張凱，周堃，何建新

（中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039）

橡膠密封圈由于具有良好的密封特性，在彈藥武器裝備密封結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)密封性能的好壞將直接影響發(fā)射裝藥、推進劑以及電子元器件的正常作用[1-2]。常用作橡膠密封圈的材料有硅橡膠、氟橡膠、丁腈橡膠以及天然橡膠等，這些材料在環(huán)境的長期作用下會發(fā)生緩慢的物理化學(xué)性能和力學(xué)性能退化，致使橡膠密封圈失去密封能力，是限制彈藥貯存壽命的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)之一[3-6]。掌握彈藥用橡膠密封圈在隨彈貯存一段時間后的剩余貯存壽命，對于彈藥武器裝備的維修保養(yǎng)和戰(zhàn)斗力保持具有十分重要的意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于橡膠密封圈的壽命評估方法主要為動力學(xué)曲線直線化法[7-12]，該方法依據(jù)橡膠密封圈在不同加速老化溫度下性能參數(shù)P的試驗數(shù)據(jù)（如壓縮永久變形或壓縮應(yīng)力松弛），可以建立不同溫度下橡膠密封圈的性能P和時間τ之間的關(guān)系，并得到其老化速度常數(shù)K與溫度T之間的計算方程。通過對這個方程進行外推，可以計算出橡膠密封圈在貯存溫度下的老化速度常數(shù)。如果確定了橡膠密封圈在時效時對應(yīng)的性能參數(shù)量值，就可以計算出橡膠密封圈的壽命。這種方法只能用于評估新橡膠密封圈的壽命，對于已裝配到彈上并隨彈貯存一段時間后，已發(fā)生一定程度性能退化的舊橡膠密封圈，則不能利用該方法評估其剩余貯存壽命。

文中在動力學(xué)曲線直線化方法的基礎(chǔ)上，對其適用范圍進行外推、拓展，得出了一種相比原方法適用性更廣的橡膠密封圈貯存壽命評估方法，可用于評估已隨彈貯存一定年限的舊橡膠密封圈的剩余貯存壽命。

1 方法原理

以壓縮永久變形ε作為橡膠密封圈的性能參數(shù)，假設(shè)某橡膠密封圈已隨彈貯存了τ0時間，則該密封圈在受壓方向的壓縮永久變形0τε可用式（1）計算：

式中：D0為橡膠密封圈在裝配前受壓方向上的原始截面高度；D1為橡膠密封圈在彈上的實際壓縮高度；D2為拆解下橡膠密封圈受壓方向上的截面回彈高度。

利用拆解出的舊橡膠密封圈進一步開展加速老化試驗，則該舊橡膠密封圈在加速老化試驗過程中，某一檢測周期的總壓縮永久變形ε為：式中：D2′為橡膠密封圈在加速老化試驗過程中某一檢測周期受壓方向上的截面回彈高度。

總壓縮永久變形包括隨彈貯存0τ時間后已產(chǎn)生的壓縮永久變形0τε和在加速老化試驗過程中產(chǎn)生的壓縮永久變形ε′，即：

經(jīng)數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出舊橡膠密封圈在加速老化試驗期間產(chǎn)生的壓縮永久變形ε′為：

從式（4）中可以看出：當(dāng)0τε=0時，D0=D2，該式即退化為傳統(tǒng)的壓縮永久變形計算表達式，表征新橡膠密封圈在加速老化試驗中老化一段時間后發(fā)生的壓縮永久變形；當(dāng)0＜0τε＜1時，該式則表征已有壓縮永久變形的舊橡膠密封圈在加速老化試驗過程中老化一段時間后產(chǎn)生的壓縮永久變形。

根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系式（5）建立舊橡膠密封圈在加速老化試驗中，不同老化溫度下的壓縮永久變形ε′與老化時間τ之間的關(guān)系式，進而得出舊橡膠密封圈在各溫度下的老化速度常數(shù)K。

根據(jù)Arrhenius方程（6）推算出舊密封圈在貯存溫度下的老化速度常數(shù) Kc，反代入經(jīng)驗關(guān)系式就可以確定橡膠密封圈隨彈貯存τ0時間后，在之后隨彈貯存過程中的壓縮永久變形隨時間的變化規(guī)律：

得到橡膠密封圈在貯存溫度下的性能隨時間的變化規(guī)律后，將橡膠密封圈的失效臨界值εc帶入即可求出其剩余貯存壽命 τc，如式（8）所示。失效臨界值εc可根據(jù)密封功能性試驗結(jié)果，按式（4）進行計算，此時的 D2′表示橡膠密封圈出現(xiàn)密封失效時受壓方向的截面回彈高度。

2 實例分析

2.1 已有壓縮永久變形分析

以用于某型已貯存10年彈藥上的橡膠密封圈為例，對該密封圈剩余貯存壽命評估方法進行進一步闡明。

通過對該型橡膠密封圈的原始尺寸、拆解后受壓方向截面回彈高度及其在彈上的裝配結(jié)構(gòu)、尺寸進行測量和分析，明確了其原始截面直徑D0=2.5 mm，在彈上的壓縮高度D1=1.7 mm，拆解后受壓方向的截面回彈高度D2=2.163 mm。通過式（1）可得出該橡膠密封圈在隨彈貯存10年后，已產(chǎn)生的壓縮永久變形ε10為 0.421。

2.2 加速老化試驗及數(shù)據(jù)處理

以拆解出的該橡膠密封圈為對象，在不改變老化機理的前提下，選擇 70，80，90，100 ℃等 4個溫度點繼續(xù)開展模擬其在彈上實際貯存狀態(tài)的加速老化試驗。每個試驗溫度下設(shè)置3個平行樣，以各平行樣受壓方向截面回彈高度的平均值作為待分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，見表1。

表1 橡膠密封圈受壓方向截面回彈高度

按照式（4）可計算該舊橡膠密封圈在加速老化過程中所產(chǎn)生的壓縮永久變形，結(jié)果見表2。

表2 橡膠密封圈壓縮永久變形計算結(jié)果

2.3 剩余貯存壽命評估

利用經(jīng)驗公式(5)對上述各老化溫度下的壓縮永久變形數(shù)據(jù)進行回歸分析，結(jié)果見圖1和表3。

表3 橡膠密封圈在不同老化溫度下的性能退化方程

圖1 橡膠密封圈在不同老化溫度下的性能退化曲線

利用Arrhenius方程對上述各溫度下的老化速度常數(shù)進行回歸分析，結(jié)果如式（9）所示：

按照式（9）可外推計 95%置信度下，該橡膠密封圈在隨彈貯存溫度為25 ℃下的老化速度常數(shù)的均值和上限值分別為0.0382和0.1406。以25 ℃老化速率常數(shù)的均值計算結(jié)果為依據(jù)，反代入經(jīng)驗公式（5）即可獲得該橡膠密封圈在隨彈貯存10年后，在隨后的貯存時間內(nèi)壓縮永久變形隨時間的變化方程為：

通過氣密性功能試驗，確定該橡膠密封圈失效時受壓方向上的截面回彈高度為 1.49 mm，按式（4）計算得到該密封圈的失效臨界值εc=0.894。將其反代入式（10），根據(jù)式（8）可計算出橡膠密封圈在25 ℃下的剩余貯存壽命為3.8年。

3 結(jié)語

在現(xiàn)有橡膠密封材料壽命評估方法的基礎(chǔ)上，建立了一種可用于已隨彈貯存一定年限的舊橡膠密封圈的剩余貯存壽命評估新方法，彌補了現(xiàn)有橡膠密封材料壽命評估方法的不足。通過實例分析，驗證了所建立新方法的有效性，可為現(xiàn)役彈藥的維修保養(yǎng)和二次定壽、延壽等提供支撐。

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