CN106124191A - 一种橡胶密封圈的剩余寿命评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种橡胶密封圈的剩余寿命评估方法，待评估对象为装配在已贮存一定年限的弹药等武器装备上的且已产生一定压缩永久变形的橡胶密封圈，待评估对象的原始径向截面高度已知，利用橡胶密封圈在加速老化试验过程中产生的压缩永久变形变化规律，外推其在贮存温度下的压缩永久变形变化规律，进而以失效临界值为判据，评估旧橡胶密封圈的剩余寿命。

Description

一种橡胶密封圈的剩余寿命评估方法

技术领域

本发明涉及已在弹药等武器装备上装配并贮存一定年限后的橡胶密封圈，具体涉及针对该种类型橡胶密封圈的剩余寿命评估方法。

背景技术

橡胶密封圈由于具有良好的密封特性，在弹药等武器装备密封结构中得到了广泛的应用，其结构密封性能的好坏直接影响弹药的寿命和工作可靠性。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机械性能退化，致使橡胶密封圈失去密封能力，是限制弹药寿命的关键薄弱环节之一。

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，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，因此对于已装配到弹上并随弹贮存一段时间后的橡胶密封圈的剩余寿命的评估，需首先利用与弹上橡胶密封圈相同牌号和尺寸的新橡胶密封圈开展加速试验。由于新旧橡胶密封圈之间的材料组分和尺寸会存在一定程度的差异，这必然会导致试验所得新橡胶密封圈的性能变化规律与弹上橡胶密封圈的实际性能变化规律的差异，影响橡胶密封圈的寿命评估精确度。

发明内容

本发明提供了一种针对已装配在弹药等武器装备上并贮存一定年限的橡胶密封圈的剩余寿命评估方法。直接利用弹上拆解下的橡胶密封圈，通过开展加速试验并对试验数据进行处理和计算，可较真实、快速的获得已贮存一定年限的橡胶密封圈的剩余寿命。

方法原理如下：

以压缩永久变形ε作为橡胶密封圈的性能参数，假设橡胶密封圈已随弹贮存了τ₀时间，则其受压方向的压缩永久变形ε_τ为：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}=\frac{D_0-D_2}{D_0-D_1}---\[1\]$

式中，D₀为橡胶密封圈受压方向原始截面高度；D₁为橡胶密封圈在弹上的实际压缩高度；D₂为拆解下的橡胶密封圈受压方向截面回弹高度。

利用拆解出的该橡胶密封圈进一步开展加速老化试验，则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：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{D_0-D_2^{\′}}{D_0-D_1}---\[2\]$

式中，D′₂为橡胶密封圈在加速老化试验过程中某一检测周期的受压方向截面回弹高度。

总压缩永久变形包括随弹贮存τ₀时间后已产生的压缩永久变形ε_τ和在加速老化试验过程中产生的压缩永久变形ε’。

即:

ε＝ε_τ+ε’ [3]

经推导可以得出：

${\mathrm{\ϵ}}^{,}=\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}=\frac{D_2-D_2^{\′}}{D_0-D_1}=(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}})\frac{D_2-D_2^{\′}}{D_2-D_1}---\[4\]$

根据经验关系式[5]建立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，进而得出橡胶密封圈在各温度下的老化速度常数。

1-ε’＝Aexp(-Kτ^α) [5]

A为数值接近1的常数，可利用试验数据拟合得到；

α为大于0小于1的常数，可采用逐次逼近的方法确定，主要用于提高拟合方程与试验数据之间的相关性。

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K_c,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变化规律。

$K=A^{\′}\exp (-\frac{E}{RT})---\[6\]$

A′为常数，可利用橡胶密封圈在不同温度T下的老化速度常数拟合得到；

E为橡胶密封圈发生老化反应的活化能，KJ/mol；

R为气体常数，KJ/mol·K；

T为绝对温度，K。

1-ε’＝Aexp(-K_cτ^α) [7]

得到橡胶密封圈在贮存温度下的性能随时间变化规律后，将橡胶密封圈的失效临界值ε_c带入即可求出其剩余贮存寿命τ_c，如式[8]所示。失效临界值ε_c可根据密封功能试验结果，按式[4]进行计算，D′₂为橡胶密封圈密封失效时受压方向的截面回弹高度。

${\mathrm{\τ}}_c=\exp \{\frac{1}{\mathrm{\α}}\ln \[\frac{1}{K_c}\left(\ln \frac{A}{1-{\mathrm{\ϵ}}_c}\right)\]\}---\[8\]$

本发明具有以下有益效果：

本方法可用于弹用橡胶密封圈的贮存寿命评估。与现有橡胶密封圈寿命评估方法相比具有更好的普适性，可用于新橡胶密封圈的贮存寿命评估，也可用于随弹贮存一定年限的旧橡胶密封圈的剩余贮存寿命评估。在采用本方法对旧橡胶密封圈的剩余寿命进行评估时，由于是直接利用弹上拆解的橡胶密封圈，降低了因配方和尺寸差异等因素造成的影响，剩余贮存寿命的评估结果比现有寿命评估方法更加准确、可靠。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要指出的是，以下实施例只用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。

实施例

已贮存10年的某型导弹弹射装置静密封圈剩余贮存寿命评估：

(1)已有压缩永久变形分析

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量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＝2.5mm，拆解后受压方向的截面回弹高度D₂＝2.163mm，在弹上的压缩高度D₁＝1.7mm。

通过式[1]可得出该橡胶密封圈在随弹贮存10年后的压缩永久变形为：

${\mathrm{\ϵ}}_{10}=\frac{D_0-D_2}{D_0-D_1}=\frac{2.5-2.163}{2.5-1.7}=0.421$

(2)加速老化试验和外推常温下性能变化规律

利用该橡胶密封圈进一步开展在70℃、80℃、90℃和100℃四个温度点的加速老化试验，试验时间和对应的受压方向截面回弹高度，如表1所示：

表1弹射装置静密封圈受压方向截面回弹高度

按照式[4]可计算出旧橡胶密封圈在加速老化过程中所产生的压缩永久变形，如表2所示：

表2弹射装置静密封圈压缩永久变形计算结果

利用经验公式[5]对上述各老化温度下的压缩永久变形数据进行回归分析，结果如表3所示：

表3弹射装置静密封圈压缩永久变形与时间拟合方程

温度	拟合方程	相关系数
			70℃	1-ε‘＝1.0009exp(-0.0928τ0.56)	r＝-0.9791
80℃	1-ε‘＝0.9787exp(-0.1024τ0.56)	r＝-0.9472
			90℃	1-ε‘＝0.9363exp(-0.1035τ0.56)	r＝-0.9432
100℃	1-ε‘＝0.9351exp(-0.1527τ0.56)	r＝-0.9604

利用Arrhenius方程对上述各温度下的老化速度常数进行回归分

析，结果如式[9]所示：

$K=22.56\exp (-\frac{1901.6}{T})---\[9\]$

按照式[9]可外推计算出该橡胶密封圈在随弹贮存温度为25℃下的老化速度常数K₂₅＝0.0382，反代入经验公式[5]即可获得该橡胶密封圈在随弹贮存10年后，在随后的贮存时间内压缩永久变形随时间的变化方程,如式[10]所示：

1-ε‘＝0.9647exp(-0.0382τ^0.56) [10]

(3)失效临界值确定和剩余寿命计算

通过气密性功能试验，确定该橡胶密封圈失效时的受压方向截面回弹高度为1.49mm，按式[4]计算得到该密封圈的失效临界值ε_c＝0.894。将其反代入式[10]，根据式[8]可计算出弹射装置静密封圈在25℃下的剩余贮存寿命为3.8年。

Claims (1)

1.一种橡胶密封圈的剩余寿命评估方法，其特征在于：所述方法包括下列步骤：

计算橡胶密封圈已随弹贮存了τ₀时间后其受压方向的压缩永久变形ε_τ：

${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}}=\frac{D_0-D_2}{D_0-D_1}---\[1\]$

式中，D₀为橡胶密封圈受压方向原始截面高度；D₁为橡胶密封圈在弹上的实际压缩高度；D₂为拆解下的橡胶密封圈受压方向截面回弹高度；

利用该橡胶密封圈开展加速老化试验，得到橡胶密封圈在加速老化试验过程中某一检测周期的受压方向截面回弹高度D′₂，在加速老化试验过程中产生的压缩永久变形ε’为

${\mathrm{\ϵ}}^{,}=(1-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{\τ}})\frac{D_2-D_2^{\′}}{D_2-D_1}---\[4\]$

利用公式[5]建立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与老化时间之间的关系式，进而得出橡胶密封圈在各温度下的老化速度常数K；

1-ε’＝Aexp(-Kτ^α) [5]

A为数值接近1的常数，α为大于0小于1的常数；

根据Arrhenius方程推算出旧密封圈在贮存温度下的老化速度常数K_c，反代入经验关系式[7]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变化规律；

1-ε’＝Aexp(-K_cτ^α) [7]

通过气密性功能试验，确定该橡胶密封圈失效时的受压方向截面回弹高度，计算得到该密封圈的失效临界值ε_c，将橡胶密封圈的失效临界值ε_c带入即可求出其剩余贮存寿命τ_c；

根据公式[8]计算橡胶密封圈的剩余贮存寿命；

${\mathrm{\τ}}_c=\exp \{\frac{1}{\mathrm{\α}}\ln \[\frac{1}{K_c}\left(\ln \frac{A}{1-{\mathrm{\ϵ}}_c}\right)\]\}---\[8\]$

其中，ε_c为橡胶密封圈的失效临界值；τ_c为剩余贮存寿命。