基于加速老化和自然貯存數據的氟硅橡膠制品貯存壽命預估

馬同玲,黨曉勇,龐明磊

(1.北京動力機械研究所,北京100074;2.中國兵器工業第五三研究所,濟南250031)

基于加速老化和自然貯存數據的氟硅橡膠制品貯存壽命預估

馬同玲1,黨曉勇1,龐明磊2

(1.北京動力機械研究所,北京100074;2.中國兵器工業第五三研究所,濟南250031)

目的準確評價氟硅橡膠制品的貯存壽命。方法利用G402氟硅橡膠制品自然貯存數據對加速老化試驗數據進行檢驗。結果確認加速老化試驗方法可行,數據可信,并根據加速老化試驗中的模擬試驗確定了貯存失效臨界值。結論推測出G402氟硅橡膠制品的貯存壽命可以達到15年。

自然貯存;加速老化;橡膠密封件;貯存壽命

根據延壽經驗,橡膠密封件極有可能成為制約軍用裝備貯存性能的最薄弱環節,橡膠密封件貯存壽命的確定將直接影響裝備的定壽和翻修方案。氟硅橡膠具有優異的耐低溫性能和良好的耐介質性能,被廣泛應用在多型裝備的燃油系統密封結構中。通常情況下,借助加速老化試驗手段來預估橡膠產品的貯存壽命,然而加速老化試驗結論存在一定的偏差,需要通過自然貯存數據對其修正。根據工程經驗,氟硅橡膠的貯存壽命約為15年[1—3],對于貯存壽命要求超過15年的裝備,獲取氟硅橡膠的精確貯存壽命是確保裝備效能持續發揮的關鍵環節。

橡膠密封件裝配后長期貯存過程中,由于受機械應力、介質及空氣中氧和溫度的作用產生累積永久變形,導致密封件壓縮率減少而引起泄漏,喪失其密封性能。因此,通常在評估橡膠密封件貯存壽命時,將壓縮永久變形指標作為典型老化指標。

通過對早期列裝某型發動機上裝配的氟硅橡膠密封件尺寸及相關性能參數測試,獲取了大量翔實的自然貯存試驗數據。將其與加速老化試驗中獲取的試驗數據進行對比分析,檢驗了加速老化試驗的準確度[4—6],進而利用修正的加速老化試驗數據準確評估出氟硅橡膠制品的貯存壽命極限。

1 加速老化試驗

1.1 試驗設備

試驗設備采用401系列老化試驗箱,符合GB/T 3512—2001[7]。主要測試設備參數見表1。

表1 主要測試設備及精度要求Table 1 Main apparatus and accuracy requirements

1.2 試驗件及試驗介質

試驗件采用某型發動機配套的O形橡膠密封圈,橡膠牌號為G402氟硅橡膠。試驗介質為3號噴氣燃料。

1.3 試驗條件

參照GB/T 7759—1996[8],以O形橡膠圈為試驗對象,模擬發動機裝配狀態,如圖1所示。老化溫度分別為90,100,110,120,130℃。

圖1 O形橡膠圈加速老化試驗工裝Fig.1 Equipment for accelerated aging test of O-shape rubber ring

1.4 試驗項目

O形橡膠圈加速老化試驗項目:試樣規格為φ9.55 mm×φ1.9 mm,密封形式為端面壓縮,介質為3號燃料,初始壓縮率為25%,測試項目為壓縮永久變形,子樣數量為每試驗溫度5個,取樣次數為20次。

1.5 試驗數據對比分析

加速老化試驗原始數據處理如圖2所示。解算出各溫度下反應方程見表2。

圖2 G402橡膠加速老化試驗數據處理曲線Fig.2 Curves of accelerated aging test data for rubber G402

表2 各溫度下反應方程Table 2 Reaction equations at different temperatures

求出貯存溫度25℃下的K25=1.05×10-4[9],即可得到該溫度下壓縮永久變形與時間的關系式,見表2。計算25℃下不同貯存年限壓縮永久變形情況見表3。

表3 不同貯存年限壓縮永久變形情況Table 3 Permanent compressive deformation under different storage durations

2 自然貯存試驗數據

某型發動機在平均溫度22℃的貯存環境中已列裝10～12年,超過了原定貯存期。通過開展整修研究工作,確定橡膠密封件為主要貯存薄弱環節,應到壽更換。該發動機上大量使用了G402氟硅橡膠密封件,接觸介質包括酯類潤滑油、3號噴氣燃料以及空氣。對經歷自然貯存的橡膠密封件尺寸和主要性能參數進行測試,測試儀器見表1,獲得的自然貯存數據見表4。

表4 G402氟硅橡膠自然貯存數據Table 4 Natural storage data of fluorine rubber G402

2.1 壓縮永久變形

統計19件樣品的壓縮永久變形情況如圖3所示。可以看出,G402氟硅橡膠制品貯存過程中壓縮永久變形變化規律為:在燃油和滑油中變化較大,空氣中變化較小。在燃油中集中在14.7% ～51%,平均約37%;在滑油中集中在25%～33%,平均約28%;在空氣中集中在6%～37%,平均約22%。

2.2 硬度變化

統計19件樣品的硬度變化情況如圖4所示。可以看出,G402氟硅橡膠制品貯存過程中硬度有一定程度的增加,平均增幅為10%,這種規律符合氟硅橡膠的老化機理[10]。

2.3 拉伸強度和扯斷伸長率變化

圖3 自然貯存10～12年樣件壓縮永久變形數據Fig.3 Permanent compressive deformation of specimens with natural storage duration from 10～12 years

圖4 自然貯存10～12年樣件硬度變化數據Fig.4 Hardness data for specimens with natural storage duration from 10～12 years

圖5 自然貯存10～12年樣件拉伸強度變化及扯斷伸長率變化數據Fig.5 Tension-strength and extension rate of fracture for specimens with natural storage duration from 10～12 years

受樣品尺寸影響,能夠獲取拉伸強度和扯斷伸長率的數據有限,統計如圖5所示。可以看出,G402氟硅橡膠制品在貯存過程中拉伸強度和扯斷伸長率均有一定程度的降低,拉伸強度平均降幅在25%,扯斷伸長率平均降幅在13.5%。這種規律符合氟硅橡膠的老化機理[10]。

3 加速老化與自然貯存數據對比分析

從加速老化數據可知,貯存10年的G402氟硅橡膠制品壓縮永久變形程度達到約30%,這與自然貯存數據中燃滑油介質中的壓縮永久變形程度基本相當,說明本次加速老化試驗數據是合理可信的。氟硅橡膠在空氣介質自然貯存后壓縮永久變形小于燃滑油介質中變形,這也符合G402氟硅橡膠耐介質性能一般的屬性。根據加速老化試驗數據推測, G402氟硅橡膠自然貯存至17年時,壓縮永久變形接近40%,壓縮率接近17%,已經接近貯存壽命終點[11]。考慮到實際的橡膠密封件裝配結構初始壓縮率呈現一定范圍(17% ～30%)[12],初始壓縮率小,貯存壽命相對偏短[13—15],因此G402氟硅橡膠制品的貯存壽命不超過15年。

由于加速老化試驗僅以壓縮永久變形為老化指標,未對硬度及主要力學性能指標進行測試,所以無法對硬度及力學性能指標進行對比分析。

4 結論

通過將收集到的G402氟硅橡膠制品自然貯存數據與加速老化試驗數據對比分析,對加速老化試驗數據進行了檢驗,確認本次加速老化試驗數據是可信的,并以此推測出G402氟硅橡膠制品的貯存壽命為15年。

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Storage Life Prediction of Fluorine Rubber Products Based on Accelerated Aging and Natural Storage Data

MA Tong-ling1,DANG Xiao-yong1,PANG Ming-lei2

(1.Beijing Power Machinery Institute,Beijing 100074,China; 2.The 53rd Institute of Weapon Equipment,Jinan 250031,China)

ObjectiveTo accurately evaluate the storage life of fluorine rubber products.MethodsThe accelerated storage test data were verified using the natural storage data of fluorine rubber G402.ResultsThe results confirmed the feasibility of the accelerated aging test method and the reliability of the data.The failure threshold was determined through the simulation test in accelerated aging test.ConclusionsIt was predicted that the storage life of fluorine rubber G402 products reached up to 15 years.

natural storage;accelerated aging;rubber sealing;storage life

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.013

TQ333

:A

1672-9242(2014)04-0065-05

2014-06-24;

2014-07-01

Received:2014-06-24;Revised:2014-07-01

馬同玲(1976—),女,河南南陽人,高級工程師,主要研究方向航空發動機總體性能及貯存可靠性研究。

Biography:MA Tong-ling(1975—),Female,from Nanyang,Henan,Senior engineer,Research focus:overall performance of aero engines and reliability of engine storage.