導彈非金屬薄弱環節貯存壽命快速評估

周堃,錢翰博,周漪,王成章,王津梅

(1.中國兵器工業第五九研究所,重慶400039;2.國家國防科技工業局協作配套中心,北京100081)

理論與實驗研究

導彈非金屬薄弱環節貯存壽命快速評估

周堃1,錢翰博2,周漪1,王成章1,王津梅1

(1.中國兵器工業第五九研究所,重慶400039;2.國家國防科技工業局協作配套中心,北京100081)

摘.要.目的科學評估某型導彈4類80種非金屬薄弱環節的貯存壽命。方法建立由分析、試驗、評估、驗證等4個層次工作組成的貯存壽命快速評估流程。以實驗室加速老化試驗、自然環境試驗、對比試驗、經驗數據分析為手段,按照基于實驗室加速老化試驗結果定量評估、基于已有加速老化試驗數據定量評估、基于對比加速老化試驗結果半定量評估、基于近似產品經驗數據定性評估等4種方法開展了試驗評估工作。結果以天然橡膠1161、JZ101-67高阻尼減振器、天然橡膠1157、特221潤滑脂等4種非金屬薄弱環節為4種方法應用示例,得出了4種非金屬薄弱環節貯存壽命都大于23年的評估結果。結論4種非金屬薄弱環節多能滿足延壽工程的要求。

導彈;非金屬薄弱環節;貯存壽命;快速評估

某型導彈設計貯存壽命為12年,其延壽工程提出的延壽目標是23年。為此總體單位系統梳理了該型導彈的非金屬薄弱環節,最終確定需要針對膠粘劑、橡膠、油脂、部組件等4大類80種非金屬薄弱環節開展貯存壽命快速評估。

1 總體評估思路

1.1 貯存環境分析

根據總體單位提供的信息,該型號導彈密封包裝貯存,貯存環境要求溫度為5～30℃,相對濕度不大于75%,80種薄弱環節涉及的材料主要包括橡膠、膠粘劑、油脂、油漆、復合材料等。由于整彈在密閉環境中貯存,隔絕了濕度對薄弱環節的作用,因此在貯存過程中影響薄弱環節的主要環境因素是溫度、介質和應力。介質包括空氣中的氧、薄弱環節表面涂抹的油脂等。應力是指薄弱環節在實際貯存過程中受到的拉、壓、彎曲等載荷,一般薄弱環節承載應力越大貯存壽命越短。導彈薄弱環節在5～30℃的環境中貯存,由于受到熱、氧、應力的綜合作用,性能會緩慢退化。這種緩慢退化在長期貯存過程中不斷累加,最終導致薄弱環節出現故障,直至失效達到壽命終點。顯然,導彈非金屬薄弱環節在貯存過程中主要發生熱老化,可以采用實驗室加速熱老化試驗對其貯存壽命進行快速評估。

1.2 總體技術思路

非金屬薄弱環節貯存壽命快速評估的總體技術思路如圖1所示,包括分析、試驗、評估、驗證等4個層次的工作。分析層主要工作包括導彈貯存環境分析,以及非金屬薄弱環節的功能分析和結構分析。分析結果是進行試驗設計,開展貯存壽命快速評估的依據。同時系統收集有關試驗數據和壽命信息,支撐試驗和評估工作的開展。試驗層主要工作包括自然環境試驗、實驗室熱老化加速試驗和實驗室對比熱老化加速試驗。試驗前需明確各種薄弱環節的受力狀態、老化特性指標和失效判據。對于實驗室熱老化加速試驗,試驗前需對薄弱環節進行熱分析和預試驗,試驗后需進行機理驗證。評估層將80種非金屬薄弱環節按照4種不同的方法給出不同形式的貯存壽命快速評估結論。驗證層主要工作是通過自然環境試驗數據的處理分析,驗證非金屬薄弱環節貯存壽命快速評估結論。

圖1 導彈非金屬薄弱環節貯存壽命快速評估總體思路Fig.1 General idea of the storage life accelerated evaluation for the missile nonmetal weak links

1.3 4種評估方法

1)基于實驗室加速老化試驗結果定量評估。通過開展功能分析確定非金屬薄弱環節中的關鍵薄弱環節,設計開展實驗室熱老化加速試驗,基于試驗結果定量給出貯存壽命評估結論。即在置信度為90%,貯存溫度為25℃的條件下,得出該薄弱環節的最短貯存壽命。

2)基于已有加速老化試驗數據定量評估。對于前期已經開展過加速老化試驗的薄弱環節,通過對已有試驗數據的處理分析,計算一定溫度下預期壽命加速老化試驗等效時間,進一步開展部件驗證試驗,定量給出貯存壽命快速評估結論。即在置信度為90%,貯存溫度為25℃,該薄弱環節的最短貯存壽命為多少年。

3)基于對比加速老化試驗結果半定量評估。針對與關鍵薄弱環節相似的同類薄弱環節,根據關鍵薄弱環節的實驗室熱老化加速試驗數據,通過開展與關鍵薄弱環節的對比熱老化加速試驗,半定量給出貯存壽命快速評估結論。即貯存溫度為25℃,該薄弱環節的最短貯存壽命大致在何區間范圍內。

4)基于近似產品經驗數據定性評估。對于經過以上篩選剩余的薄弱環節,全面收集已有近似產品的相關環境試驗數據和使用經驗,通過分析定性給出貯存壽命快速評估結論。即貯存溫度為25℃,預計該薄弱環節能否滿足貯存23年的要求。

2 評估流程

2.1 老化特性指標選定

通過開展功能分析,選擇確定各種非金屬薄弱環節的關鍵性能,作為量化表征其貯存壽命的老化特性指標。根據長期實踐經驗,各種薄弱環節的常用老化特性指標見表1。

表1 各種薄弱環節的常用老化特性指標Table 1 Common aging characteristic indices of various nonmetal weak links

2.2 受力狀態確定

通過開展結構分析,確定各種非金屬薄弱環節的實際受力狀態,為薄弱環節的試驗工裝設計提供依據。以密封橡膠為例,需根據結構分析結果設計如圖2所示的試驗工裝,保證試驗過程中密封橡膠的受力狀態與實際貯存狀態一致。

圖2 密封橡膠試驗工裝Fig.2 Test fixture of sealing rubber

2.3 失效臨界值判定

失效臨界值判定是影響貯存壽命快速評估的關鍵環節,是工程實踐中的難點,目前主要有4種不同的判定方法。

1)模擬試驗判定。對于有明確功能指標要求的薄弱環節,開展模擬試驗是判定失效臨界值的最佳方法。例如某型舵機動密封系統,要求進氣口和出氣口兩端維持4 MPa的壓力1 min不下降到3.8 MPa以下。根據這一要求,將舵機氣動裝置與標準試樣一起在選定溫度開展加速老化試驗。每隔一段時間將氣動裝置及標準樣品一起從老化試驗箱中取出。從進氣口向燃氣舵機施加4 MPa的壓力1 min,如圖3所示。如果壓力表顯示燃氣舵機能夠保持這一壓力在3.8 MPa以上,則繼續開展老化試驗。當壓力表顯示燃氣舵機已無法滿足要求時,停止老化試驗,將標準樣品壓縮永久變形率的上一次測量值作為失效臨界值。

圖3 舵機氣動裝置加壓試驗Fig.3 Pressure test of the steering engine pneumatic device

2)技術要求推導判定。對于有明確技術要求的薄弱環節,可以將技術要求推導為失效臨界值。例如對于某O形圈密封件,根據航天行業標準,厚度為1.8 mm的O形密封圈允許的最小使用壓縮率是15.2%[1]。由這一技術要求,可以推算出該密封件壓縮永久變形率的失效臨界值為54%。

3)驗證試驗判定。對于有明確性能考核試驗方法,但難以用實際部組件開展加速老化試驗的薄弱環節,可以根據標準樣品加速老化試驗結果,估算部組件在指定壽命期的性能退化值,再通過驗證試驗判定其是否失效。例如對某發射箱密封圈,出廠時需通過充氣10 kPa保壓4天,泄漏量不大于2kPa(20℃時)的密封性能考核試驗。根據該種密封材料加速老化試驗結果,25℃貯存11年后,其壓縮永久變形率將下降到60%。由發射箱密封圈的截面積尺寸可知,當密封圈的壓縮永久變形率下降到60%時,其壓縮率為13.3%。據此開展密封圈壓縮率為13.3%的密封性能試驗,若泄漏量滿足發射箱氣密指標要求,則可判定其失效臨界值小于60%。

4)直接采用設計指標判定。設計研制過程中對老化特性指標選定的關鍵性能有明確要求的薄弱環節,可以直接將該技術指標作為失效臨界值。例如某粘膠劑設計要求拉伸強度≥1.1 MPa,扯斷伸長≥150%,這兩個值可以直接作為失效臨界值。在普遍情況下,設計指標距失效臨界值有很大的裕度,這會導致評估出的貯存壽命相比于實際狀態大幅縮短。

2.4 熱分析和預試驗

對于開展實驗室加速老化試驗的關鍵薄弱環節,需要通過開展熱分析和預試驗,確定合理的熱老化加速試驗溫度。首先開展熱分析,初步確定試樣不發生化學分解可耐受的最高溫度條件。按最高溫度條件,將試樣進行1天老化試驗后,其老化特性指標下降率應不大于20%,若超出20%,則調整溫度重新開展預試驗,直到滿足要求為止。

2.5 實驗室加速老化試驗

根據預試驗結果,選定4個以上溫度條件開展實驗室加速老化試驗,溫度點越多,評估結論的置信度越高。一般情況下,最高溫度的加速老化試驗結束時,要求老化特性指標達到失效臨界值,最低溫度的加速老化試驗結束時,老化特性指標下降至少超過50%,但這對于那些耐高溫、長壽命的薄弱環節很難實現。通過開展原始樣品和實驗室加速老化試驗后樣品的理化分析,可以驗證加速老化試驗過程中薄弱環節未因過試驗而發生化學變化。

2.6 自然環境試驗

僅僅通過實驗室加速老化試驗評估非金屬薄弱環節貯存壽命,必然引出一個關鍵問題:加速老化試驗結果與實際貯存結果的關系。開展自然環境試驗是解決這一問題的重要手段,在貯存壽命評估流程中不可或缺。通過實驗室加速老化試驗結果,推算貯存環境下老化特性指標下降規律,與自然環境試驗獲得的老化特性指標進行對比,能夠有效驗證實驗室加速老化試驗結果和貯存壽命評估結論是否可信。

2.7 壽命評估

通過實驗室熱老化加速試驗,獲得幾個溫度條件下老化特性指標與時間之間的函數關系,通常可以用式(1)描述[2]。

式中:P為老化特性指標;子為老化時間,d;K為性能變化的速率常數,d-1;A,α為常數。

擬合得到幾個溫度下的性能變化速率常數K,按照為阿侖尼烏斯公式可以計算出貯存溫度下的性能變化速率常數K,如式(2)[2]。再將幾個溫度下的A值加和平均,作為貯存溫度下的A值,就可以得到貯存溫度下,老化特性指標隨時間的變化關系。將確定的失效臨界值帶入,即可求得貯存壽命。

式中:T為絕對溫度,K;E為表觀活化能,J/ mol;Z為頻率因子,d-1;R為氣體常數,J/(K· mol)。

2.8 壽命評估舉例

2.8.1基于實驗室加速老化試驗結果定量評估

以天然橡膠1161為例,根據使用要求選擇壓縮永久變形率作為其老化特性指標,試驗壓縮率為17.86。通過熱分析和預試驗確定其加速老化試驗溫度為40,45,50和55℃。根據4個溫度下的試驗數據,可以推導25℃其壓縮永久變形率隨老化時間的變化規律,各溫度擬合的方程見表2。在55℃下開展加載天然橡膠1161密封圈水密工裝的熱加速老化和檢漏試驗,直至其壓縮永久變形保留率為0.215時,水密工裝檢測未漏。將0.215作為失效臨界值帶入25℃條件下剪切強度保留率與時間的擬合方程中,計算獲得天然橡膠1161的貯存壽命在置信度為90%時,最短為23年。

表2 天然橡膠1161壓縮永久變形率與時間擬合方程Table 2 Fitting equation of the permanent compression deformation rate of natural rubber 1161 and time

2.8.2基于已有加速老化試驗數據定量評估

以JZ101-67高阻尼減振器為例,根據已有加速老化試驗數據得到各溫度下的擬合方程,外推得到貯存溫度為25℃時的性能變化規律方程,按相同壓縮永久變形計算110℃溫度條件下的老化時間,列于表3。110℃條件下老化等效13,18和23年對應的試驗時間分別為15,20和27天。將JZ101-16減振器在110℃老化15,20和27天后,開展功能隨機振動試驗測試。根據試驗結果,減振器功能隨機振動和耐久振動減振特性滿足設計要求。由此可知,在置信度為90%,貯存溫度為25℃,該薄弱環節的最短貯存壽命為23年。

表3 JZ101-67減振器老化等效時間Table 3 Aging equivalent time of the JZ101-67 high damping shock absorber

2.8.3基于對比加速老化試驗結果半定量評估

以天然橡膠1157為例,根據使用要求選擇壓縮永久變形率作為其老化特性指標,通過熱分析和預試驗確定其加速老化試驗溫度為55℃。由于天然橡膠1157與天然橡膠1161在分子結構、物理化學性能等方面較為相似,因此可選擇天然橡膠1161作為天然橡膠1157的貯存壽命評估依據。根據二者的試驗數據,對兩種橡膠在55℃下的性能-時間試驗數據進行線性化處理,得到的擬合方程見表4。可得出天然橡膠1157在該老化溫度下的性能變化速率常數為0.0058,天然橡膠1161在該老化溫度下的性能變化速率常數為0.015。對比兩種橡膠的性能變化速率常數,可推斷出相同老化溫度下天然橡膠1157的性能下降速率小于天然橡膠1161,天然橡膠1157的貯存壽命大于1161,即置信度為90%,其最短壽命大于23年。

表4 天然橡膠1157與1161性能老化時間擬合方程Table 4 Fitting equation of the performance and aging time for the natural rubber 1157 and 1161

2.8.4基于近似產品經驗數據定性評估

以特221潤滑脂為例,根據在敦煌、拉薩、江津、萬寧試驗站已開展的為期5年的自然環境庫內貯存試驗結果,其錐入度、相似黏度和氧化安定性等性能指標未發生明顯變化。同時油脂類加速老化試驗的結果表明,油脂類性能穩定,貯存溫度條件下壽命預測值較長,預計特221潤滑脂能夠滿足貯存23年的要求。

3 結語

開展非金屬薄弱環節貯存壽命快速評估,首先需要確定薄弱環節的老化特性指標和失效臨界值。然后通過開展實驗室加速老化試驗,定量計算出薄弱環節的貯存壽命。同時必須開展自然環境試驗,驗證薄弱環節老化特性指標隨時間的變化關系以及實驗室加速老化試驗得出結論的合理性。必須結合使用自然環境試驗、實驗室加速老化試驗才能科學評估非金屬薄弱環節貯存壽命。

[1] QJ 1035.2—1986,O形橡膠密封圈的選用和密封腔設計規范[S]. QJ 1035.2—1986,Standard of the O Shaped Sealing Ring Selection and the Sealing Cavity Design[S].

[2] GJB 92.1—1986,熱空氣老化法測定硫化橡膠貯存性能導則[S]. GJB 92.1—1986,Guidelines of the Vulcanized Rubber Storage Performance Determination by the Hot Air Aging Method[S].

Fast Evaluation of Storage Life of Missile Nonmetal Weak Links

ZHOU Kun1,QIAN Han-bo2,ZHOU Yi1,WANG Cheng-zhang1,WANG Jin-mei1

(1.No.59 Research Institute of China Ordnance Industry,Chongqing 400039,China; 2.Coordination and Association Center of SASTIND,Beijing 100081,China)

Objective To scientifically evaluate the storage life of 4 types and 80 kinds of nonmetal weak links in a type of missile.Methods The fast evaluation process of storage life was built by four working levels,namely,analysis,test,evaluation,and verification.By means of laboratory accelerated aging tests,weathering tests,contrast tests and experience datum analysis,the storage life was evaluated using 4 method,including quantitative evaluation based on the laboratory accelerated aging tests,quantitative evaluation based on the existing accelerated aging tests data,semi-quantitative evaluation based on the contrast tests and qualitative evaluation based on the experience datum analysis.Results The natural rubber 1161,the JZ101-67 High damping shock absorber,the natural rubber 1157 and the 221 Grease were taken as the examples for application of the 4 methods.And the evaluation results showed that the storage life of all 4 types of nonmetal weak links was more than 23 years.Conclusion All the 4 types of nonmetal weak links met the requirements of life extension project.

missile;nonmetal weak link;storage life;fast evaluation

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.025

TJ415

:A

1672-9242(2014)06-0148-05

2014-08-04;

2014-09-17

Received:2014-08-04;Revised:2014-09-17

周堃(1977—),男,河北青縣人,碩士,高級工程師,主要研究方向為環境試驗與觀測。

Biography:ZHOU Kun(1977—),Male,from Qingxian,Hebei,Master,Senior engineer,Research focus:environmental test and observation.