪為4段,單個壓縮工裝裝配3段。壓縮工裝按彈上實際密封裝配結構尺寸測量結果進行設計,密封件為徑向壓縮,壓縮率為11%,如圖1所示。

圖1 試驗樣品及壓縮工裝Fig.1 Rubber sample and clamp setting

1.2 試驗設備

老化試驗設備為CS101-3EB型熱老化試驗箱,溫度誤差為±1℃,使用螺旋測微器測量密封件徑向寬度,精度為0.001 mm。

1.3 試驗原理

橡膠材料在老化過程中,壓縮永久變形率ε與老化時間τ的關系,一般用式(1)來描述[6]:

式中:ε為時間τ的壓縮永久變形率,對壓縮永久變形保留率為(1-ε);τ為老化時間,d;K為與溫度有關的性能變化速率常數,d-1;B為試驗常數;α為常數,0＜α≤1。

按照性能與老化時間的關系,可求得性能變化的速率常數K,且在一定溫度范圍內,老化速率常數K與熱力學溫度T的關系符合Arrhenius方程,如式(2)所示:

式中:T為老化溫度,K;E為表面活化能,J/mol;A為頻率因子,d-1;R為氣體常數,J/(K·mol)。

2 結果與討論

2.1 材質分析結果

經氣相色譜-質譜分析,檢出試樣中有丁二烯-α甲基苯乙烯共聚物、六乙基環三硅氧烷、硬脂酸、癸二酸二丁酯、防老劑D和鄰苯二甲酸二辛酯等6種組分,同時紅外光譜分析結果與丁苯橡膠譜圖一致,因此確定密封件為丁苯橡膠。

取少量灼燒殘渣經溴化鉀壓片后,進行紅外光譜分析,該譜圖結果顯示,灰分中含有滑石粉、含硅化合物和少量硫酸鈣。結合能譜圖及X射線衍射譜圖分析,確定樣品中還含有氧化鋅和硅酸鋅兩種無機添加物,材質分析結果見表1。密封件原始材質信息缺失,通過材質分析確定密封件為丁苯橡膠,并給出了主要組分相對含量,為型號延壽措施過程中選材提供了支撐,同時也積累了丁苯橡膠長期貯存老化性能數據。

表1 材質分析組分分析結果Table 1 Results of composition analysis

2.2 熱重分析結果和熱老化試驗溫度條件

取少量密封件試樣進行熱重測試,測試結果如圖2所示,分解溫度在450℃左右。試樣在150℃左右出現失重趨勢(質量損失率為0.05%),表明其在150℃時,試樣的某些組分出現了分解,因此開展其加速熱老化試驗的最高溫度不宜超過150℃。

圖2 熱重曲線Fig.2 DSC curve

通過開展熱老化預試驗確定最高試驗溫度條件,具體試驗方法是:選定溫度條件下試樣在模擬壓縮工裝中熱老化試驗24 h后的壓縮永久變形率不超過20%。第1次預試驗溫度取150℃,24 h后壓縮永久變形率遠大于20%,第2次選取120℃試驗結果仍不滿足預期要求,最終通過開展第3次預試驗選定100℃作為最高試驗溫度條件,其他3個溫度條件依次取90,80和70℃。

2.3 熱老化試驗結果

表2給出了為壓縮永久變形率ε與老化時間τ的試驗數據,從表2中試驗數據可以看出,各試驗溫度下試樣的壓縮永久變形保留率(1-ε)隨τ的增加而單調遞減。

利用已有Matlab程序對老化試驗數據進行處理[9],計算得出α常數為0.56,同時給出了各試驗溫度下的擬合方程及相關系數,見表3。常規利用橡膠柱開展熱老化試驗數據規律性一般比較好[5—8],實測數據點與趨勢線相吻合。文中試樣特殊,實測數據點相對趨勢線有一定波動,如圖3所示,但試驗結果總體較理想。

表2 密封件加速老化試驗數據Table 2 Accelerated aging test data for the sealing rubber

表3 密封件壓縮永久變形與時間擬合方程Table 3 Fitting equation of permanent compressive deformation of the rubber material and time

圖3 密封件壓縮永久變形與時間擬合曲線Fig.3 Fitting curve of permanent compressive deformation of the rubber material and time

根據4個溫度下密封件壓縮永久變形率的試驗數據,擬合得到4個溫度下的性能變化速率常數K值分別為0.2133,0.2540,0.2900和0.6027。根據4個溫度下的K值及式(2),可以外推得到貯存溫度為25℃的條件下性能變化速率常數K值為0.0312,從而得到貯存溫度條件下表征密封件壓縮永久變形性能隨時間變化關系,見式(3)。

2.4 剩余貯存壽命

加速老化試驗數據處理后得到貯存溫度條件下壓縮永久變形率與貯存時間的老化動力學方程,給定壓縮永久變形率失效臨界值,經公式(3)計算可得到密封件的剩余貯存壽命。

評估工作在開展密封件模擬壓縮工裝老化試驗的同時,還在90℃下同步開展了部件老化試驗,部件可以進行氣密性功能驗證試驗。部件老化若干天后,密封件壓縮永久變形保留率僅10.6%,但部件氣密檢驗仍未失效。一般在無法給定確切失效臨界值條件下取值50%的工程應用較多,10%左右壓縮永久變形保留率作為失效臨界值的工程應用存在較大風險。文中部件氣密未失效原因主要有兩點:一是氣密壓力要求不高;二是裝配中密封件表面涂有較多潤滑脂,具有一定密封和減緩熱氧老化作用。文中取壓縮永久變形保留率10.6%作為失效臨界值,置信度為95%,經公式(3)計算得到剩余貯存壽命5.8年。

3 結語

針對某型超期貯存的進口導彈橡膠密封件開展剩余貯存壽命預測研究,通過理化分析手段確定橡膠密封件材質為丁苯橡膠,熱老化試驗失效臨界值取壓縮永久變形保留率為10.6%,得到剩余貯存壽命為5.8年,試驗結果為型號二次定壽及延壽措施實施提供數據支撐。

[1] 周堃.彈箭貯存壽命預測預報技術綜述[J].裝備環境工程,2005,2(2):6—4. ZHOU Kun.Prediction Techniques for Storage Life of Missiles[J].Equipment Environmental Engineering, 2005,2(2):6—4.

[2] 周堃.阿倫尼烏斯公式在彈箭貯存壽命評估中的應用[J].裝備環境工程,2011,8(4):1—4. ZHOU Kun.Application of Arrhenius Equation in Storage Life Evaluation of Ammunition[J].Equipment Environmental Engineering,2011,8(4):1—4.

[3] 高曉敏.橡膠貯存壽命預測方法研究進展與思考建議[J].高分子通報,2010(2):80—86 GAO Xiao-min.Review and Suggestions for Storage Life Prediction Methods of Rubber[J].Polymer Bulletin,2010 (2):80—86.

[4] 王春暉.航空導彈貯存期壽命分析[J].裝備環境工程,2011,8(4):68—72. WANG Chun-hui.Storage Life Analysis of Aircraft Missile [J].Equipment Environmental Engineering,2011,8(4): 68—72.

[5] 韓建立.導彈橡膠密封件壽命預測方法[J].海軍航空工程學院學報,2013,28(2):172—176. HAN Jian-li.Life Prediction Method for Rubber Seal of Missiles[J].Journal of Naval Aeronautical and Astronautical University,2013,28(2):172—176.

[6] 周漪.某彈用硅橡膠密封材料貯存壽命預測[J].裝備環境工程,2010,7(5):65—68. ZHOU Yi.Prediction of Storage Life of Silicone-Rubber Sealing Material[J].Equipment Environmental Engineering,2010,7(5):65—68.

[7] 解紅雨.硅橡膠密封件隨彈貯存老化分析及壽命預估[J].裝備環境工程,2011,8(6):15—18. XIE Hong-yu.Analysis and Prediction of On-missile Storage Life ofSilicone-rubberSealing Material[J]. Equipment Environmental Engineering,2011,8(6):15—18.

[8] 張生鵬.某橡膠減振墊加速貯存老化試驗及壽命預測[J].裝備環境工程,2010,7(5):24—28. ZHANG Sheng-peng.Storage Accelerated Aging Test and Life Prediction of Rubber Vibration Isolator[J].Equipment Environmental Engineering,2010,7(5):24—28.

[9] 何建新.基于Matlab編程實現Arrhenius模型壽命預測[J].裝備環境工程,2013,10(3):87—90. HE Jian-xin.Life Prediction Based on Arrhenius Model with Matlab Programming[J].Equipment Environmental Engineering,2013,10(3):87—90.

Prediction of Remaining Shelf-life for a Missile Rubber Sealing Material

LUO Yong,HE Jian-xin,ZHAO Quan-cheng,ZHANG Kai,ZHOU Kun
(Southwest Research Institute of Technology and Engineering,Chongqing 400039,China)

ObjectiveTo predict the remaining shelf-life for a missile rubber sealing material based on the thermal aging method.MethodsThe rubber material was analyzed by MS,FTIR,EDS,and XRD,the temperature conditions were determined through thermogravimetric analysis,and clamp setting was designed to simulate the actual sealing structure of the missile,to conduct the accelerated thermal aging under four temperature conditions.ResultsThe rubber material was styrene butadiene rubber,and the aging dynamics equation of permanent compressive deformation and storage time at the storage temperature of this material was established.ConclusionThe remaining shelf-life was predicted to be 5.8 a at 25℃.

sealing material;thermal aging;remaining shelf-life

HE Jian-xin(1981—),Male,from Macheng,Hubei,Senior engineer,Research focus:environment adaption test and evaluation.

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.003

TJ760.6

:A

1672-9242(2014)04-0012-04

2014-06-30;

2014-07-08

Received:2014-06-30;Revised:2014-07-08

羅勇(1973—),男,重慶人,高級工程師,主要研究方向為環境適應性試驗與評價技術。

Biography:LUO Yong(1973—),Male,from Chongqing,Senior engineer,Research focus:environment adaption test and evaluation.

何建新(1981—),男,湖北麻城人,高級工程師,主要研究方向為環境試驗與環境適應性評價。