主減速器橡膠密封圈性能衰減模型及日歷壽命評估

吳云章，李健，李昌范，沈軍

（陸軍航空兵研究所，北京 101121）

疲勞壽命和日歷壽命是飛機（直升機）結(jié)構(gòu)壽命的重要指標，實際使用過程中，軍用飛機（直升機）96%以上的時間處于地面停放狀態(tài)。日歷壽命是一個跨學(xué)科、跨部門、長周期共同作用的復(fù)雜系統(tǒng)工程[1-4]。文獻[4-6]給出了飛機日歷翻修期、總?cè)諝v壽命及金屬涂層日歷壽命的確定關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容、解決方法及計算公式，并給出了腐蝕環(huán)境譜介質(zhì)及試驗方法的研究[7]，并進一步考慮了飛行和修理記錄，研究了典型使用情況下的日歷壽命[8]。通過直升機涂層日歷壽命評估，開啟了直升機日歷壽命研究[9]。航空器材（簡稱為航材）日歷壽命通常包括存儲壽命和裝機使用壽命2 部分，兩者的比例關(guān)系直接影響著航材的儲存壽命、外場使用維護計劃、航材大修計劃。因此，需要開展主要航材的儲存/裝機條件下性能衰減規(guī)律，提高裝備完好率和經(jīng)濟效益。

直升機主減速器（簡稱為主減）在實際儲存/裝機條件下，金屬件不存在腐蝕，非金屬件老化成為日歷壽命評估的主要對象。橡膠密封圈是航材中最常見的材料，其本身是一種擠壓型密封件，密封原理是當其裝入密封槽后，橡膠承受壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生彈性變形，消除密封間隙，達到密封的目的。在長時間環(huán)境老化作用下，橡膠材料有可能失去彈性，擠壓變形量減小，無法消除密封間隙，或與配合面的接觸不再緊密，造成滲漏，而壓縮永久變形可直接反映出橡膠密封圈的彈性以及老化程度。

橡膠密封圈通常依據(jù)高溫加速老化試驗開展老化機理分析[9-13]，根據(jù)實際工況開展實驗室加速老化實驗[14-15]，測定性能參數(shù)衰減數(shù)據(jù)，建立相應(yīng)的性能衰減模型，進行日歷壽命評估[16-20]。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)開展整體推斷，建立衰減模型，進行日歷壽命評估[21-22]。常用的方法是根據(jù)Arrhenius 方程和性能參數(shù)與時間的關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，外推給出壽命評估。

1 橡膠密封圈性能衰減試驗

1.1 試驗對象

大修廠生產(chǎn)的某型直升機主減典型橡膠密封圈，共有FX-4、FX-17 等2 種型號。根據(jù)維修手冊和維修工卡，橡膠圈初始軸向厚度（簡稱為厚度）H0（名義值）為，壓縮時厚度Hx（名義值）為5.06～5.1 mm，初始壓縮范圍在8%～16%，即為符合裝配要求。

1.2 加速老化試驗設(shè)計

為了模擬主減O 形橡膠密封圈的裝配關(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。分別按照14%和20%初始壓縮率進行設(shè)計、加工，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。文獻[13]表明，F(xiàn)X-4 和FX-17 密封膠圈在表1 中溫度點老化前后，橡膠中各鍵的化學(xué)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化，熱老化具有一致性。

表1 橡膠圈加速老化試驗設(shè)計[13]Tab.1 Design of accelerated aging test for rubber ring[13]

圖1 典型橡膠密封圈及試驗夾具Fig.1 Typical rubber seal ring and test fixture

1.3 橡膠密封圈失效判據(jù)

根據(jù)橡膠圈初始厚度H0、Hx，當橡膠圈初始厚度上限由6 mm 壓縮到壓縮厚度下限5.06 mm，初始厚度由5.55 m 下降到壓縮厚度5.1 mm，均在結(jié)構(gòu)有效安全范圍內(nèi)。若將此時的實際裝配關(guān)系轉(zhuǎn)換為壓縮變形率，則最小值為47%。對FX-4 與FX-17 的5 個老化試驗溫度點下的橡膠密封圈試樣按照不同老化時間進行取樣，進行厚度Ht的測定（每個試樣測量3個點，取平均值），并根據(jù)公式ε=(H0–Ht)/(H0–Hx)×100%，計算密封圈的壓縮永久變形率，每個取樣點共測試5 個平行試樣，計算結(jié)果取平均值，實驗壓縮前后膠圈總體情況見表 2。當初始厚度下限5.55 mm 老化到厚度5.325 mm（大于壓縮厚度Hx，在安全裕度內(nèi)），此時永久壓縮變形率為45%。

表2 試驗壓縮前后膠圈總體情況Tab.2 General situation of rubber ring before and after experimental compression

綜合這2 種材料的實際工況和試驗實際數(shù)據(jù)，初始厚度偏下限的橡膠密封圈在80、100、120 ℃這3個溫度點得的最終厚度大于5.4 mm，此時最小永久壓縮變形率為30%；150、200 ℃高溫老化后的橡膠圈，厚度大于5.3 mm，此時的永久壓縮變形率最小，為51%。為了更好地評估工程應(yīng)用和使用安全性，采用航空工程上的一個分散系數(shù)2[6]，橡膠密封圈的失效判據(jù)為永久壓縮變形率25%。

2 典型橡膠密封件性能衰減模型

利用熱空氣老化試驗數(shù)據(jù)來進行相應(yīng)貯存與使用壽命的估算[14-15]。在橡膠的老化過程中，材料性能老化指標P與老化時間τ的關(guān)系方程式為：

式中：P為材料老化性能指標，本文為1-ε（ε永久壓縮變形率）；τ為老化時間；K為與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)；A為常數(shù)。

對式（1）進行修正，可采用式（2）描述性能變化指標P 與老化時間的關(guān)系：

式中：α為常數(shù)。

性能變化速度常數(shù)K與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T關(guān)系符合Arrhenius 方程：

式中：T為熱力學(xué)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(shù)，J/(K·mol)。

3 FX-4 密封圈儲存裝機條件下的性能衰減規(guī)律

3.1 初始壓縮率為10.5%

初始壓縮率為10.5%的FX-4 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 個溫度點的老化指標P隨時間的變化數(shù)據(jù)如圖2 所示。可以看出，在80、100、120 ℃等3 個溫度點，其老化指標P隨時間變化并沒有出現(xiàn)明顯的衰減，甚至還略有上升。隨著老化時間增加，老化指標隨著溫度升高。在150、200 ℃這2 個溫度點，其老化指標P隨時間變化出現(xiàn)了明顯的下降趨勢。這與氟橡膠熱氧老化規(guī)律一致，只有當環(huán)境溫度升高到一定程度時，分子鏈或基團具有了足夠的活性，才能和空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)。

圖2 性能參數(shù)P 隨老化時間τ的變化（FX-4密封圈10.5%初始壓縮率）Fig.2 Performance parameter P with aging time τ(FX-4 seal ring at 10.5% initial compression rate)

將P和τ數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，并對數(shù)據(jù)進行線性回歸分析和逐次逼近計算，得到當α=1 時，殘差平方和為最小。由表2 中相關(guān)系數(shù)的數(shù)據(jù)可知，在80、100、150、200 ℃等4 個溫度點均與對應(yīng)的r表值相近，與之對應(yīng)的 lnP和τα的線性關(guān)系成立，可據(jù)此得到對應(yīng)的性能變化速度常數(shù)K，即。其他溫度點的均小于對應(yīng)的r表值。

表2 lnP 和τα回歸分析系數(shù)（FX-4 密封圈10.5%初始壓縮率）Tab.2 lnP and coefficient of regression analysis τα (FX-4 seal ring at 10.5% initial compression rate)

lnP-τ的線性關(guān)系如圖3 所示。由圖3 可知，在80、100、120 ℃等3 個溫度點，斜率b為正，老化指標P隨時間變化呈緩慢上升的趨勢，且隨著溫度升高，老化指標的上升速度也增加。在150、200 ℃這2 個溫度點，斜率b為負，老化指標P隨時間變化明顯呈下降的趨勢。

圖3 lnP-τ 線性關(guān)系Fig.3 Linear diagram of lnP-τ

一般情形下，性能變化速度常數(shù)K與1/T關(guān)系符合Arrhenius 方程，即式（3）。式（3）是單調(diào)的，這表明性能變化速度常數(shù)K隨著溫度上升也應(yīng)是單調(diào)上升的。試驗結(jié)果表明，在100 ℃溫度點的K值明顯不符合單調(diào)規(guī)律。此外，100 ℃溫度點的老化指標P隨時間變化略呈上升趨勢，在分析K與T的關(guān)系時，可將這個溫度點舍棄。將表2 中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換，得到表3。對表3 中數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得到FX-4 密封圈（10.5%初始壓縮率）性能衰減模型為：

表3 lnK 和1/T 數(shù)據(jù)（FX-4 密封圈10.5%初始壓縮率）Tab.3 Data of lnK and 1/T (FX-4 seal ring at 10.5% initial compression rate)

式中：A值取表2 中A的平均值，為0.846 5。

3.2 初始壓縮率為18.3%

初始壓縮率為18.3%的FX-4 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 個溫度點老化指標P隨時間的變化數(shù)據(jù)如圖4 所示。可以看出，在80、100、120 ℃等3 個溫度點，其老化指標P隨時間略有上升，這與FX-4 橡膠在這些溫度點的進一步交聯(lián)有關(guān)。

圖4 性能參數(shù)P 隨老化時間τ 的變化（FX-4 密封圈18.3%初始壓縮率）Fig.4 Performance parameter P with aging time τ(FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

對初始壓縮率為18.3%的老化數(shù)據(jù)展開進一步的數(shù)學(xué)模型分析，得到當α＝ 0.48時，殘差平方和為最小。lnP-τ0.48的線性關(guān)系如圖5 所示。由圖5 可知，在80、100、120 ℃等3 個溫度點，斜率b為正，老化指標P隨時間變化略呈上升趨勢；在150、200 ℃這2 個溫度點，斜率b為負，老化指標P隨時間變化明顯呈下降趨勢。老化指標P隨時間變化略呈上升趨勢與膠料的進一步交聯(lián)有關(guān)。

圖5 lnP–τ0.48 線性關(guān)系（FX-4 密封圈18.3%初始壓縮率）Fig.5 Linear diagram of lnP–τ0.48(FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

80、100 ℃這2 個溫度點的K值明顯不符合這一單調(diào)規(guī)律，再加上80、100 ℃溫度點的老化指標P隨時間變化略呈上升趨勢，在分析K與T的關(guān)系時，可將這2 個溫度點舍棄。得到lnK和1/T數(shù)據(jù)見表4，對表4 中的數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，得到FX-4 密封圈（18.3%初始壓縮率）性能衰減模型為：

表4 lnK 和1/T 數(shù)據(jù)（FX-4 密封圈18.3%初始壓縮率）Tab.4 Data of lnK and 1/T (FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

式中：A的平均值為0.829 1。

4 FX-17 密封圈儲存/裝機條件下的性能衰減規(guī)律

4.1 初始壓縮率為11.9%

初始壓縮率為11.9%的FX-17 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 個溫度點的老化指標P隨老化時間變化的數(shù)據(jù)如圖6 所示。可以看出，在80、120、150、200 ℃等4 個溫度點，其老化指標P隨時間變化出現(xiàn)了明顯的衰減。但在100 ℃溫度點進行熱空氣老化試驗，其老化指標P隨時間的變化不明顯。

圖6 性能參數(shù)P 隨老化時間τ 的變化（FX-17 密封圈11.9%初始壓縮率）Fig.6 Performance parameter P with aging time τ(FX-17 seal ring at 11.9% initial compression rate)

對數(shù)據(jù)進行線性回歸分析和逐次逼近計算，得到當α＝0.45時，殘差平方和0.007 457 為最小。lnP-τ0.45的線性關(guān)系如圖7 所示。由圖7 可知，在100 ℃溫度點，斜率b為正，老化指標P隨時間變化略呈上升趨勢。在80、120、150、200 ℃等4 個溫度點，斜率b為負，老化指標P隨時間變化明顯呈下降趨勢。老化指標P隨時間變化略呈上升趨勢是膠料的進一步交聯(lián)引起的。

圖7 lnP-τ0.45 線性關(guān)系（FX-17 密封圈11.9%初始壓縮率）Fig.7 Linear diagram of lnP-τ0.45(FX-17 seal ring at 11.9% initial compression rate)

得到FX-17 密封圈（11.9%初始壓縮率）性能衰減模型為：

式中：A的平均值為0.835 8。

4.2 初始壓縮率為19.4%

初始壓縮率為19.4%的FX-17 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 種溫度點的老化指標P隨老化時間變化的數(shù)據(jù)如圖8 所示。在80、100 ℃這2 個溫度點，其老化指標P隨時間變化并沒有出現(xiàn)明顯的衰減，甚至還略有上升；在120、150、200 ℃等3 個溫度點，其老化指標P隨時間變化出現(xiàn)了較明顯的下降趨勢。

圖8 性能參數(shù)P 隨老化時間τ 的變化（FX-17 密封圈19.4%初始壓縮率）Fig.8 Performance parameter P with aging time τ(FX-17 seal ring at 19.4% initial compression rate)

對數(shù)據(jù)進行線性回歸分析和逐次逼近計算，得到當α＝0.34時，殘差平方和0.004 556 為最小。lnP-τ0.34的線性關(guān)系如圖9 所示。由圖9 可知，在80、100 ℃這2 個溫度點，斜率b為正，老化指標P隨時間變化是略呈上升趨勢；在120、150、200 ℃等3 個溫度點，斜率b為負，老化指標P隨時間變化明顯呈下降趨勢。老化指標P隨時間變化略呈上升趨勢是膠料的進一步交聯(lián)帶來的，性能退化模型主要關(guān)注老化指標P隨時間變化的下降趨勢。

圖9 lnP-τ0.34 線性關(guān)系（FX-17 密封圈19.4%初始壓縮率）Fig.9 Linear diagram of lnP-τ0.34(FX-17 seal ring at 19.4% initial compression rate)

最終得到FX-17 密封圈（19.4%初始壓縮率）性能衰減模型為：

式中：A的平均值為0.806 1。

5 折算系數(shù)

該型橡膠密封件一般為儲存3 a 內(nèi)，裝機使用x×103h/10 a 進入大修，長期備件可儲存至6 a。實際儲存溫度在5～30 ℃[23]，取其較高的30 ℃作為FX-4密封圈實際儲存溫度，即T庫存=303.15 K。根據(jù)某型直升機使用維修手冊規(guī)定，主減工作滑油溫度為80～100 ℃，120 ℃為滑油報警溫度，則主減實際裝機使用最低溫度為80 ℃（T工作=353.15 K）。

1）FX-4 密封圈儲存/裝機老化折算系數(shù)。在初始壓縮率10.5%下，儲存/裝機老化折算系數(shù)為0.018；在初始壓縮率18.3%下，儲存/裝機老化折算系數(shù)為0.002 1。

2）FX-17 密封圈儲存/裝機老化折算系數(shù)。在初始壓縮率11.9%下，儲存/裝機老化折算系數(shù)為0.011；在初始壓縮率19.4%下，儲存/裝機老化折算系數(shù)為0.000 53。

3）主減儲存/裝機日歷壽命折算系數(shù)。FX-4 密封圈在初始壓縮率10.5%下，儲存/裝機老化折算系數(shù)為0.018。80 ℃條件下，每工作1 h，相當于儲存55 h。如果1 年工作250 h，裝機工作條件下（工作+停放）相當于儲存條件下22 348.89 h，為年庫存的2.5 倍。同理可得，年工作200 h 約為年庫存的2.2 倍。年工作300 h 約為年庫存的2.8 倍。為了保證安全和外場計算方便，可統(tǒng)一為2 倍，即裝有FX-4 密封圈的主減裝機使用1 a 相當于儲存2 a。同理，裝有FX-17密封圈的主減裝機使用1 a 相當于儲存3 a。

6 結(jié)果與討論

FX-4 和FX-17 在80、100、120 ℃等3 個溫度點的整個加速老化試驗過程中，壓縮永久變形率均在20%左右，低于失效判據(jù)25%，均在有效使用范圍內(nèi)；在80、100 ℃這2 個溫度點下經(jīng)歷10～85 d 的加速老化試驗，壓縮永久變形率變化不大。

若以25%為失效判據(jù)，F(xiàn)X-4 在初始壓縮率10.5%下的失效年限為39.6 a，F(xiàn)X-17 在初始壓縮率11.9%下的失效年限為93.7 a，初始高壓縮率下失效年限計算結(jié)果分別為12 088、9 687 a，偏差很大。取分散系數(shù)為2，可以確定主減儲存年限可達19.8 a。與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 a（包含使用和儲存）基本一致，國內(nèi)氟橡膠FX-4 和FX-17 的日歷壽命長，安全余度大。

7 結(jié)論

1）裝有FX-4 密封圈的主減裝機使用1 a 相當于儲存2 a。

2）裝有FX-17 密封圈的主減裝機使用1 a 相當于儲存3 a。

3）主減儲存條件下日歷壽命可達20 a，但要及時更換滑油，做好油封。

4）依據(jù)結(jié)果，在1 個儲存期（3 a）和裝機翻修間隔期（10 a）內(nèi)，該直升機主減速器可安全使用。