彈用O型硅橡膠密封圈失效機(jī)理及模型

余勃彪，宋太亮，王琴琴

（1.裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京 100072；2.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，武漢 430033；3.中國(guó)國(guó)防科技信息中心，北京 100142；4.72726部隊(duì)，濟(jì)南 250023）

?

彈用O型硅橡膠密封圈失效機(jī)理及模型

余勃彪1,2，宋太亮3，王琴琴4

（1.裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京 100072；2.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，武漢 430033；3.中國(guó)國(guó)防科技信息中心，北京 100142；4.72726部隊(duì)，濟(jì)南 250023）

目的 利用日常收集到的使用數(shù)據(jù)來(lái)判斷密封圈壽命，為預(yù)測(cè)彈藥壽命提供依據(jù)。方法 分析O型圈故障模式，引入了故障率經(jīng)驗(yàn)公式。規(guī)范化O型密封圈的故障率公式，導(dǎo)出綜合考慮了密封圈尺寸、接觸應(yīng)力與密封圈硬度、流體黏度、溫度的密封圈故障率模型，并用算例驗(yàn)證這一模型的有效性。結(jié)果 O形硅膠密封圈的主要故障模式是泄漏，導(dǎo)出了綜合考慮各因素后的密封圈故障率模型，并用該模型準(zhǔn)確算出了某彈藥的壽命。結(jié)論 文中導(dǎo)出的故障率模型對(duì)于在彈藥保障工作中評(píng)估某些種類彈藥儲(chǔ)存期限有借鑒意義。

O型密封圈；失效機(jī)理；彈藥

新型彈藥廣泛使用O型硅橡膠密封圈。O形密封圈是具有圓盤狀橫截面，呈環(huán)狀的機(jī)械墊圈，它壓縮于兩個(gè)零件之間，在界面處形成密封，主要阻止外部潮濕、含鹽空氣進(jìn)入彈藥內(nèi)部。根據(jù)工作界面有無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)可將其分為靜態(tài)密封圈和動(dòng)態(tài)密封圈。彈藥上使用的密封圈大都屬于靜態(tài)密封件。由于O型密封圈材料特點(diǎn)，在貯存和使用過(guò)程中受到溫度、壓力等外部應(yīng)力作用，會(huì)出現(xiàn)變形、擠出、磨損等失效，進(jìn)而導(dǎo)致彈藥失效［1—4］。在某些類型彈藥中，O型密封圈是整發(fā)彈藥貯存壽命的薄弱環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)采用加速老化試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)其壽命［5—11］，還建立了接觸應(yīng)力與剪切應(yīng)力模型及其失效判據(jù)［12—13］。

文中在分析O型密封圈故障模式后，從靜態(tài)密封圈故障率是在使用條件下實(shí)際泄漏量和允許泄漏量的函數(shù)這一前提出發(fā)，引入故障率經(jīng)驗(yàn)公式，考慮到密封件尺寸、接觸應(yīng)力與密封件硬度、流體黏度、溫度等因素之后，導(dǎo)出密封圈故障率模型。使用實(shí)際收集到的數(shù)據(jù)即可計(jì)算密封圈的故障率。

1　O型密封圈的故障模式

1.1問(wèn)題描述

O形硅膠密封圈材料會(huì)遇到高低溫、化學(xué)侵蝕、振動(dòng)、磨蝕和位移等外部因素影響，其主要故障模式是泄漏。一個(gè)O型密封圈的完整性取決于流體與密封組件的相容性、密封環(huán)境的狀況和在應(yīng)用時(shí)所施加的載荷。表1列出了密封圈泄漏的典型故障機(jī)理及其故障原因。

靜態(tài)密封圈的故障率是使用條件下實(shí)際泄漏量和允許泄漏量的函數(shù)，當(dāng)泄漏速率達(dá)到某一預(yù)定的門限值時(shí)就要發(fā)生故障。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的密封圈故障率表示為：

式中：λSE為考慮工作環(huán)境的故障率，故障數(shù)/（10-6h）；λSE，B是由于隨機(jī)切割、安裝誤差等引起的基本故障率（基于外場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)），故障數(shù)/（10-6h）；Qa為實(shí)際泄漏率，m3/s；Qf為使用條件下允許的泄漏率，m3/s。

允許的泄漏率Qf由設(shè)計(jì)圖、設(shè)計(jì)規(guī)范或密封表組件的應(yīng)用情況決定，密封圈的實(shí)際泄漏率Qa由繞兩個(gè)密封曲面層流流動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方程決定［14］：

1　密封圈典型故障機(jī)理及其原因Table 1　Typical failure mechanisms and causes for seal ring

式中：P1為系統(tǒng)壓力，Pa；P2為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓力，Pa；av為絕對(duì)流體黏度，Pa·s；ri為環(huán)形界面的內(nèi)半徑，m；ro為環(huán)形界面的外半徑，m；H為傳導(dǎo)參數(shù)，m。

傳導(dǎo)參數(shù)H取決于兩個(gè)密封件的接觸應(yīng)力、較軟材料的硬度和較硬材料的表面粗糙度。首先，計(jì)算接觸應(yīng)力（載荷/面積）和接觸應(yīng)力與較軟界面材料的麥?zhǔn)希∕eyer）硬度之比，然后決定較硬材料的表面粗糙度。

傳導(dǎo)參數(shù)H根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

式中：M為橡膠與彈性材料的麥?zhǔn)嫌捕龋ɑ驐钍夏Ａ浚琍a；C為接觸應(yīng)力，Pa；Ra為表面粗糙度，m。

表面粗糙度會(huì)因部分因素的影響而隨時(shí)間以一定的速率變差，這些因素包括：密封件的退化、污染物磨損系數(shù)、每立方米污染物粒子數(shù)、流量率、受壓情況下密封件接觸到污染物的時(shí)間比率、運(yùn)行溫度。

基于性能要求，污染物磨損系數(shù)對(duì)于密封圈是個(gè)固有的敏感性因素。組合并簡(jiǎn)化各項(xiàng)，可得到O型密封圈的故障率公式：

式中：K為由經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的常數(shù)。

2　O型密封圈的故障率模型

式（3）用起來(lái)并不方便，為使部隊(duì)日常維護(hù)數(shù)據(jù)能夠用來(lái)計(jì)算密封圈的故障率，有必要將公式規(guī)范化。綜合考慮實(shí)際使用環(huán)境，可導(dǎo)出計(jì)算故障率的模型：

式中：λSE為密封圈的故障率，故障數(shù)/（10-6h）；λSE，B為密封圈的基本故障率，故障數(shù)/（10-6h）；CDL為計(jì)及密封圈尺寸對(duì)基本故障率的影響的倍增因子；CH為計(jì)及接觸應(yīng)力與密封圈硬度對(duì)基本故障率的影響的倍增因子；CV為計(jì)及流體黏度對(duì)基本故障率的影響的倍增因子；CT為計(jì)及溫度對(duì)基本故障率的影響的倍增因子

2.1密封圈基本故障率

密封圈基本故障率由性能數(shù)據(jù)決定，其中包含了對(duì)可靠性只有較小影響的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2.2密封圈尺寸

密封圈尺寸中存在兩個(gè)測(cè)量尺寸，分別為內(nèi)徑ri與外徑ro。尺寸越大，需要密封的端面面積越大，受到的影響就越大。圖1給出了密封件尺寸對(duì)可靠度的影響。

圖1　密封圈直徑倍增因子Fig.1　Multiplying factor of diameter of seal ring

2.2傳導(dǎo)參數(shù)

有三個(gè)因素構(gòu)成了傳導(dǎo)參數(shù)：較軟材料的硬度、密封界面的接觸應(yīng)力、較硬材料的表面粗糙度。圖2給出了基于麥?zhǔn)嫌捕群徒佑|壓力的傳導(dǎo)參數(shù)倍增因子。

圖2　材料硬度/接觸應(yīng)力倍增因子Fig.2　Multiplying factor of material hardness/contact pressure

2.3流體黏度

流體的黏度更多地決定于溫度，其次是決定于壓力。例如，當(dāng)空氣壓力從1個(gè)大氣壓增加到50個(gè)大氣壓時(shí)，其黏度僅增加了大約10%。液體的黏度隨溫度的升高而降低，而氣體的黏度隨溫度的升高而增加。表2給出了流體黏度對(duì)密封圈影響的倍增因子。

表2　典型流體的黏度/溫度倍增因子Table 2　Multiplying factor of viscosity/temperature of typical fluids

2.4工作溫度

工作溫度對(duì)于橡膠密封圈的老化過(guò)程具有一定的影響。溫度升高到超過(guò)可接受溫度極限，會(huì)顯著地改變密封圈的原有特性，從而出現(xiàn)硬化、易碎、彈性喪失、破裂和過(guò)度磨損等現(xiàn)象。以TR表示橡膠密封圈最高允許使用溫度，TO表示密封圈實(shí)際使用溫度，圖3給出了對(duì)應(yīng)的溫度倍增因子［15］。

圖3　溫度倍增因子Fig.3　Multiplying factor of temperature

3　算例

某特種彈藥使用O型硅橡膠密封圈進(jìn)行殼體密封，訓(xùn)練使用中發(fā)現(xiàn)密封圈的失效是引起該彈藥失效的主要原因［16］。根據(jù)串聯(lián)模型和短板理論，密封圈處于最薄弱環(huán)節(jié)，其失效率可視為該彈藥的失效率。該密封圈的基本故障率為28.5個(gè)/（10-6h），工作介質(zhì)為空氣，外徑為84.75 mm，內(nèi)徑為80.55 mm，彈藥殼體麥?zhǔn)嫌捕?接觸壓力為0.28，最高工作溫度為230℃，實(shí)際使用溫度為25℃。

據(jù)此查表各參數(shù)取值，并代入模型，可得λSE/=15.0個(gè)/（10-6h），折算為每7.6年發(fā)生1個(gè)故障。根據(jù)串聯(lián)模型原理，以密封圈的故障率代替彈藥的故障率，則該彈藥的壽命為7.6年。

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于彈用O型硅橡膠密封圈失效會(huì)帶來(lái)彈藥失效的情形，運(yùn)用部隊(duì)實(shí)際使用數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算密封圈的故障率對(duì)于彈藥貯存壽命具有現(xiàn)實(shí)意義。文中導(dǎo)出的故障率模型考慮到彈藥所用密封圈尺寸、彈藥部件接觸應(yīng)力與密封圈硬度、流體黏度、使用溫度等影響因素，對(duì)于在彈藥保障工作中評(píng)估某些種類彈藥儲(chǔ)存期限有借鑒意義。

［1］韓繼芳.O型密封圈的失效及其對(duì)策［J］.中國(guó)修船，2014，27（2）：33—35.

HAN Ji-fang.Failure and Countermeasure for O Sealing Ring［J］.China Shiprepair，2014，27（2）：33—35.

［2］董作見，吳曉.基于斷裂力學(xué)的O型密封圈疲勞性能研究［J］.潤(rùn)滑與密封，2014（11）：59—62.

DONGZuo-jian，WuXiao.ResearchonFatigue Performance of O-ring Based on Fracture Mechanics［J］. Lubrication Engineering，2014（11）：59—62.

［3］封先河，曹學(xué)軍，楊萬(wàn)均，等.環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)及其在武器裝備定壽延壽中的應(yīng)用［J］.裝備環(huán)境工程，2014，11（4）：26—31.

FENG Xian-he，CAO Xue-jun，YANG Wan-jun，et al. Dynamics of Environmental Effect and Its Application in Determination and Extension of Weapon Service Life［J］. EquipmentEnvironmentalEngineering，2014，11（4）：26—31.

［4］李鋒，譚曉軍，拜云山，等.非接觸式間隙密封旋轉(zhuǎn)接頭動(dòng)力學(xué)建模與分析［J］.裝備環(huán)境工程，2015，12（5）：78—82.

LI Feng，TAN Xiao-jun，BAI Yun-shan，et al.Dynamics Modelling and Analysis of Rotary Joint with Contact-free ClearanceSeals［J］.EquipmentEnvironmental Engineering，2015，12（5）：78—82.

［5］肖鑫，趙云峰，許文，等.橡膠材料加速老化實(shí)驗(yàn)及壽命評(píng)估模型的研究進(jìn)展［J］.宇航材料工藝，2007，37（1）：6—10. XIAO Xin，ZHAO Yun-feng，XU Wen，et al.Research Progress on Accelerated Aging and Life Prediction Model forRubberMaterial［J］.AerospaceMaterials& Technology，2007，37（1）：6—10.

［6］張凱，黃渝鴻，馬艷，等.橡膠材料加速老化試驗(yàn)及其壽命預(yù)測(cè)方法［J］.化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2002，2（6）：44—48.

ZHANG Kai，HUANG Yu-hong，MA Yan，et al.Methods for Accelerated Aging Tests and Shelf-life Predictions of Robber Materials［J］.Chemical Propellants&Polymeric Materials，2002，2（6）：44—48.

［7］HU H.The Equivalence of Moisture and Temperature in Physical AgingofPolymericComposite［J］.Rubber Chemistry and Technology，2003，76（4）：785—788.

［8］周鑫，丁孝均，魏威.加速老化試驗(yàn)方法評(píng)估典型橡膠密封材料貯存壽命的準(zhǔn)確性研究［J］.航天器環(huán)境工程，2014，31（3）：287—291.

ZHOU Xin，DING Xiao-jun，WEI Wei.Accuracy on Evaluation of Natural Storage Life of Rubbery Sealing MaterialsbyUsingAcceleratedLifeMethod［J］. SpacecraftEnvironmentalEngineering，2014，31（3）：287—291.

［9］黨曉勇，趙英，龐明磊，等.橡膠密封件加速老化試驗(yàn)影響因素分析及驗(yàn)證［J］.裝備環(huán)境工程，2013，10（4）：5—8.

DANGXiao-yong，ZHAOYing，PANGMing-lei. Analysis and Verification of Influencing Factors of Accelerated Aging Tests for Rubber Seals［J］.Equipment Environmental Engineering，2013，10（4）：5—8.

［10］ 劉曉丹，謝俊杰，馮志新，等.橡膠材料加速老化試驗(yàn)與壽命預(yù)測(cè)方法研究進(jìn)展［J］.合成材料老化與應(yīng)用，2014，43（1）：69—73.

LIUXiao-dan，XIEJun-jie，F(xiàn)ENGZhi-xin，etal. ResearchProgresson AcceleratedAgingandLife Prediction Method for Rubber Material［J］.SyntheticMaterialsAging andApplication，2014，43（1）：69—73.

［11］ 常新龍，艾春安.法蘭連接密封結(jié)構(gòu)的貯存可靠性分析［J］.固體火箭技術(shù)，1999，22（3）：20—23.

CHANG Xin-long，AI Chun-an.Reliability Analysis of Flange Connecting Sealing Structure［J］.Journal of Solid Rocket Technology，1999，22（3）：20—23.

［12］ 任全彬，蔡體敏，王榮橋，等.橡膠O形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和失效準(zhǔn)則研究［J］.固體火箭技術(shù)，2006，29（1）：9—14.

REN Quan-bin，CAI Ti-min，WANG Rong-qiao，et al. Investigation on Structure Parameters and Failure Criteria of“O”-type Rubber Sealing Ring［J］.Journal of Solid Rocket Technology，2006，29（1）：9—14.

［13］ 羅勇，何建新，趙全成，等.某型導(dǎo)彈橡膠密封件剩余貯存壽命預(yù)測(cè)［J］.裝備環(huán)境工程，2014，11（4）：12—15.

LUO Yong，HE Jian-xin，ZHAO Quan-cheng，et al. Prediction of Remaining Shelf-life for a Missile Rubber SealingMaterial［J］.EquipmentEnvironmental Engineering，2014，11（4）：12—15.

［14］ BAUER P，GLICKMON M，IWATSUKI F.“Analytical Techniques for the Design of Seals for Use in Rocket Propulsion Systems［R］.ITT Research Institute，Technical ReportAFRPL-TR-65-61，1965.

［15］ Howell G W，Terry M.Weathers，Aerospace Fluid Component Designer′s Handbook，VolumesⅠ andⅡ［R］.TRW Systems Group，Redondo Beach，CA prepared for Air Force Rocket Propulsion Laboratory，Edwards，CA，ReportAD 874542 and ReportAD 874543，1970.

［16］ 唐平，黃曉霞.環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)共享與保護(hù)的現(xiàn)狀及探索研究［J］.裝備環(huán)境工程，2015，12（2）：66—70.

TANG Ping，HUANG Xiao-xia.Research on the Status andExplorationofSharingandProtectionof Environment Test Data［J］.Equipment Environmental Engineering，2015，12（2）：66—70.

Failure Mechanism and Model of O-type Silicon Rubber Sealing Ring for Ammunition

YU Bo-biao1，2，SONG Tai-liang3，WANG Qin-qin4
（1.Department of Technical Support Engineering，Armored Force Engineering Institute，Beijing 100072，China；2.Department of Weaponry Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；3.China Defense Science Technology Information Center，Beijing 100042，China；4.Troop No.72726 of PLA，Jinan 250023，China）

Objective To estimate the service life of O-ring with the daily operational data collected so as to provide a basis of the prediction for the service life of ammunition.Methods After analyzing the failure model of O-ring，the empirical equation of failure rate was introduced.Failure rate equation was normalized.At last，the failure rate model of sealing ring was educed by comprehensively considering sealing ring size，contact stress and hardness，fluid viscosity and temperature.Its validity was proven by examples.Results Leakage was the main failure mode of O-type silicone rubber sealing rings.The sealing ring failure rate model was educed after comprehensively considering all the possible factors and the service life of some ammunition was accurately calculated with such model.Conclusion This failure rate model can provide reference for the evaluation of the storage life of certain kinds of ammunition in the ammunition security work.

O-ring；failure mechanism；ammunition

2015-03-23；Revised：2016-04-15

SONG Tai-liang(1962—),Male,from J ining,Shandong,Doctor,Doctoral hierophant,Research focus:supportability engineering,equipment integrated support.

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.021

TJ03；TB42

A

1672-9242（2016）04-0131-05

2015-03-23；

2016-04-15

余勃彪（1979—），男，湖南平江人，博士，主要研究方向?yàn)閺椝幑こ獭⒀b備綜合保障。

Biography：YU Bo-biao(1979—),Male,from Pingjiang,Hunan,Doctor,Research focus:ammunition engineering,equipment integrated support.

宋太亮（1962—），男，山東濟(jì)寧人，博士，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)楸Ｕ闲怨こ蹋b備綜合保障。