主减速器橡胶密封圈性能衰减模型及日历寿命评估

吴云章，李健，李昌范，沈军

（陆军航空兵研究所，北京 101121）

疲劳寿命和日历寿命是飞机（直升机）结构寿命的重要指标，实际使用过程中，军用飞机（直升机）96%以上的时间处于地面停放状态。日历寿命是一个跨学科、跨部门、长周期共同作用的复杂系统工程[1-4]。文献[4-6]给出了飞机日历翻修期、总日历寿命及金属涂层日历寿命的确定关键技术内容、解决方法及计算公式，并给出了腐蚀环境谱介质及试验方法的研究[7]，并进一步考虑了飞行和修理记录，研究了典型使用情况下的日历寿命[8]。通过直升机涂层日历寿命评估，开启了直升机日历寿命研究[9]。航空器材（简称为航材）日历寿命通常包括存储寿命和装机使用寿命2 部分，两者的比例关系直接影响着航材的储存寿命、外场使用维护计划、航材大修计划。因此，需要开展主要航材的储存/装机条件下性能衰减规律，提高装备完好率和经济效益。

直升机主减速器（简称为主减）在实际储存/装机条件下，金属件不存在腐蚀，非金属件老化成为日历寿命评估的主要对象。橡胶密封圈是航材中最常见的材料，其本身是一种挤压型密封件，密封原理是当其装入密封槽后，橡胶承受压缩应力而产生弹性变形，消除密封间隙，达到密封的目的。在长时间环境老化作用下，橡胶材料有可能失去弹性，挤压变形量减小，无法消除密封间隙，或与配合面的接触不再紧密，造成渗漏，而压缩永久变形可直接反映出橡胶密封圈的弹性以及老化程度。

橡胶密封圈通常依据高温加速老化试验开展老化机理分析[9-13]，根据实际工况开展实验室加速老化实验[14-15]，测定性能参数衰减数据，建立相应的性能衰减模型，进行日历寿命评估[16-20]。依据试验数据开展整体推断，建立衰减模型，进行日历寿命评估[21-22]。常用的方法是根据Arrhenius 方程和性能参数与时间的关系建立数学模型，外推给出寿命评估。

1 橡胶密封圈性能衰减试验

1.1 试验对象

大修厂生产的某型直升机主减典型橡胶密封圈，共有FX-4、FX-17 等2 种型号。根据维修手册和维修工卡，橡胶圈初始轴向厚度（简称为厚度）H0（名义值）为，压缩时厚度Hx（名义值）为5.06～5.1 mm，初始压缩范围在8%～16%，即为符合装配要求。

1.2 加速老化试验设计

为了模拟主减O 形橡胶密封圈的装配关系，试验夹具由试样底板、压板和紧固螺栓等几部分组成，并在试样底板上开有方形槽，如图1 所示。老化试验件安装在试样底板的凹槽内，每套试验夹具可安装5件加速老化试验的平行样。分别按照14%和20%初始压缩率进行设计、加工，凹槽的尺寸偏差一般不大于±0.01 mm，其他技术要求参考HB 5235 的相关规定。然后连同夹具一起放入加速老化试验箱内进行试验。文献[13]表明，FX-4 和FX-17 密封胶圈在表1 中温度点老化前后，橡胶中各键的化学结构没有发生明显变化，热老化具有一致性。

表1 橡胶圈加速老化试验设计[13]Tab.1 Design of accelerated aging test for rubber ring[13]

图1 典型橡胶密封圈及试验夹具Fig.1 Typical rubber seal ring and test fixture

1.3 橡胶密封圈失效判据

根据橡胶圈初始厚度H0、Hx，当橡胶圈初始厚度上限由6 mm 压缩到压缩厚度下限5.06 mm，初始厚度由5.55 m 下降到压缩厚度5.1 mm，均在结构有效安全范围内。若将此时的实际装配关系转换为压缩变形率，则最小值为47%。对FX-4 与FX-17 的5 个老化试验温度点下的橡胶密封圈试样按照不同老化时间进行取样，进行厚度Ht的测定（每个试样测量3个点，取平均值），并根据公式ε=(H0–Ht)/(H0–Hx)×100%，计算密封圈的压缩永久变形率，每个取样点共测试5 个平行试样，计算结果取平均值，实验压缩前后胶圈总体情况见表 2。当初始厚度下限5.55 mm 老化到厚度5.325 mm（大于压缩厚度Hx，在安全裕度内），此时永久压缩变形率为45%。

表2 试验压缩前后胶圈总体情况Tab.2 General situation of rubber ring before and after experimental compression

综合这2 种材料的实际工况和试验实际数据，初始厚度偏下限的橡胶密封圈在80、100、120 ℃这3个温度点得的最终厚度大于5.4 mm，此时最小永久压缩变形率为30%；150、200 ℃高温老化后的橡胶圈，厚度大于5.3 mm，此时的永久压缩变形率最小，为51%。为了更好地评估工程应用和使用安全性，采用航空工程上的一个分散系数2[6]，橡胶密封圈的失效判据为永久压缩变形率25%。

2 典型橡胶密封件性能衰减模型

利用热空气老化试验数据来进行相应贮存与使用寿命的估算[14-15]。在橡胶的老化过程中，材料性能老化指标P与老化时间τ的关系方程式为：

式中：P为材料老化性能指标，本文为1-ε（ε永久压缩变形率）；τ为老化时间；K为与温度有关的性能变化速度常数；A为常数。

对式（1）进行修正，可采用式（2）描述性能变化指标P 与老化时间的关系：

式中：α为常数。

性能变化速度常数K与热力学温度的倒数1/T关系符合Arrhenius 方程：

式中：T为热力学温度，K；E为表观活化能，J/mol；Z为频率因子，d–1；R为气体常数，J/(K·mol)。

3 FX-4 密封圈储存装机条件下的性能衰减规律

3.1 初始压缩率为10.5%

初始压缩率为10.5%的FX-4 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 个温度点的老化指标P随时间的变化数据如图2 所示。可以看出，在80、100、120 ℃等3 个温度点，其老化指标P随时间变化并没有出现明显的衰减，甚至还略有上升。随着老化时间增加，老化指标随着温度升高。在150、200 ℃这2 个温度点，其老化指标P随时间变化出现了明显的下降趋势。这与氟橡胶热氧老化规律一致，只有当环境温度升高到一定程度时，分子链或基团具有了足够的活性，才能和空气中的氧气发生反应。

图2 性能参数P 随老化时间τ的变化（FX-4密封圈10.5%初始压缩率）Fig.2 Performance parameter P with aging time τ(FX-4 seal ring at 10.5% initial compression rate)

将P和τ数据进行相应的数学转换，并对数据进行线性回归分析和逐次逼近计算，得到当α=1 时，残差平方和为最小。由表2 中相关系数的数据可知，在80、100、150、200 ℃等4 个温度点均与对应的r表值相近，与之对应的 lnP和τα的线性关系成立，可据此得到对应的性能变化速度常数K，即。其他温度点的均小于对应的r表值。

表2 lnP 和τα回归分析系数（FX-4 密封圈10.5%初始压缩率）Tab.2 lnP and coefficient of regression analysis τα (FX-4 seal ring at 10.5% initial compression rate)

lnP-τ的线性关系如图3 所示。由图3 可知，在80、100、120 ℃等3 个温度点，斜率b为正，老化指标P随时间变化呈缓慢上升的趋势，且随着温度升高，老化指标的上升速度也增加。在150、200 ℃这2 个温度点，斜率b为负，老化指标P随时间变化明显呈下降的趋势。

图3 lnP-τ 线性关系Fig.3 Linear diagram of lnP-τ

一般情形下，性能变化速度常数K与1/T关系符合Arrhenius 方程，即式（3）。式（3）是单调的，这表明性能变化速度常数K随着温度上升也应是单调上升的。试验结果表明，在100 ℃温度点的K值明显不符合单调规律。此外，100 ℃温度点的老化指标P随时间变化略呈上升趋势，在分析K与T的关系时，可将这个温度点舍弃。将表2 中的相关数据进行相应的数学转换，得到表3。对表3 中数据进行线性回归分析，得到FX-4 密封圈（10.5%初始压缩率）性能衰减模型为：

表3 lnK 和1/T 数据（FX-4 密封圈10.5%初始压缩率）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，为0.846 5。

3.2 初始压缩率为18.3%

初始压缩率为18.3%的FX-4 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 个温度点老化指标P随时间的变化数据如图4 所示。可以看出，在80、100、120 ℃等3 个温度点，其老化指标P随时间略有上升，这与FX-4 橡胶在这些温度点的进一步交联有关。

图4 性能参数P 随老化时间τ 的变化（FX-4 密封圈18.3%初始压缩率）Fig.4 Performance parameter P with aging time τ(FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

对初始压缩率为18.3%的老化数据展开进一步的数学模型分析，得到当α＝ 0.48时，残差平方和为最小。lnP-τ0.48的线性关系如图5 所示。由图5 可知，在80、100、120 ℃等3 个温度点，斜率b为正，老化指标P随时间变化略呈上升趋势；在150、200 ℃这2 个温度点，斜率b为负，老化指标P随时间变化明显呈下降趋势。老化指标P随时间变化略呈上升趋势与胶料的进一步交联有关。

图5 lnP–τ0.48 线性关系（FX-4 密封圈18.3%初始压缩率）Fig.5 Linear diagram of lnP–τ0.48(FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

80、100 ℃这2 个温度点的K值明显不符合这一单调规律，再加上80、100 ℃温度点的老化指标P随时间变化略呈上升趋势，在分析K与T的关系时，可将这2 个温度点舍弃。得到lnK和1/T数据见表4，对表4 中的数据进行线性回归分析，得到FX-4 密封圈（18.3%初始压缩率）性能衰减模型为：

表4 lnK 和1/T 数据（FX-4 密封圈18.3%初始压缩率）Tab.4 Data of lnK and 1/T (FX-4 seal ring at 18.3% initial compression rate)

式中：A的平均值为0.829 1。

4 FX-17 密封圈储存/装机条件下的性能衰减规律

4.1 初始压缩率为11.9%

初始压缩率为11.9%的FX-17 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 个温度点的老化指标P随老化时间变化的数据如图6 所示。可以看出，在80、120、150、200 ℃等4 个温度点，其老化指标P随时间变化出现了明显的衰减。但在100 ℃温度点进行热空气老化试验，其老化指标P随时间的变化不明显。

图6 性能参数P 随老化时间τ 的变化（FX-17 密封圈11.9%初始压缩率）Fig.6 Performance parameter P with aging time τ(FX-17 seal ring at 11.9% initial compression rate)

对数据进行线性回归分析和逐次逼近计算，得到当α＝0.45时，残差平方和0.007 457 为最小。lnP-τ0.45的线性关系如图7 所示。由图7 可知，在100 ℃温度点，斜率b为正，老化指标P随时间变化略呈上升趋势。在80、120、150、200 ℃等4 个温度点，斜率b为负，老化指标P随时间变化明显呈下降趋势。老化指标P随时间变化略呈上升趋势是胶料的进一步交联引起的。

图7 lnP-τ0.45 线性关系（FX-17 密封圈11.9%初始压缩率）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%初始压缩率）性能衰减模型为：

式中：A的平均值为0.835 8。

4.2 初始压缩率为19.4%

初始压缩率为19.4%的FX-17 密封圈在80、100、120、150、200 ℃等5 种温度点的老化指标P随老化时间变化的数据如图8 所示。在80、100 ℃这2 个温度点，其老化指标P随时间变化并没有出现明显的衰减，甚至还略有上升；在120、150、200 ℃等3 个温度点，其老化指标P随时间变化出现了较明显的下降趋势。

图8 性能参数P 随老化时间τ 的变化（FX-17 密封圈19.4%初始压缩率）Fig.8 Performance parameter P with aging time τ(FX-17 seal ring at 19.4% initial compression rate)

对数据进行线性回归分析和逐次逼近计算，得到当α＝0.34时，残差平方和0.004 556 为最小。lnP-τ0.34的线性关系如图9 所示。由图9 可知，在80、100 ℃这2 个温度点，斜率b为正，老化指标P随时间变化是略呈上升趋势；在120、150、200 ℃等3 个温度点，斜率b为负，老化指标P随时间变化明显呈下降趋势。老化指标P随时间变化略呈上升趋势是胶料的进一步交联带来的，性能退化模型主要关注老化指标P随时间变化的下降趋势。

图9 lnP-τ0.34 线性关系（FX-17 密封圈19.4%初始压缩率）Fig.9 Linear diagram of lnP-τ0.34(FX-17 seal ring at 19.4% initial compression rate)

最终得到FX-17 密封圈（19.4%初始压缩率）性能衰减模型为：

式中：A的平均值为0.806 1。

5 折算系数

该型橡胶密封件一般为储存3 a 内，装机使用x×103h/10 a 进入大修，长期备件可储存至6 a。实际储存温度在5～30 ℃[23]，取其较高的30 ℃作为FX-4密封圈实际储存温度，即T库存=303.15 K。根据某型直升机使用维修手册规定，主减工作滑油温度为80～100 ℃，120 ℃为滑油报警温度，则主减实际装机使用最低温度为80 ℃（T工作=353.15 K）。

1）FX-4 密封圈储存/装机老化折算系数。在初始压缩率10.5%下，储存/装机老化折算系数为0.018；在初始压缩率18.3%下，储存/装机老化折算系数为0.002 1。

2）FX-17 密封圈储存/装机老化折算系数。在初始压缩率11.9%下，储存/装机老化折算系数为0.011；在初始压缩率19.4%下，储存/装机老化折算系数为0.000 53。

3）主减储存/装机日历寿命折算系数。FX-4 密封圈在初始压缩率10.5%下，储存/装机老化折算系数为0.018。80 ℃条件下，每工作1 h，相当于储存55 h。如果1 年工作250 h，装机工作条件下（工作+停放）相当于储存条件下22 348.89 h，为年库存的2.5 倍。同理可得，年工作200 h 约为年库存的2.2 倍。年工作300 h 约为年库存的2.8 倍。为了保证安全和外场计算方便，可统一为2 倍，即装有FX-4 密封圈的主减装机使用1 a 相当于储存2 a。同理，装有FX-17密封圈的主减装机使用1 a 相当于储存3 a。

6 结果与讨论

FX-4 和FX-17 在80、100、120 ℃等3 个温度点的整个加速老化试验过程中，压缩永久变形率均在20%左右，低于失效判据25%，均在有效使用范围内；在80、100 ℃这2 个温度点下经历10～85 d 的加速老化试验，压缩永久变形率变化不大。

若以25%为失效判据，FX-4 在初始压缩率10.5%下的失效年限为39.6 a，FX-17 在初始压缩率11.9%下的失效年限为93.7 a，初始高压缩率下失效年限计算结果分别为12 088、9 687 a，偏差很大。取分散系数为2，可以确定主减储存年限可达19.8 a。与俄罗斯推荐主减速器使用的ИРЛ-1287（TY 380051166—87《航空零件用橡胶胶料》）推荐日历寿命为15～20 a（包含使用和储存）基本一致，国内氟橡胶FX-4 和FX-17 的日历寿命长，安全余度大。

7 结论

1）装有FX-4 密封圈的主减装机使用1 a 相当于储存2 a。

2）装有FX-17 密封圈的主减装机使用1 a 相当于储存3 a。

3）主减储存条件下日历寿命可达20 a，但要及时更换滑油，做好油封。

4）依据结果，在1 个储存期（3 a）和装机翻修间隔期（10 a）内，该直升机主减速器可安全使用。