基于加速老化和自然贮存数据的氟硅橡胶制品贮存寿命预估

马同玲,党晓勇,庞明磊

(1.北京动力机械研究所,北京100074;2.中国兵器工业第五三研究所,济南250031)

基于加速老化和自然贮存数据的氟硅橡胶制品贮存寿命预估

马同玲1,党晓勇1,庞明磊2

(1.北京动力机械研究所,北京100074;2.中国兵器工业第五三研究所,济南250031)

目的准确评价氟硅橡胶制品的贮存寿命。方法利用G402氟硅橡胶制品自然贮存数据对加速老化试验数据进行检验。结果确认加速老化试验方法可行,数据可信,并根据加速老化试验中的模拟试验确定了贮存失效临界值。结论推测出G402氟硅橡胶制品的贮存寿命可以达到15年。

自然贮存;加速老化;橡胶密封件;贮存寿命

根据延寿经验,橡胶密封件极有可能成为制约军用装备贮存性能的最薄弱环节,橡胶密封件贮存寿命的确定将直接影响装备的定寿和翻修方案。氟硅橡胶具有优异的耐低温性能和良好的耐介质性能,被广泛应用在多型装备的燃油系统密封结构中。通常情况下,借助加速老化试验手段来预估橡胶产品的贮存寿命,然而加速老化试验结论存在一定的偏差,需要通过自然贮存数据对其修正。根据工程经验,氟硅橡胶的贮存寿命约为15年[1—3],对于贮存寿命要求超过15年的装备,获取氟硅橡胶的精确贮存寿命是确保装备效能持续发挥的关键环节。

橡胶密封件装配后长期贮存过程中,由于受机械应力、介质及空气中氧和温度的作用产生累积永久变形,导致密封件压缩率减少而引起泄漏,丧失其密封性能。因此,通常在评估橡胶密封件贮存寿命时,将压缩永久变形指标作为典型老化指标。

通过对早期列装某型发动机上装配的氟硅橡胶密封件尺寸及相关性能参数测试,获取了大量翔实的自然贮存试验数据。将其与加速老化试验中获取的试验数据进行对比分析,检验了加速老化试验的准确度[4—6],进而利用修正的加速老化试验数据准确评估出氟硅橡胶制品的贮存寿命极限。

1 加速老化试验

1.1 试验设备

试验设备采用401系列老化试验箱,符合GB/T 3512—2001[7]。主要测试设备参数见表1。

表1 主要测试设备及精度要求Table 1 Main apparatus and accuracy requirements

1.2 试验件及试验介质

试验件采用某型发动机配套的O形橡胶密封圈,橡胶牌号为G402氟硅橡胶。试验介质为3号喷气燃料。

1.3 试验条件

参照GB/T 7759—1996[8],以O形橡胶圈为试验对象,模拟发动机装配状态,如图1所示。老化温度分别为90,100,110,120,130℃。

图1 O形橡胶圈加速老化试验工装Fig.1 Equipment for accelerated aging test of O-shape rubber ring

1.4 试验项目

O形橡胶圈加速老化试验项目:试样规格为φ9.55 mm×φ1.9 mm,密封形式为端面压缩,介质为3号燃料,初始压缩率为25%,测试项目为压缩永久变形,子样数量为每试验温度5个,取样次数为20次。

1.5 试验数据对比分析

加速老化试验原始数据处理如图2所示。解算出各温度下反应方程见表2。

图2 G402橡胶加速老化试验数据处理曲线Fig.2 Curves of accelerated aging test data for rubber G402

表2 各温度下反应方程Table 2 Reaction equations at different temperatures

求出贮存温度25℃下的K25=1.05×10-4[9],即可得到该温度下压缩永久变形与时间的关系式,见表2。计算25℃下不同贮存年限压缩永久变形情况见表3。

表3 不同贮存年限压缩永久变形情况Table 3 Permanent compressive deformation under different storage durations

2 自然贮存试验数据

某型发动机在平均温度22℃的贮存环境中已列装10～12年,超过了原定贮存期。通过开展整修研究工作,确定橡胶密封件为主要贮存薄弱环节,应到寿更换。该发动机上大量使用了G402氟硅橡胶密封件,接触介质包括酯类润滑油、3号喷气燃料以及空气。对经历自然贮存的橡胶密封件尺寸和主要性能参数进行测试,测试仪器见表1,获得的自然贮存数据见表4。

表4 G402氟硅橡胶自然贮存数据Table 4 Natural storage data of fluorine rubber G402

2.1 压缩永久变形

统计19件样品的压缩永久变形情况如图3所示。可以看出,G402氟硅橡胶制品贮存过程中压缩永久变形变化规律为:在燃油和滑油中变化较大,空气中变化较小。在燃油中集中在14.7% ～51%,平均约37%;在滑油中集中在25%～33%,平均约28%;在空气中集中在6%～37%,平均约22%。

2.2 硬度变化

统计19件样品的硬度变化情况如图4所示。可以看出,G402氟硅橡胶制品贮存过程中硬度有一定程度的增加,平均增幅为10%,这种规律符合氟硅橡胶的老化机理[10]。

2.3 拉伸强度和扯断伸长率变化

图3 自然贮存10～12年样件压缩永久变形数据Fig.3 Permanent compressive deformation of specimens with natural storage duration from 10～12 years

图4 自然贮存10～12年样件硬度变化数据Fig.4 Hardness data for specimens with natural storage duration from 10～12 years

图5 自然贮存10～12年样件拉伸强度变化及扯断伸长率变化数据Fig.5 Tension-strength and extension rate of fracture for specimens with natural storage duration from 10～12 years

受样品尺寸影响,能够获取拉伸强度和扯断伸长率的数据有限,统计如图5所示。可以看出,G402氟硅橡胶制品在贮存过程中拉伸强度和扯断伸长率均有一定程度的降低,拉伸强度平均降幅在25%,扯断伸长率平均降幅在13.5%。这种规律符合氟硅橡胶的老化机理[10]。

3 加速老化与自然贮存数据对比分析

从加速老化数据可知,贮存10年的G402氟硅橡胶制品压缩永久变形程度达到约30%,这与自然贮存数据中燃滑油介质中的压缩永久变形程度基本相当,说明本次加速老化试验数据是合理可信的。氟硅橡胶在空气介质自然贮存后压缩永久变形小于燃滑油介质中变形,这也符合G402氟硅橡胶耐介质性能一般的属性。根据加速老化试验数据推测, G402氟硅橡胶自然贮存至17年时,压缩永久变形接近40%,压缩率接近17%,已经接近贮存寿命终点[11]。考虑到实际的橡胶密封件装配结构初始压缩率呈现一定范围(17% ～30%)[12],初始压缩率小,贮存寿命相对偏短[13—15],因此G402氟硅橡胶制品的贮存寿命不超过15年。

由于加速老化试验仅以压缩永久变形为老化指标,未对硬度及主要力学性能指标进行测试,所以无法对硬度及力学性能指标进行对比分析。

4 结论

通过将收集到的G402氟硅橡胶制品自然贮存数据与加速老化试验数据对比分析,对加速老化试验数据进行了检验,确认本次加速老化试验数据是可信的,并以此推测出G402氟硅橡胶制品的贮存寿命为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

马同玲(1976—),女,河南南阳人,高级工程师,主要研究方向航空发动机总体性能及贮存可靠性研究。

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