航天晨光股份有限公司研究院柔性管道技術(shù)中心 郭景星

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室溫硫化硅橡膠補(bǔ)償器的設(shè)計及工藝制造

航天晨光股份有限公司研究院柔性管道技術(shù)中心 郭景星

橡膠補(bǔ)償器具有耐腐蝕、減振性好、補(bǔ)償量大、承壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)，該文介紹了一種室溫硫化硅橡膠補(bǔ)償器的產(chǎn)品構(gòu)造、強(qiáng)度計算、制造成型和試驗方法。

橡膠補(bǔ)償器 復(fù)合材料 強(qiáng)度計算 工藝成型

橡膠補(bǔ)償器有耐腐蝕、減振性好、補(bǔ)償量大、承壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，市場需求量很大。航天晨光公司至今尚未生產(chǎn)過橡膠補(bǔ)償器產(chǎn)品，今年提出要彌補(bǔ)補(bǔ)償器產(chǎn)品系列中的不足之處，預(yù)研橡膠補(bǔ)償器新產(chǎn)品。筆者不禁回想起多年前曾在深圳研制過一件橡膠補(bǔ)償器，現(xiàn)整理相關(guān)資料經(jīng)驗與各位同仁相互切磋。

深圳沙頭角燃機(jī)電廠在某燃機(jī)啟動進(jìn)氣管道位置有一件橡膠補(bǔ)償器，因檢修拆裝時不慎刺破損壞，急需在10天的檢修周期內(nèi)趕制新品補(bǔ)充安裝。該產(chǎn)品尺寸為990×650×290（mm），工作介質(zhì)是增壓過濾的清潔空氣，工作內(nèi)壓不大于0.25 MPa，工作溫度小于120℃，產(chǎn)品工作壽命要大于3年。當(dāng)時公司承諾按時研制合格產(chǎn)品交付用戶，該產(chǎn)品的研制將面臨產(chǎn)品工作壓力比較高和研制周期非常短等難題。本文回顧了該產(chǎn)品的設(shè)計思路和研制過程，介紹室溫硫化硅橡膠補(bǔ)償器的設(shè)計及工藝技術(shù)。

1 產(chǎn)品研制方案

通常的非金屬纖維織物補(bǔ)償器工作壓力小于0.01 MPa，這件橡膠補(bǔ)償器工作壓力相對增大25倍，必須使用新型材料和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。橡膠補(bǔ)償器的承壓強(qiáng)度主要是由增強(qiáng)纖維或增強(qiáng)織物鋪層作為骨架材料來承擔(dān)，而有機(jī)高分子橡膠材料可視為復(fù)合材料產(chǎn)品的基體材料，層間鋪覆膠體的厚度比較薄，因其有高彈性，對復(fù)合材料構(gòu)件的強(qiáng)度貢獻(xiàn)可以暫且近似不計，產(chǎn)品的強(qiáng)度計算只以其骨架材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)設(shè)計計算。考慮到該產(chǎn)品制造周期的緊迫性，要盡量利用公司庫存的非金屬纖維織物補(bǔ)償器的主要原材料來研制完成橡膠補(bǔ)償器新產(chǎn)品，同時因為公司沒有高溫硫化罐（或是大尺寸高溫平板硫化機(jī)），臨時趕制或采購橡膠成型設(shè)備肯定時間來不及，橡膠材料只能考慮選用室溫硫化橡膠材料。最終研制方案是基體材料選用上海樹脂廠生產(chǎn)的106室溫硫化有機(jī)硅橡膠，工裝模具選用簡易薄鋼板成型內(nèi)模，橡膠制品骨架材料則選用1.2mm厚的浸膠玻纖布、0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布以及40目316不銹鋼絲網(wǎng)等。

106室溫硫化有機(jī)硅橡膠雖然強(qiáng)度性能低于高溫硫化的橡膠材料強(qiáng)度性能，但可不用高溫硫化機(jī)械設(shè)備和成型模具，僅用簡易薄鋼板內(nèi)模即可成型，這也可以大幅節(jié)省制造高溫硫化成型工裝模具花費(fèi)的時間。

為摸清上述選材的強(qiáng)度性能指標(biāo)，相關(guān)材料性能試驗樣件被送交深圳市技術(shù)質(zhì)量檢驗所檢測，獲取性能檢測報告；同時立即設(shè)計趕制室溫硫化產(chǎn)品成型簡易薄鋼板內(nèi)模及復(fù)合膠體試樣試壓夾具。

2 產(chǎn)品設(shè)計計算

2.1 橡膠補(bǔ)償器的耐壓強(qiáng)度計算公式[1]

式中，橡膠補(bǔ)償器的理論爆破壓力，MPa；單位長度簾線排列根數(shù)，根/cm；單根簾線最低張力，N/根；產(chǎn)品直徑，cm；簾布層數(shù)；骨架強(qiáng)力損失修正系數(shù)，一般取0.7～0.9；綜合修正系數(shù)，當(dāng)D≥50cm時，一般取0.9。

2.2 橡膠補(bǔ)償器的骨架材料設(shè)計鋪層計算

從深圳市質(zhì)檢所提供的材料性能檢測報告中可知：

1.2mm厚的浸膠玻纖布的單位長度最低張力F= 978 N /cm；

0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布的單位長度最低張力F= 368 N /cm；

計算骨架材料層數(shù)的公式：

又可知：骨架材料的單位長度最低張力，取F= F+ F1346 N /㎝，

取設(shè)計輸入壓力= 0.25 MPa；因直接引用深圳市質(zhì)檢所性能檢測報告實測數(shù)據(jù)，故取= 0.9；

按該產(chǎn)品周長換算成產(chǎn)品當(dāng)量直徑為：=99㎝，取= 0.9；

按公式⑵ 計算得到：= 2.27（層）。

意即本產(chǎn)品的骨架材料設(shè)計鋪層選擇各用3層1.2mm厚的浸膠玻纖布和0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布時可以滿足該產(chǎn)品工作壓力小于0.25MPa的設(shè)計使用要求。

按1= 3代入公式⑴得：

2.3 必須考慮該產(chǎn)品需要留些冗余安全壓力設(shè)計余量

可添加1層40目316不銹鋼絲網(wǎng)作為骨架材料，據(jù)經(jīng)驗可知，40目316不銹鋼絲網(wǎng)的單位長度最低張力≥300 N /cm，約能增加該產(chǎn)品承載0.025MPa的工作壓力；再考慮到室溫硫化有機(jī)硅橡膠的基體膠材抗拉強(qiáng)度，查表可知為4.5 MPa[1]，若橡膠層厚度約為5mm，相對于產(chǎn)品直徑=99cm的橡膠補(bǔ)償器，又可增加產(chǎn)品結(jié)構(gòu)承載0.045MPa的工作壓力值，綜合計算得到該產(chǎn)品實際設(shè)計工作壓力：

P= 0.33+0.025+0.045 = 0.4(MPa)。

P相比設(shè)計輸入壓力指標(biāo)留有60%的強(qiáng)度余量，這說明該產(chǎn)品設(shè)計還是比較可靠的。

2.4 最終的設(shè)計方案

該橡膠補(bǔ)償器產(chǎn)品使用3層1.2mm厚的浸膠玻纖布和3層0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布，再加用1層40目316不銹鋼絲網(wǎng)作為骨架材料，使用106室溫硫化有機(jī)硅橡膠為基體膠材，總膠層工藝成型厚度約為5mm，加上骨架材料厚度，整體產(chǎn)品厚度約為10mm。

3 產(chǎn)品工藝研制

3.1 產(chǎn)品圖紙（見圖1）

圖1 燃機(jī)啟動管道橡膠補(bǔ)償器產(chǎn)品設(shè)計圖

3.2 預(yù)裝產(chǎn)品成型簡易薄鋼板內(nèi)模

將2.0mm厚的A3薄鋼板按圖2加工成兩塊模板，再彎曲組裝成圓筒狀，兩端用M8×30螺栓緊固。

圖2 簡易薄鋼板成型內(nèi)模設(shè)計圖

3.3 裁剪增強(qiáng)纖維織物鋪層的骨架材料

將1.2mm厚的浸膠玻纖布裁剪成9300mm×340mm的一長條布帶；同時將0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布也裁成6500mm ×340mm和3500mm×340mm的兩塊長條布帶；另將1層40目316不銹鋼絲網(wǎng)裁成3100mm×320mm的長條。放入電烘箱中加熱烘干去濕，取出晾干備用。

3.4 配膠

將106室溫硫化有機(jī)硅橡膠的甲、乙、丙各組分按規(guī)定的比例稱量出3700克膠體，攪拌均勻。

3.5 鋪覆成型

圖3 橡膠補(bǔ)償器圈帶產(chǎn)品成型后的相片

在組裝好的產(chǎn)品成型簡易薄鋼板內(nèi)模表面上鋪覆一層PP塑料薄膜做脫模層；將攪拌配好的106室溫硫化有機(jī)硅橡膠混合膠體均勻涂覆于成型內(nèi)模表面上，晾干數(shù)小時；將裁剪好的增強(qiáng)纖維織物鋪層均勻刮涂上混合膠體，立即平整鋪覆在成型內(nèi)模表面上連續(xù)纏緊；先纏一層厚為0.2㎜的雙面浸膠玻纖布，再將1.2㎜厚的浸膠玻纖布連續(xù)纏滿三層并夾纏一層40目316不銹鋼絲網(wǎng)，再連續(xù)纏滿二層0.2㎜厚的雙面浸膠玻纖布；全過程一直用刮板趕凈膠體層間氣泡；最后將剩余硅橡膠混合膠體均勻涂覆產(chǎn)品外層；并在外表面上包覆一層PP塑料薄膜做脫模層，再包覆二層厚紙板；然后用腈綸長繩用力纏繞扎緊，施加一定的接觸壓力，使產(chǎn)品能夠致密硫化成型。

3.6 室溫硫化

為保證該產(chǎn)品能夠具有較好的強(qiáng)度性能，圈帶施工成型后靜置工房內(nèi)，確保室溫硫化時間大于工藝規(guī)定時間。

3.7 脫模修整

產(chǎn)品達(dá)到室溫硫化時間要求后，將產(chǎn)品外層腈綸長繩拆解，剝離厚紙板及PP塑料薄膜，拆卸成型內(nèi)模的連接螺栓，拆除成型簡易薄鋼板內(nèi)模，將產(chǎn)品小心脫模；再配制190克106室溫硫化有機(jī)硅橡膠，修補(bǔ)橡膠補(bǔ)償器產(chǎn)品的內(nèi)外表面氣泡缺陷和產(chǎn)品表面凸凹不平缺膠之處，待室溫硫化若干小時后再進(jìn)行總成裝配。

3.8 裝配成品

對硅橡膠圈帶產(chǎn)品進(jìn)行尺寸和外觀檢驗，符合圖紙要求后，將鋼法蘭分別裝入橡膠補(bǔ)償器產(chǎn)品兩端，裝夾壓板后，用電鉆配打螺栓孔，安裝M12×50不銹鋼螺栓；裝配完成后，用裁刀整齊切去法蘭兩端外側(cè)多余的橡膠圈帶廢邊；再用水壓機(jī)將橡膠補(bǔ)償器產(chǎn)品預(yù)壓縮至安裝尺寸，加裝定位扁拉桿。

3.9 檢驗及試驗

將橡膠補(bǔ)償器總成產(chǎn)品交與檢驗，并對按同種工藝同時生產(chǎn)的材料結(jié)構(gòu)性能同期產(chǎn)品試樣進(jìn)行氣壓試驗，將產(chǎn)品試樣裝配上試驗夾具夾緊，用氣泵加壓至0.3 MPa，保壓30分鐘，用肥皂水檢查無明顯逸出氣泡和泄漏點(diǎn)，合格交付。

4 結(jié)論

這件室溫硫化有機(jī)硅橡膠補(bǔ)償器，依據(jù)相關(guān)專業(yè)經(jīng)驗，從現(xiàn)場勘測原產(chǎn)品尺寸、初步策劃設(shè)計方案、前期趕制材料性能試驗樣件、檢測材料性能指標(biāo)、確定產(chǎn)品設(shè)計圖紙、設(shè)計趕制產(chǎn)品成型簡易鋼板內(nèi)模、設(shè)計趕制膠體試樣內(nèi)壓試驗夾具，到完成產(chǎn)品研制樣件、完成產(chǎn)品檢驗及試驗、合格交付產(chǎn)品到用戶現(xiàn)場，幫助用戶解決了燃眉之急，按時保質(zhì)地滿足了用戶需求。本產(chǎn)品使用了8年多至今仍然完好無損。這也充分證明該橡膠補(bǔ)償器產(chǎn)品的設(shè)計方法正確、安全余量充足、制造工藝適用、研制效率快捷，充分實現(xiàn)了又快又省的要求，為今后技術(shù)研究工作積累了寶貴經(jīng)驗。

[1] 呂百齡. 實用橡膠手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.

[2] 錢知勉. 塑料性能應(yīng)用手冊[M]. 上海:上海科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社, 1980.