某型直升機主減速器橡膠密封圈老化機理分析

李健，吳云章，石金大，高蒙，李昌范，吳勇

（1.陸軍航空兵學院，北京 101121；2.陸軍航空兵研究所，北京 101121；3.北京航空材料研究院航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點實驗室，北京 100095）

氟橡膠作為常見航空非金屬材料，主要安裝在航材內(nèi)部，多為密封件。在現(xiàn)有庫存環(huán)境條件以及包裝完好的條件下，航材備件中的金屬材料一般不會發(fā)生腐蝕。航材備件中的橡膠件在溫度和載荷作用下的老化對航材庫存壽命、使用壽命、維護工作、大修工作起決定作用。庫存狀態(tài)下，橡膠件主要安裝在航材內(nèi)部，主要影響因素有溫度、濕度、載荷和介質(zhì)（如油液）[1]。溫度為航材庫內(nèi)室溫；濕度為航材包裝內(nèi)濕度，需要測量或分析；載荷為因裝配引起的拉伸、壓力、彎曲等載荷；介質(zhì)則是根據(jù)非金屬件的裝配及使用要求是否浸泡在油液、氣氛等環(huán)境中。裝機狀態(tài)下，影響橡膠件老化的主要因素也是溫度、濕度、載荷和介質(zhì)。此時溫度主要包括直升機停放時的環(huán)境溫度和工作時的介質(zhì)溫度。環(huán)境溫度受部隊直升機停放條件的影響，可分為機庫停放和露天停放。機庫停放需要根據(jù)機庫條件，將環(huán)境溫度折算為庫內(nèi)溫度；露天停放需要考慮太陽輻射情況下地表溫度對直升機機體的加溫作用。

了解橡膠密封材料的老化性能，及貯存壽命預測方法，可為橡膠密封材料交付產(chǎn)品確定保險期（壽命）而提供依據(jù)[2-4]。常見的橡膠老化性能的主要分析方法有熱分析、核磁共振和傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜等[5-7]。

某型直升機主減橡膠件主要是氟橡膠制作的密封件。從材料角度講，氟橡膠耐老化性能非常好。俄羅斯推薦主減速器使用的ИРЛ-1287（TY 380051166—87《航空零件用橡膠膠料》）推薦日歷壽命為15～20年（包含使用和儲存）。國內(nèi)氟橡膠FX-4 和FX-17的日歷壽命非常長，與俄羅斯產(chǎn)品相當，材料安全裕度大。從功能角度講，橡膠密封件主要是O 形膠圈，密封原理是橡膠承受壓縮應力而產(chǎn)生彈性變形，消除密封間隙，達到密封的目的。其故障模式是橡膠材料老化后永久變形和彈力降低，無法消除密封間隙，導致滲漏。

基于生膠材料和標準試驗件的老化機理研究較多，通常利用實驗室開展加速老化試驗，然后分析其老化機理[8-10]，再進行壽命預測[11-12]。文中主要針對O 形橡膠密封件開展老化機理分析。

1 試驗

1.1 試驗件設(shè)計

為了模擬O 形膠圈的裝配關(guān)系，試驗夾具由試樣底板、壓板和緊固螺栓等幾部分組成，并在試樣底板上開有方形槽，如圖1 所示。老化試驗件安裝在試樣底板的凹槽內(nèi)，每套試驗夾具可安裝5 件加速老化試驗的平行樣。試驗要求試樣底板和壓板兩面的不平行度不大于0.01 mm，試樣底板凹槽的寬度與上述O形膠圈的凹槽寬度保持一致，試樣底板凹槽的深度則根據(jù)具體的初始壓縮率定為20%，凹槽的尺寸偏差一般不大于±0.01 mm，其他技術(shù)要求參考HB 5235 的相關(guān)規(guī)定。然后連同夾具一起放入加速老化試驗箱內(nèi)進行試驗。

圖1 試驗夾具的實物照片F(xiàn)ig.1 Physical picture of the test fixture

1.2 加速老化試驗方法及試驗條件確定

某型直升機主減速器正常使用時，溫度為50～80 ℃，最高不超過90 ℃。振動加速度約為0.1 g，橡膠件體積小、質(zhì)量輕，為非承力件，由振動引起的載荷遠小于裝配載荷。油膜隔絕了外部空氣進入。庫存時，主減速器溫度在30 ℃以下，油封后無濕度。新主減速器橡膠密封件使用ИРЛ-1287 氟橡膠，該氟橡膠對應國內(nèi)牌號為FX-17，大修后主減速器橡膠密封件使用FX-4 氟橡膠。

根據(jù)實際使用時間，F(xiàn)X-4 和FX-17 兩種橡膠密封圈分別經(jīng)歷80（90 d）、100（85 d）、120（80 d）、150（70 d）、200 ℃（70 d）的加速老化試驗，每隔10 d 取一次樣（平行樣5 件）。

1.3 理化性能測試方法

1）傅里葉紅外光譜（FTIR）。采用美國Nicolet公司的Magna 750 型紅外光譜儀，對經(jīng)歷老化試驗的FX-4 和FX-17 兩種典型橡膠密封件，各取微量樣品進行紅外光譜分析，光譜波長范圍為400～4000 cm-1。

2）X 射線光電子能譜（XPS）。采用島津的AXIS ULTRADLD型X 射線光電子能譜儀，對經(jīng)歷老化試驗的兩種典型橡膠密封件，從樣品表面取微量進行X 射線光電子能譜分析。X 射線源為單色Al 靶，AlKα hv=1486.6 eV，核電校準基準元素為C(1s)284.8 eV。

3）熱重分析（TG/TGA）。采用德國耐馳公司的STA 449F3 型熱重分析儀，對兩種典型橡膠密封件各取微量進行熱重分析，溫度范圍從室溫到600 ℃，升溫速率為5 ℃/min，氣氛為空氣。

1.4 紅外光譜對比測試

某主減速器（貯存13 年）拆下的2267A-107-2、2267A-112-2、2267A-113-2、2267A-114-2、2267A-128-2、2267A-142-2 等型號的ИРЛ-1287 密封圈與FX-17 密封膠圈（未老化）的紅外光譜對比如圖2 所示。由圖2 可知，F(xiàn)X-17 與ИРЛ-1287 的峰值有所不同，但在1000～1200 cm-1處呈現(xiàn)的均為C—F 特征吸收峰。雖然未能獲得ИРЛ-1287 密封圈裝配之前的紅外分析結(jié)果，但從分析結(jié)果來看，沒有特征吸收峰消失或出現(xiàn)，拆下的ИРЛ-1287 密封圈的老化現(xiàn)象并不顯著。

圖2 大修拆下的ИРЛ-1287 密封圈與FX-17（未老化）的紅外光譜對比Fig.2 Comparison of infrared absorption spectrum between ИРЛ-1287 rubber seal ring removed in overhaul and FX-17 (without aging)

2 試驗結(jié)果

2.1 傅里葉紅外光譜

由圖3 分析可知，F(xiàn)X-4 和FX-17 均在1150～1200 cm-1處呈現(xiàn)出又強又寬的C—F 特征吸收峰，在1400、800 cm-1處則呈現(xiàn)出CH2=CF2的特征吸收峰。圖3 中，當FX-4 和FX-17 密封膠圈經(jīng)歷不同溫度點的熱空氣老化前后，沒有特征吸收峰消失或出現(xiàn)，只是特征基團的吸收（或透過）強度出現(xiàn)變化（如800、1200、1400 cm-1處的特征吸收峰均沒有發(fā)生明顯的變化）。

2.2 X 射線光電子能譜

FX-4 密封膠圈在200 ℃熱空氣老化（70 d）前后的X 射線光電子能譜如圖4 所示。由圖4 可知，F(xiàn)X-4經(jīng)過老化試驗后，F(xiàn)1s 峰的強度有所增強，而O1s 峰的強度有所減弱。這反映出FX-4 密封膠圈與氧氣發(fā)生反應的程度并不顯著。

圖3 兩種密封膠圈在不同溫度老化試驗后的紅外吸收光譜Fig.3 Infrared absorption spectrum of two kinds of rubber seal ring after aging tests at different temperatures

圖4 FX-4 密封膠圈在老化試驗前后的X 射線光電子能譜Fig.4 X-ray photoelectron spectroscopy of FX-4 rubber seal ring (a) before and (b) after aging tests

在不同溫度點熱空氣老化前后，F(xiàn)X-4 密封膠圈表面F 元素和O 元素的X 射線光電子能譜如圖5 所示。可以看出，F(xiàn)、O 元素在不同溫度點老化后，其電子結(jié)合能與老化前幾乎沒有變化，分別在684、529 eV 左右。這說明熱空氣老化前后橡膠中各鍵的化學結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化。

圖5 FX-4 密封膠圈在不同溫度的老化試驗后的F1s 和O1sFig.5 F1s and O1s of FX-4 rubber seal ring after aging tests at different temperatures

FX-17 密封膠圈在200 ℃熱空氣老化（70 d）前后的X 射線光電子能譜如圖6 所示。由圖6 可知，F(xiàn)X-17 經(jīng)過老化試驗后，F(xiàn)1s 峰的強度沒有變化，而O1s 峰的強度有所減弱，這反映出FX-17 密封膠圈與氧氣發(fā)生反應的程度并不顯著。

FX-17 密封膠圈在不同溫度點熱空氣老化前后，表面F 元素和O 元素的X 射線光電子能譜如圖7 所示。可以看出，F(xiàn)、O 元素在不同溫度點老化后，其電子結(jié)合能與老化前幾乎沒有變化，分別在684、529 eV 左右。這說明熱空氣老化前后橡膠中各鍵的化學結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化。

圖6 FX-17 密封膠圈在老化試驗前的X 射線光電子能譜Fig.6 X-ray photoelectron spectroscopy of FX-17 rubber seal ring (a) before and (b) after aging tests

圖7 FX-17 密封膠圈在不同溫度的老化試驗后的F1s 和O1sFig.7 F1s and O1s of FX-17 rubber seal ring after aging tests at different temperatures

2.3 熱重分析

FX-4 和FX-17 膠料的熱重分析曲線如圖8 所示。由圖8a 可知，F(xiàn)X-4 密封膠圈在溫度低于320 ℃以下時，膠料的質(zhì)量損失較小，不到5%；當溫度超過417.6 ℃時，質(zhì)量損失速率開始顯著增加；到達600 ℃時，質(zhì)量損失率達到90.24%。由圖8b 可知，F(xiàn)X-17密封膠圈在溫度低于419.2 ℃時，膠料的質(zhì)量損失較小，不到5%；當溫度超過419.2 ℃時，質(zhì)量損失速率開始顯著增加；到達600 ℃時，質(zhì)量損失率達到61.21%。

2.4 壓縮永久變形率

針對貯存13 年拆下的5 件密封圈，測量其壓縮后的軸向厚度。因前期未能獲得該批次大修拆下密封圈裝配前的初始軸向厚度以及裝配時壓縮率的真實數(shù)據(jù)，故以初始軸向厚度的名義值上限作為H0，以壓縮時軸向厚度名義值上限作為Hx，根據(jù)公式ε=（H0-Ht）/（H0-Hx）×100%計算大修拆下的密封圈的壓縮永久變形率，數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果表明，大修拆下的密封圈的壓縮永久變形率最大為20.4%，即大修拆下的密封件在存貯13 年后，仍在有效的日歷壽命周期內(nèi)。

圖8 兩種密封膠圈膠料的熱重分析曲線Fig.8 Thermogravimetric analysis curve of two kinds of rubber seal ring sealant compound

表1 大修拆下的ИРЛ-1287 密封圈壓縮永久變形率Tab.1 Permanent compression deformation rate of ИРЛ-1287 rubber seal ring removed in overhaul

3 結(jié)論

1）該主減速器兩種典型橡膠密封材料在使用過程中聚合物基團變化一致，老化現(xiàn)象并不顯著。

2）通過X 射線光電子能譜（XPS）檢驗典型橡膠密封件表面或內(nèi)部本體經(jīng)受老化作用后的結(jié)構(gòu)和表面能變化，兩種橡膠件在熱空氣老化前后各鍵的化學結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化。

3）FX-17 膠料的耐溫性略好于FX-4 膠料，主減速器的典型橡膠密封件在使用溫度范圍內(nèi)發(fā)生穩(wěn)定熱氧老化反應。

4）主減速器拆下的ИРЛ-1287 密封圈的老化現(xiàn)象并不顯著，存貯13 年后，仍在有效的日歷壽命周期內(nèi)。