余勃彪，宋太亮，王琴琴

（1.裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京 100072；2.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，武漢 430033；3.中國國防科技信息中心，北京 100142；4.72726部隊，濟南 250023）

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彈用O型硅橡膠密封圈失效機理及模型

余勃彪1,2，宋太亮3，王琴琴4

（1.裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京 100072；2.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，武漢 430033；3.中國國防科技信息中心，北京 100142；4.72726部隊，濟南 250023）

目的 利用日常收集到的使用數(shù)據(jù)來判斷密封圈壽命，為預(yù)測彈藥壽命提供依據(jù)。方法 分析O型圈故障模式，引入了故障率經(jīng)驗公式。規(guī)范化O型密封圈的故障率公式，導(dǎo)出綜合考慮了密封圈尺寸、接觸應(yīng)力與密封圈硬度、流體黏度、溫度的密封圈故障率模型，并用算例驗證這一模型的有效性。結(jié)果 O形硅膠密封圈的主要故障模式是泄漏，導(dǎo)出了綜合考慮各因素后的密封圈故障率模型，并用該模型準(zhǔn)確算出了某彈藥的壽命。結(jié)論 文中導(dǎo)出的故障率模型對于在彈藥保障工作中評估某些種類彈藥儲存期限有借鑒意義。

O型密封圈；失效機理；彈藥

新型彈藥廣泛使用O型硅橡膠密封圈。O形密封圈是具有圓盤狀橫截面，呈環(huán)狀的機械墊圈，它壓縮于兩個零件之間，在界面處形成密封，主要阻止外部潮濕、含鹽空氣進入彈藥內(nèi)部。根據(jù)工作界面有無相對運動可將其分為靜態(tài)密封圈和動態(tài)密封圈。彈藥上使用的密封圈大都屬于靜態(tài)密封件。由于O型密封圈材料特點，在貯存和使用過程中受到溫度、壓力等外部應(yīng)力作用，會出現(xiàn)變形、擠出、磨損等失效，進而導(dǎo)致彈藥失效［1—4］。在某些類型彈藥中，O型密封圈是整發(fā)彈藥貯存壽命的薄弱環(huán)節(jié)，國內(nèi)采用加速老化試驗來預(yù)測其壽命［5—11］，還建立了接觸應(yīng)力與剪切應(yīng)力模型及其失效判據(jù)［12—13］。

文中在分析O型密封圈故障模式后，從靜態(tài)密封圈故障率是在使用條件下實際泄漏量和允許泄漏量的函數(shù)這一前提出發(fā)，引入故障率經(jīng)驗公式，考慮到密封件尺寸、接觸應(yīng)力與密封件硬度、流體黏度、溫度等因素之后，導(dǎo)出密封圈故障率模型。使用實際收集到的數(shù)據(jù)即可計算密封圈的故障率。

1　O型密封圈的故障模式

1.1問題描述

O形硅膠密封圈材料會遇到高低溫、化學(xué)侵蝕、振動、磨蝕和位移等外部因素影響，其主要故障模式是泄漏。一個O型密封圈的完整性取決于流體與密封組件的相容性、密封環(huán)境的狀況和在應(yīng)用時所施加的載荷。表1列出了密封圈泄漏的典型故障機理及其故障原因。

靜態(tài)密封圈的故障率是使用條件下實際泄漏量和允許泄漏量的函數(shù)，當(dāng)泄漏速率達到某一預(yù)定的門限值時就要發(fā)生故障。根據(jù)經(jīng)驗導(dǎo)出的密封圈故障率表示為：

式中：λSE為考慮工作環(huán)境的故障率，故障數(shù)/（10-6h）；λSE，B是由于隨機切割、安裝誤差等引起的基本故障率（基于外場經(jīng)驗數(shù)據(jù)），故障數(shù)/（10-6h）；Qa為實際泄漏率，m3/s；Qf為使用條件下允許的泄漏率，m3/s。

允許的泄漏率Qf由設(shè)計圖、設(shè)計規(guī)范或密封表組件的應(yīng)用情況決定，密封圈的實際泄漏率Qa由繞兩個密封曲面層流流動的標(biāo)準(zhǔn)方程決定［14］：

1　密封圈典型故障機理及其原因Table 1　Typical failure mechanisms and causes for seal ring

式中：P1為系統(tǒng)壓力，Pa；P2為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓壓力，Pa；av為絕對流體黏度，Pa·s；ri為環(huán)形界面的內(nèi)半徑，m；ro為環(huán)形界面的外半徑，m；H為傳導(dǎo)參數(shù)，m。

傳導(dǎo)參數(shù)H取決于兩個密封件的接觸應(yīng)力、較軟材料的硬度和較硬材料的表面粗糙度。首先，計算接觸應(yīng)力（載荷/面積）和接觸應(yīng)力與較軟界面材料的麥?zhǔn)希∕eyer）硬度之比，然后決定較硬材料的表面粗糙度。

傳導(dǎo)參數(shù)H根據(jù)經(jīng)驗公式計算：

式中：M為橡膠與彈性材料的麥?zhǔn)嫌捕龋ɑ驐钍夏Ａ浚琍a；C為接觸應(yīng)力，Pa；Ra為表面粗糙度，m。

表面粗糙度會因部分因素的影響而隨時間以一定的速率變差，這些因素包括：密封件的退化、污染物磨損系數(shù)、每立方米污染物粒子數(shù)、流量率、受壓情況下密封件接觸到污染物的時間比率、運行溫度。

基于性能要求，污染物磨損系數(shù)對于密封圈是個固有的敏感性因素。組合并簡化各項，可得到O型密封圈的故障率公式：

式中：K為由經(jīng)驗導(dǎo)出的常數(shù)。

2　O型密封圈的故障率模型

式（3）用起來并不方便，為使部隊日常維護數(shù)據(jù)能夠用來計算密封圈的故障率，有必要將公式規(guī)范化。綜合考慮實際使用環(huán)境，可導(dǎo)出計算故障率的模型：

式中：λSE為密封圈的故障率，故障數(shù)/（10-6h）；λSE，B為密封圈的基本故障率，故障數(shù)/（10-6h）；CDL為計及密封圈尺寸對基本故障率的影響的倍增因子；CH為計及接觸應(yīng)力與密封圈硬度對基本故障率的影響的倍增因子；CV為計及流體黏度對基本故障率的影響的倍增因子；CT為計及溫度對基本故障率的影響的倍增因子

2.1密封圈基本故障率

密封圈基本故障率由性能數(shù)據(jù)決定，其中包含了對可靠性只有較小影響的設(shè)計參數(shù)。

2.2密封圈尺寸

密封圈尺寸中存在兩個測量尺寸，分別為內(nèi)徑ri與外徑ro。尺寸越大，需要密封的端面面積越大，受到的影響就越大。圖1給出了密封件尺寸對可靠度的影響。

圖1　密封圈直徑倍增因子Fig.1　Multiplying factor of diameter of seal ring

2.2傳導(dǎo)參數(shù)

有三個因素構(gòu)成了傳導(dǎo)參數(shù)：較軟材料的硬度、密封界面的接觸應(yīng)力、較硬材料的表面粗糙度。圖2給出了基于麥?zhǔn)嫌捕群徒佑|壓力的傳導(dǎo)參數(shù)倍增因子。

圖2　材料硬度/接觸應(yīng)力倍增因子Fig.2　Multiplying factor of material hardness/contact pressure

2.3流體黏度

流體的黏度更多地決定于溫度，其次是決定于壓力。例如，當(dāng)空氣壓力從1個大氣壓增加到50個大氣壓時，其黏度僅增加了大約10%。液體的黏度隨溫度的升高而降低，而氣體的黏度隨溫度的升高而增加。表2給出了流體黏度對密封圈影響的倍增因子。

表2　典型流體的黏度/溫度倍增因子Table 2　Multiplying factor of viscosity/temperature of typical fluids

2.4工作溫度

工作溫度對于橡膠密封圈的老化過程具有一定的影響。溫度升高到超過可接受溫度極限，會顯著地改變密封圈的原有特性，從而出現(xiàn)硬化、易碎、彈性喪失、破裂和過度磨損等現(xiàn)象。以TR表示橡膠密封圈最高允許使用溫度，TO表示密封圈實際使用溫度，圖3給出了對應(yīng)的溫度倍增因子［15］。

圖3　溫度倍增因子Fig.3　Multiplying factor of temperature

3　算例

某特種彈藥使用O型硅橡膠密封圈進行殼體密封，訓(xùn)練使用中發(fā)現(xiàn)密封圈的失效是引起該彈藥失效的主要原因［16］。根據(jù)串聯(lián)模型和短板理論，密封圈處于最薄弱環(huán)節(jié)，其失效率可視為該彈藥的失效率。該密封圈的基本故障率為28.5個/（10-6h），工作介質(zhì)為空氣，外徑為84.75 mm，內(nèi)徑為80.55 mm，彈藥殼體麥?zhǔn)嫌捕?接觸壓力為0.28，最高工作溫度為230℃，實際使用溫度為25℃。

據(jù)此查表各參數(shù)取值，并代入模型，可得λSE/=15.0個/（10-6h），折算為每7.6年發(fā)生1個故障。根據(jù)串聯(lián)模型原理，以密封圈的故障率代替彈藥的故障率，則該彈藥的壽命為7.6年。

4　結(jié)語

對于彈用O型硅橡膠密封圈失效會帶來彈藥失效的情形，運用部隊實際使用數(shù)據(jù)來計算密封圈的故障率對于彈藥貯存壽命具有現(xiàn)實意義。文中導(dǎo)出的故障率模型考慮到彈藥所用密封圈尺寸、彈藥部件接觸應(yīng)力與密封圈硬度、流體黏度、使用溫度等影響因素，對于在彈藥保障工作中評估某些種類彈藥儲存期限有借鑒意義。

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Failure Mechanism and Model of O-type Silicon Rubber Sealing Ring for Ammunition

YU Bo-biao1，2，SONG Tai-liang3，WANG Qin-qin4
（1.Department of Technical Support Engineering，Armored Force Engineering Institute，Beijing 100072，China；2.Department of Weaponry Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China；3.China Defense Science Technology Information Center，Beijing 100042，China；4.Troop No.72726 of PLA，Jinan 250023，China）

Objective To estimate the service life of O-ring with the daily operational data collected so as to provide a basis of the prediction for the service life of ammunition.Methods After analyzing the failure model of O-ring，the empirical equation of failure rate was introduced.Failure rate equation was normalized.At last，the failure rate model of sealing ring was educed by comprehensively considering sealing ring size，contact stress and hardness，fluid viscosity and temperature.Its validity was proven by examples.Results Leakage was the main failure mode of O-type silicone rubber sealing rings.The sealing ring failure rate model was educed after comprehensively considering all the possible factors and the service life of some ammunition was accurately calculated with such model.Conclusion This failure rate model can provide reference for the evaluation of the storage life of certain kinds of ammunition in the ammunition security work.

O-ring；failure mechanism；ammunition

2015-03-23；Revised：2016-04-15

SONG Tai-liang(1962—),Male,from J ining,Shandong,Doctor,Doctoral hierophant,Research focus:supportability engineering,equipment integrated support.

10.7643/issn.1672-9242.2016.04.021

TJ03；TB42

A

1672-9242（2016）04-0131-05

2015-03-23；

2016-04-15

余勃彪（1979—），男，湖南平江人，博士，主要研究方向為彈藥工程、裝備綜合保障。

Biography：YU Bo-biao(1979—),Male,from Pingjiang,Hunan,Doctor,Research focus:ammunition engineering,equipment integrated support.

宋太亮（1962—），男，山東濟寧人，博士，博導(dǎo)，主要研究方向為保障性工程，裝備綜合保障。