一种橡胶密封圈的剩余贮存寿命评估方法

2018-04-27张凯周堃何建新

装备环境工程 2018年4期

张凯，周堃，何建新

（中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039）

橡胶密封圈由于具有良好的密封特性，在弹药武器装备密封结构中得到了广泛应用，其结构密封性能的好坏将直接影响发射装药、推进剂以及电子元器件的正常作用[1-2]。常用作橡胶密封圈的材料有硅橡胶、氟橡胶、丁腈橡胶以及天然橡胶等，这些材料在环境的长期作用下会发生缓慢的物理化学性能和力学性能退化，致使橡胶密封圈失去密封能力，是限制弹药贮存寿命的关键薄弱环节之一[3-6]。掌握弹药用橡胶密封圈在随弹贮存一段时间后的剩余贮存寿命，对于弹药武器装备的维修保养和战斗力保持具有十分重要的意义。

目前，国内外关于橡胶密封圈的寿命评估方法主要为动力学曲线直线化法[7-12]，该方法依据橡胶密封圈在不同加速老化温度下性能参数P的试验数据（如压缩永久变形或压缩应力松弛），可以建立不同温度下橡胶密封圈的性能P和时间τ之间的关系，并得到其老化速度常数K与温度T之间的计算方程。通过对这个方程进行外推，可以计算出橡胶密封圈在贮存温度下的老化速度常数。如果确定了橡胶密封圈在时效时对应的性能参数量值，就可以计算出橡胶密封圈的寿命。这种方法只能用于评估新橡胶密封圈的寿命，对于已装配到弹上并随弹贮存一段时间后，已发生一定程度性能退化的旧橡胶密封圈，则不能利用该方法评估其剩余贮存寿命。

文中在动力学曲线直线化方法的基础上，对其适用范围进行外推、拓展，得出了一种相比原方法适用性更广的橡胶密封圈贮存寿命评估方法，可用于评估已随弹贮存一定年限的旧橡胶密封圈的剩余贮存寿命。

1 方法原理

以压缩永久变形ε作为橡胶密封圈的性能参数，假设某橡胶密封圈已随弹贮存了τ0时间，则该密封圈在受压方向的压缩永久变形0τε可用式（1）计算：

式中：D0为橡胶密封圈在装配前受压方向上的原始截面高度；D1为橡胶密封圈在弹上的实际压缩高度；D2为拆解下橡胶密封圈受压方向上的截面回弹高度。

利用拆解出的旧橡胶密封圈进一步开展加速老化试验，则该旧橡胶密封圈在加速老化试验过程中，某一检测周期的总压缩永久变形ε为：式中：D2′为橡胶密封圈在加速老化试验过程中某一检测周期受压方向上的截面回弹高度。

总压缩永久变形包括随弹贮存0τ时间后已产生的压缩永久变形0τε和在加速老化试验过程中产生的压缩永久变形ε′，即：

经数学推导可以得出旧橡胶密封圈在加速老化试验期间产生的压缩永久变形ε′为：

从式（4）中可以看出：当0τε=0时，D0=D2，该式即退化为传统的压缩永久变形计算表达式，表征新橡胶密封圈在加速老化试验中老化一段时间后发生的压缩永久变形；当0＜0τε＜1时，该式则表征已有压缩永久变形的旧橡胶密封圈在加速老化试验过程中老化一段时间后产生的压缩永久变形。

根据经验关系式（5）建立旧橡胶密封圈在加速老化试验中，不同老化温度下的压缩永久变形ε′与老化时间τ之间的关系式，进而得出旧橡胶密封圈在各温度下的老化速度常数K。

根据Arrhenius方程（6）推算出旧密封圈在贮存温度下的老化速度常数 Kc，反代入经验关系式就可以确定橡胶密封圈随弹贮存τ0时间后，在之后随弹贮存过程中的压缩永久变形随时间的变化规律：

得到橡胶密封圈在贮存温度下的性能随时间的变化规律后，将橡胶密封圈的失效临界值εc带入即可求出其剩余贮存寿命 τc，如式（8）所示。失效临界值εc可根据密封功能性试验结果，按式（4）进行计算，此时的 D2′表示橡胶密封圈出现密封失效时受压方向的截面回弹高度。

2 实例分析

2.1 已有压缩永久变形分析

以用于某型已贮存10年弹药上的橡胶密封圈为例，对该密封圈剩余贮存寿命评估方法进行进一步阐明。

通过对该型橡胶密封圈的原始尺寸、拆解后受压方向截面回弹高度及其在弹上的装配结构、尺寸进行测量和分析，明确了其原始截面直径D0=2.5 mm，在弹上的压缩高度D1=1.7 mm，拆解后受压方向的截面回弹高度D2=2.163 mm。通过式（1）可得出该橡胶密封圈在随弹贮存10年后，已产生的压缩永久变形ε10为 0.421。