基于加速老化和自然貯存數(shù)據(jù)的氟硅橡膠制品貯存壽命預(yù)估

馬同玲,黨曉勇,龐明磊

(1.北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京100074;2.中國兵器工業(yè)第五三研究所,濟(jì)南250031)

基于加速老化和自然貯存數(shù)據(jù)的氟硅橡膠制品貯存壽命預(yù)估

馬同玲1,黨曉勇1,龐明磊2

(1.北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京100074;2.中國兵器工業(yè)第五三研究所,濟(jì)南250031)

目的準(zhǔn)確評價(jià)氟硅橡膠制品的貯存壽命。方法利用G402氟硅橡膠制品自然貯存數(shù)據(jù)對加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果確認(rèn)加速老化試驗(yàn)方法可行,數(shù)據(jù)可信,并根據(jù)加速老化試驗(yàn)中的模擬試驗(yàn)確定了貯存失效臨界值。結(jié)論推測出G402氟硅橡膠制品的貯存壽命可以達(dá)到15年。

自然貯存;加速老化;橡膠密封件;貯存壽命

根據(jù)延壽經(jīng)驗(yàn),橡膠密封件極有可能成為制約軍用裝備貯存性能的最薄弱環(huán)節(jié),橡膠密封件貯存壽命的確定將直接影響裝備的定壽和翻修方案。氟硅橡膠具有優(yōu)異的耐低溫性能和良好的耐介質(zhì)性能,被廣泛應(yīng)用在多型裝備的燃油系統(tǒng)密封結(jié)構(gòu)中。通常情況下,借助加速老化試驗(yàn)手段來預(yù)估橡膠產(chǎn)品的貯存壽命,然而加速老化試驗(yàn)結(jié)論存在一定的偏差,需要通過自然貯存數(shù)據(jù)對其修正。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),氟硅橡膠的貯存壽命約為15年[1—3],對于貯存壽命要求超過15年的裝備,獲取氟硅橡膠的精確貯存壽命是確保裝備效能持續(xù)發(fā)揮的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

橡膠密封件裝配后長期貯存過程中,由于受機(jī)械應(yīng)力、介質(zhì)及空氣中氧和溫度的作用產(chǎn)生累積永久變形,導(dǎo)致密封件壓縮率減少而引起泄漏,喪失其密封性能。因此,通常在評估橡膠密封件貯存壽命時(shí),將壓縮永久變形指標(biāo)作為典型老化指標(biāo)。

通過對早期列裝某型發(fā)動(dòng)機(jī)上裝配的氟硅橡膠密封件尺寸及相關(guān)性能參數(shù)測試,獲取了大量翔實(shí)的自然貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將其與加速老化試驗(yàn)中獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析,檢驗(yàn)了加速老化試驗(yàn)的準(zhǔn)確度[4—6],進(jìn)而利用修正的加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確評估出氟硅橡膠制品的貯存壽命極限。

1 加速老化試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用401系列老化試驗(yàn)箱,符合GB/T 3512—2001[7]。主要測試設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 主要測試設(shè)備及精度要求Table 1 Main apparatus and accuracy requirements

1.2 試驗(yàn)件及試驗(yàn)介質(zhì)

試驗(yàn)件采用某型發(fā)動(dòng)機(jī)配套的O形橡膠密封圈,橡膠牌號(hào)為G402氟硅橡膠。試驗(yàn)介質(zhì)為3號(hào)噴氣燃料。

1.3 試驗(yàn)條件

參照GB/T 7759—1996[8],以O(shè)形橡膠圈為試驗(yàn)對象,模擬發(fā)動(dòng)機(jī)裝配狀態(tài),如圖1所示。老化溫度分別為90,100,110,120,130℃。

圖1 O形橡膠圈加速老化試驗(yàn)工裝Fig.1 Equipment for accelerated aging test of O-shape rubber ring

1.4 試驗(yàn)項(xiàng)目

O形橡膠圈加速老化試驗(yàn)項(xiàng)目:試樣規(guī)格為φ9.55 mm×φ1.9 mm,密封形式為端面壓縮,介質(zhì)為3號(hào)燃料,初始壓縮率為25%,測試項(xiàng)目為壓縮永久變形,子樣數(shù)量為每試驗(yàn)溫度5個(gè),取樣次數(shù)為20次。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

加速老化試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)處理如圖2所示。解算出各溫度下反應(yīng)方程見表2。

圖2 G402橡膠加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理曲線Fig.2 Curves of accelerated aging test data for rubber G402

表2 各溫度下反應(yīng)方程Table 2 Reaction equations at different temperatures

求出貯存溫度25℃下的K25=1.05×10-4[9],即可得到該溫度下壓縮永久變形與時(shí)間的關(guān)系式,見表2。計(jì)算25℃下不同貯存年限壓縮永久變形情況見表3。

表3 不同貯存年限壓縮永久變形情況Table 3 Permanent compressive deformation under different storage durations

2 自然貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)

某型發(fā)動(dòng)機(jī)在平均溫度22℃的貯存環(huán)境中已列裝10～12年,超過了原定貯存期。通過開展整修研究工作,確定橡膠密封件為主要貯存薄弱環(huán)節(jié),應(yīng)到壽更換。該發(fā)動(dòng)機(jī)上大量使用了G402氟硅橡膠密封件,接觸介質(zhì)包括酯類潤滑油、3號(hào)噴氣燃料以及空氣。對經(jīng)歷自然貯存的橡膠密封件尺寸和主要性能參數(shù)進(jìn)行測試,測試儀器見表1,獲得的自然貯存數(shù)據(jù)見表4。

表4 G402氟硅橡膠自然貯存數(shù)據(jù)Table 4 Natural storage data of fluorine rubber G402

2.1 壓縮永久變形

統(tǒng)計(jì)19件樣品的壓縮永久變形情況如圖3所示。可以看出,G402氟硅橡膠制品貯存過程中壓縮永久變形變化規(guī)律為:在燃油和滑油中變化較大,空氣中變化較小。在燃油中集中在14.7% ～51%,平均約37%;在滑油中集中在25%～33%,平均約28%;在空氣中集中在6%～37%,平均約22%。

2.2 硬度變化

統(tǒng)計(jì)19件樣品的硬度變化情況如圖4所示?？梢钥闯?G402氟硅橡膠制品貯存過程中硬度有一定程度的增加,平均增幅為10%,這種規(guī)律符合氟硅橡膠的老化機(jī)理[10]。

2.3 拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率變化

圖3 自然貯存10～12年樣件壓縮永久變形數(shù)據(jù)Fig.3 Permanent compressive deformation of specimens with natural storage duration from 10～12 years

圖4 自然貯存10～12年樣件硬度變化數(shù)據(jù)Fig.4 Hardness data for specimens with natural storage duration from 10～12 years

圖5 自然貯存10～12年樣件拉伸強(qiáng)度變化及扯斷伸長率變化數(shù)據(jù)Fig.5 Tension-strength and extension rate of fracture for specimens with natural storage duration from 10～12 years

受樣品尺寸影響,能夠獲取拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率的數(shù)據(jù)有限,統(tǒng)計(jì)如圖5所示。可以看出,G402氟硅橡膠制品在貯存過程中拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長率均有一定程度的降低,拉伸強(qiáng)度平均降幅在25%,扯斷伸長率平均降幅在13.5%。這種規(guī)律符合氟硅橡膠的老化機(jī)理[10]。

3 加速老化與自然貯存數(shù)據(jù)對比分析

從加速老化數(shù)據(jù)可知,貯存10年的G402氟硅橡膠制品壓縮永久變形程度達(dá)到約30%,這與自然貯存數(shù)據(jù)中燃滑油介質(zhì)中的壓縮永久變形程度基本相當(dāng),說明本次加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)是合理可信的。氟硅橡膠在空氣介質(zhì)自然貯存后壓縮永久變形小于燃滑油介質(zhì)中變形,這也符合G402氟硅橡膠耐介質(zhì)性能一般的屬性。根據(jù)加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)推測, G402氟硅橡膠自然貯存至17年時(shí),壓縮永久變形接近40%,壓縮率接近17%,已經(jīng)接近貯存壽命終點(diǎn)[11]。考慮到實(shí)際的橡膠密封件裝配結(jié)構(gòu)初始壓縮率呈現(xiàn)一定范圍(17% ～30%)[12],初始壓縮率小,貯存壽命相對偏短[13—15],因此G402氟硅橡膠制品的貯存壽命不超過15年。

由于加速老化試驗(yàn)僅以壓縮永久變形為老化指標(biāo),未對硬度及主要力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行測試,所以無法對硬度及力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

4 結(jié)論

通過將收集到的G402氟硅橡膠制品自然貯存數(shù)據(jù)與加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析,對加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn),確認(rèn)本次加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可信的,并以此推測出G402氟硅橡膠制品的貯存壽命為15年。

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Storage Life Prediction of Fluorine Rubber Products Based on Accelerated Aging and Natural Storage Data

MA Tong-ling1,DANG Xiao-yong1,PANG Ming-lei2

(1.Beijing Power Machinery Institute,Beijing 100074,China; 2.The 53rd Institute of Weapon Equipment,Jinan 250031,China)

ObjectiveTo accurately evaluate the storage life of fluorine rubber products.MethodsThe accelerated storage test data were verified using the natural storage data of fluorine rubber G402.ResultsThe results confirmed the feasibility of the accelerated aging test method and the reliability of the data.The failure threshold was determined through the simulation test in accelerated aging test.ConclusionsIt was predicted that the storage life of fluorine rubber G402 products reached up to 15 years.

natural storage;accelerated aging;rubber sealing;storage life

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.013

TQ333

:A

1672-9242(2014)04-0065-05

2014-06-24;

2014-07-01

Received:2014-06-24;Revised:2014-07-01

馬同玲(1976—),女,河南南陽人,高級工程師,主要研究方向航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能及貯存可靠性研究。

Biography:MA Tong-ling(1975—),Female,from Nanyang,Henan,Senior engineer,Research focus:overall performance of aero engines and reliability of engine storage.