一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法技术

本发明专利技术涉及一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法，本方法设计效率高，验证结果可靠，从橡胶密封结构的设计到寿命验证的完整设计流程，能直接指导长寿命橡胶密封结构设计

【技术实现步骤摘要】
一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法


[0001]本专利技术涉及一种橡胶密封结构的长寿命设计与验证方法，适用于对密封寿命可靠性要求较高的载人航天器结构
。

技术介绍

[0002]密封结构是载人航天器不可或缺的结构形式，除了其它航天器主结构所起到的构型
、
承载
、
设备安装等基本功能外，最重要的功能是保证舱体结构的密封性能，是确保航天员在舱内活动安全的首要因素
。
橡胶是一种高分子聚合物，具有高弹性的特点，由其制成的橡胶密封件可用于各种不同的场合
。
采用橡胶密封件进行密封的结构一般称之为橡胶密封结构，它具有安装便利
、
稳定可靠
、
可设计性强的优点，在载人航天器密封结构中普遍采用
。
随着航天技术的发展，各种性能不同的密封材料越来越多，形状各异的密封接口也越来越多，密封件使用状态更为复杂
。
一套完整
、
有效的橡胶密封结构的长寿命设计与验证方法将加快设计效率
、
提高密封设计的可靠性
。
[0003]专利
CN201020620752.5“一种舱门密封结构”提供了一种飞机舱门密封结构，含有舱门体和舱门框，在舱门体的近边缘内侧镶嵌有带连接座的截面为中空圆形的弹性密封带，在舱门框的对应边上固定有截面为
T
型的刚性密封凸条
。
该专利可指导特定密封结构的设计，无法对寿命进行评估
>。
[0004]文献“加速老化试验方法评估典型橡胶密封材料贮存寿命的准确性研究”(《
航天器环境工程
》2014
年第
31
卷第3期，作者：周鑫等
)
根据密封结构产品延寿工程需求，基于密封橡胶材料的加速老化试验数据，外推计算其在贮存温度下性能退化至设定值所需的老化时间，并与实际自然老化数据相比较来评价加速老化试验评估橡胶密封材料贮存寿命的准确性
。
[0005]文献“不同温
、
湿度条件下硅橡胶密封圈贮存寿命研究”(《
海军航空工程学院学报
》2009
年第
24
卷第2期，作者：林总君等
)
过对硅橡胶密封圈的加速老化试验，建立了该密封圈材料在贮存温度下的压缩永久变形和时间的关系，预测了硅橡胶密封材料的贮存寿命，研究了温度对硅橡胶密封圈贮存寿命的影响规律
。
[0006]现有公开的文献只研究了橡胶材料级的寿命评估，但材料级寿命不能等效于产品的寿命，不能直接指导长寿命橡胶密封结构设计；已经公开的关于密封件设计与仿真分析部分的文献只能分析产品的使用初期状态，也没有对寿命末期密封件受力情况进行量化分析；均未查到关于系统描述橡胶密封结构的长寿命设计与验证方法的内容
。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种橡胶密封结构长寿命设计与验证方法，该方法设计效率高，验证结果可靠，从橡胶密封结构的设计到寿命验证的完整设计流程，能直接指导长寿命橡胶密封结构设计
。
[0008]本专利技术的技术解决途径是先针对密封结构的使用特点进行分析，分解出对橡胶密
封件的使用要求和主要技术参数，随后开展橡胶材料的选型和相关参数的测试，并开展材料级老化试验，对材料寿命进行初步评估
。
确定橡胶材料后，对橡胶密封件截面进行设计，结合材料老化测试数据，用有限元软件对密封件末期使用时的力学参数进行分析计算，确保满足使用要求
。
最后选取寿命影响关键要素
、
开展典型试件的寿命试验，对密封结构的寿命和可靠性进行定量评估
。
[0009]具体技术方案如下：
[0010]一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法，包括：
[0011]1)
设计橡胶密封结构的接口
、
设计寿命和设计漏率；
[0012]2)
橡胶密封材料初步选型；
[0013]3)
高温和机械应力共同加速老化评估橡胶密封材料的寿命，根据评估结果调整材料选型直到满足使用寿命要求；
[0014]4)
密封压缩设计，包括密封件截面形式选择
、
截面尺寸设计和压缩量设计；根据初步选择的截面形式和截面尺寸，对橡胶密封结构使用过程中的密封参数进行仿真，得到不同压缩量下密封件寿命末期的参数，调整截面尺寸或压缩量，直至末期参数满足要求为止；
[0015]5)
采用加速老化的方式对密封结构进行寿命试验，若漏率不满足要求，重新设计截面尺寸和压缩量直到达标
。
[0016]进一步的，设计橡胶密封结构的接口具体指通过密封法兰与被密封部位的相对位置关系和运动关系得到密封槽位置以及密封件的安装位置
。
[0017]进一步的，对于密封法兰和被密封部位处于相对静止状态的静密封结构，密封接触面与密封法兰面平行；对于密封法兰和被密封部位处于相对旋转运动的动密封结构，密封接触面与旋转轴线平行
。
[0018]进一步的，橡胶密封结构的设计寿命为2倍安全系数的橡胶密封结构的使用寿命；使用寿命是必须达到的标准，设计寿命在设计时一定要大于使用寿命，这样，才能保证密封结构设计的可靠性
。
[0019]进一步的，橡胶密封结构的设计漏率为5倍安全系数的橡胶密封结构的泄漏量要求
。
[0020]进一步的，橡胶密封材料的初步选型需要同时满足以下条件：第一，根据被密封介质特点选择橡胶材料种类；第二，选择的橡胶材料使用温度范围需满足以下要求：材料的最高使用温度要比密封结构实际工作时的温度高3倍以上，材料的最低使用温度要比密封结构实际工作时的温度低
15℃
；第三，材料的邵氏硬度在
55
～
85
之间；第四，材料对泄漏介质的透气率不大于
0.1cm3/Pa.m2.d
；第五，
200℃
下持续
24
小时的材料高温压缩永久变形不大于
35
％；第六，有载人活动要求的密封结构，释出
CO
不超过
10
μ
g/g。
[0021]进一步的，
3)
中加速老化试验中的温度点选择三个以上，最高温不超过材料的最高耐受温度，温度点之间的间隔大于
20℃
，每个温度点的老化时间为几天不等；施加的机械应力载荷将试样压缩
30
％；在加速老化试验时还可以加上湿度环境
。
[0022]进一步的，对不同老化温度和不同老化时间的试样开展高温压缩永久变形测试，测试数据包括高温压缩永久变形数据和应力
‑
应变参数
。
[0023]进一步的，结合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法，其特征在于：
1)
设计橡胶密封结构的接口
、
设计寿命和设计漏率；
2)
橡胶密封材料初步选型；
3)
高温和机械应力共同加速老化评估橡胶密封材料的寿命，根据评估结果调整材料选型直到满足使用寿命要求；
4)
密封压缩设计，包括密封件截面形式选择
、
截面尺寸设计和压缩量设计；根据初步选择的截面形式和截面尺寸，对橡胶密封结构使用过程中的密封参数进行仿真，得到不同压缩量下密封件寿命末期的参数，调整截面尺寸或压缩量，直至末期参数满足要求为止；
5)
采用加速老化的方式对密封结构进行寿命试验，若漏率不满足要求，重新设计截面尺寸和压缩量直到达标
。2.
根据权利要求1所述的一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法，其特征在于：设计橡胶密封结构的接口具体指通过密封法兰与被密封部位的相对位置关系和运动关系得到密封槽位置以及密封件的安装位置
。3.
根据权利要求2所述的一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法，其特征在于：对于密封法兰和被密封部位处于相对静止状态的静密封结构，密封接触面与密封法兰面平行；对于密封法兰和被密封部位处于相对旋转运动的动密封结构，密封接触面与旋转轴线平行
。4.
根据权利要求1或3所述的一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法，其特征在于：橡胶密封结构的设计寿命为2倍安全系数的橡胶密封结构的使用寿命；橡胶密封结构的设计漏率为5倍安全系数的橡胶密封结构的泄漏量要求
。5.
根据权利要求1所述的一种可验证使用寿命的长寿命橡胶密封结构设计方法，其特征在于：橡胶密封材料的初步选型需要同时满足以下条件：第一，根据被密封介质特点选择橡胶材料种类；第二，选择的橡胶材料使用温度范围需满足以下要求：材料的最高使用温度要比密封结构实际工作时的温度高3倍以上，材料的最低使用温度要比密封结构实际工作时的温度低
15℃
；第三，材料的邵氏硬度在
55
～
85
之间；第四，材料对泄漏介质的透气率不大于
0.1cm3/Pa.m2.d

【专利技术属性】
技术研发人员：常洁，陈同祥，施丽铭，许焕宾，陈燕，张琳，周志勇，臧晓云，李小琪，余晨帆，梁东平，柴洪友，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：