一種橡膠密封圈的剩余貯存壽命評估方法

2018-04-27 07:12:06張凱周堃何建新

裝備環境工程 2018年4期

關鍵詞：變形

張凱，周堃，何建新

（中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039）

橡膠密封圈由于具有良好的密封特性，在彈藥武器裝備密封結構中得到了廣泛應用，其結構密封性能的好壞將直接影響發射裝藥、推進劑以及電子元器件的正常作用[1-2]。常用作橡膠密封圈的材料有硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠以及天然橡膠等，這些材料在環境的長期作用下會發生緩慢的物理化學性能和力學性能退化，致使橡膠密封圈失去密封能力，是限制彈藥貯存壽命的關鍵薄弱環節之一[3-6]。掌握彈藥用橡膠密封圈在隨彈貯存一段時間后的剩余貯存壽命，對于彈藥武器裝備的維修保養和戰斗力保持具有十分重要的意義。

目前，國內外關于橡膠密封圈的壽命評估方法主要為動力學曲線直線化法[7-12]，該方法依據橡膠密封圈在不同加速老化溫度下性能參數P的試驗數據（如壓縮永久變形或壓縮應力松弛），可以建立不同溫度下橡膠密封圈的性能P和時間τ之間的關系，并得到其老化速度常數K與溫度T之間的計算方程。通過對這個方程進行外推，可以計算出橡膠密封圈在貯存溫度下的老化速度常數。如果確定了橡膠密封圈在時效時對應的性能參數量值，就可以計算出橡膠密封圈的壽命。這種方法只能用于評估新橡膠密封圈的壽命，對于已裝配到彈上并隨彈貯存一段時間后，已發生一定程度性能退化的舊橡膠密封圈，則不能利用該方法評估其剩余貯存壽命。

文中在動力學曲線直線化方法的基礎上，對其適用范圍進行外推、拓展，得出了一種相比原方法適用性更廣的橡膠密封圈貯存壽命評估方法，可用于評估已隨彈貯存一定年限的舊橡膠密封圈的剩余貯存壽命。

1 方法原理

以壓縮永久變形ε作為橡膠密封圈的性能參數，假設某橡膠密封圈已隨彈貯存了τ0時間，則該密封圈在受壓方向的壓縮永久變形0τε可用式（1）計算：

式中：D0為橡膠密封圈在裝配前受壓方向上的原始截面高度；D1為橡膠密封圈在彈上的實際壓縮高度；D2為拆解下橡膠密封圈受壓方向上的截面回彈高度。

利用拆解出的舊橡膠密封圈進一步開展加速老化試驗，則該舊橡膠密封圈在加速老化試驗過程中，某一檢測周期的總壓縮永久變形ε為：式中：D2′為橡膠密封圈在加速老化試驗過程中某一檢測周期受壓方向上的截面回彈高度。

總壓縮永久變形包括隨彈貯存0τ時間后已產生的壓縮永久變形0τε和在加速老化試驗過程中產生的壓縮永久變形ε′，即：

經數學推導可以得出舊橡膠密封圈在加速老化試驗期間產生的壓縮永久變形ε′為：

從式（4）中可以看出：當0τε=0時，D0=D2，該式即退化為傳統的壓縮永久變形計算表達式，表征新橡膠密封圈在加速老化試驗中老化一段時間后發生的壓縮永久變形；當0＜0τε＜1時，該式則表征已有壓縮永久變形的舊橡膠密封圈在加速老化試驗過程中老化一段時間后產生的壓縮永久變形。

根據經驗關系式（5）建立舊橡膠密封圈在加速老化試驗中，不同老化溫度下的壓縮永久變形ε′與老化時間τ之間的關系式，進而得出舊橡膠密封圈在各溫度下的老化速度常數K。

根據Arrhenius方程（6）推算出舊密封圈在貯存溫度下的老化速度常數 Kc，反代入經驗關系式就可以確定橡膠密封圈隨彈貯存τ0時間后，在之后隨彈貯存過程中的壓縮永久變形隨時間的變化規律：

得到橡膠密封圈在貯存溫度下的性能隨時間的變化規律后，將橡膠密封圈的失效臨界值εc帶入即可求出其剩余貯存壽命 τc，如式（8）所示。失效臨界值εc可根據密封功能性試驗結果，按式（4）進行計算，此時的 D2′表示橡膠密封圈出現密封失效時受壓方向的截面回彈高度。

2 實例分析

2.1 已有壓縮永久變形分析

以用于某型已貯存10年彈藥上的橡膠密封圈為例，對該密封圈剩余貯存壽命評估方法進行進一步闡明。

通過對該型橡膠密封圈的原始尺寸、拆解后受壓方向截面回彈高度及其在彈上的裝配結構、尺寸進行測量和分析，明確了其原始截面直徑D0=2.5 mm，在彈上的壓縮高度D1=1.7 mm，拆解后受壓方向的截面回彈高度D2=2.163 mm。通過式（1）可得出該橡膠密封圈在隨彈貯存10年后，已產生的壓縮永久變形ε10為 0.421。