摘 要:某發(fā)射筒端蓋在周轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)密封失效,通過(guò)理化檢驗(yàn)和失效模擬試驗(yàn)等方法,對(duì)該 端蓋密封失效的原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:端蓋外表面在周轉(zhuǎn)過(guò)程中受到機(jī)械外力作用產(chǎn)生了 裂紋,裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致泄漏失效;將包裝箱內(nèi)緩沖材料厚度適當(dāng)增加,使發(fā)射筒與緩沖材料的間 隙小于１mm,可有效避免此類(lèi)失效的發(fā)生.
關(guān)鍵詞:發(fā)射筒端蓋;裂紋;密封性;機(jī)械失效
中圖分類(lèi)號(hào):TB２３３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１９)１０Ｇ０７３０Ｇ０３
某發(fā)射筒端蓋在周轉(zhuǎn)過(guò)程中檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)筒內(nèi)壓力 降為０kPa(其正常值應(yīng)大于０kPa),出現(xiàn)密封失 效.端蓋周轉(zhuǎn)過(guò)程經(jīng)歷了溫度變化和長(zhǎng)途運(yùn)輸,其 成型工藝為模塑料熱壓成型,設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)大于周轉(zhuǎn) 期.為查明該端蓋密封失效的原因,筆者對(duì)其進(jìn)行 了檢驗(yàn)和分析.
１ 理化檢驗(yàn)
１．１ 泄漏檢測(cè)
端蓋安裝在筒端,與筒之間依靠密封條密封. 為查明泄漏位置,向筒內(nèi)充氮?dú)庵粒保発Pa(壓力傳 感器測(cè)量值),在端蓋和接口處涂抹肥皂水,結(jié)果發(fā) 現(xiàn)僅端蓋表面有氣泡產(chǎn)生.泄壓后更換一只新端蓋,再次進(jìn)行檢漏,結(jié)果均無(wú)氣泡產(chǎn)生,且放置２４h 后無(wú)明顯壓降.由此斷定原端蓋出現(xiàn)密封失效.
１．２ 宏觀檢驗(yàn)
使用放大鏡檢查失效端蓋的表面,并與未進(jìn)行 周轉(zhuǎn)的端蓋對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在該失效端蓋外表面圓弧過(guò) 渡處出現(xiàn)不連續(xù)裂紋,而內(nèi)表面未發(fā)現(xiàn)任何裂紋, 見(jiàn)圖１.
１．３ 浸水氣密試驗(yàn)
將該端蓋安裝在氣密工裝上進(jìn)行浸水氣密試 驗(yàn),向工裝內(nèi)充壓縮空氣至１０kPa(與周轉(zhuǎn)過(guò)程所 受壓力相同),結(jié)果發(fā)現(xiàn)外表面圓弧過(guò)渡處出現(xiàn)氣 泡,見(jiàn)圖２.壓力使裂紋寬度增加,但長(zhǎng)度未擴(kuò)展. 試驗(yàn)進(jìn)行５h,僅在裂紋處出現(xiàn)氣泡,而無(wú)裂紋處無(wú) 氣泡產(chǎn)生.
２ 失效分析與討論
端蓋表面有裂紋,而浸水氣密試驗(yàn)表明僅裂紋 處氣體泄漏,說(shuō)明端蓋密封失效原因直接來(lái)源于裂 紋,非金屬 失 效 主 要 有 老 化 失 效 和 機(jī) 械 失 效 兩 種 形式[１].
２．１ 老化失效
對(duì)端蓋與發(fā)射筒其他部分進(jìn)行全狀態(tài)全要素加 速壽命模擬試驗(yàn),結(jié)果均合格.端蓋經(jīng)歷多批次交 付與使用,未發(fā)現(xiàn)密封失效現(xiàn)象,而周轉(zhuǎn)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于 設(shè)計(jì)壽命,說(shuō)明端蓋在設(shè)計(jì)和制造工藝方面不存在 問(wèn)題.復(fù)查密封失效端蓋生產(chǎn)過(guò)程,也未發(fā)現(xiàn)不符 合設(shè)計(jì)和制造工藝的情況.
端蓋經(jīng)密封性能全檢、外觀全檢驗(yàn)收后交付,說(shuō) 明其在周轉(zhuǎn)前密封性能正常,排除了端蓋自身質(zhì)量 問(wèn) 題引起裂紋的產(chǎn)生,那么裂紋只可能來(lái)自于周轉(zhuǎn)過(guò)程.
將端蓋按標(biāo)準(zhǔn)和使用中實(shí)際遇到的工況進(jìn)行各 類(lèi)試驗(yàn)(包 括 顛 震 試 驗(yàn)、太 陽(yáng) 輻 射 試 驗(yàn)、運(yùn) 輸 試 驗(yàn) 等[２Ｇ４]),均通過(guò)了鑒定試驗(yàn)考核,說(shuō)明端蓋可以經(jīng)受 周轉(zhuǎn)遇到的各種工況.
端蓋的密封性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于周轉(zhuǎn)過(guò)程中的 正常壓力范圍(承壓維持在１０kPa左右).若壓力 保護(hù)裝置失 效 時(shí),其 承 受 的 壓 力 范 圍 為 －１０~３７ kPa(考 慮 到 溫 度 變 化,數(shù) 值 來(lái) 自 于 實(shí) 際 試 驗(yàn) 數(shù) 據(jù)),該范圍也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于端蓋的密封性能指標(biāo).同 時(shí)端蓋按 照 標(biāo) 準(zhǔn) 進(jìn) 行 過(guò) 濕 熱 試 驗(yàn)[５]、多 批 次 高 溫 和 低 溫 貯 存 試 驗(yàn)[６Ｇ７],結(jié) 果 均 正 常,證 明 端 蓋 可 承 受周轉(zhuǎn)過(guò) 程 中 的 溫 度 變 化.查 閱 周 轉(zhuǎn) 過(guò) 程 記 錄, 未發(fā)現(xiàn)壓力 和 溫 度 超 標(biāo),其 他 使 用 工 況 均 未 超 出 設(shè)計(jì)范圍.
在端蓋的不連續(xù)裂紋上選取典型位置取樣,進(jìn) 一步觀察裂紋擴(kuò)展情況,取樣過(guò)程見(jiàn)圖３.試樣取 下后保持完整,未斷裂為兩塊,說(shuō)明裂紋未貫穿,這 與 宏 觀 檢 驗(yàn) 結(jié) 果 一 致. 使 用 掃 描 電 子 顯 微 鏡 (SEM)觀察裂紋截面形貌,見(jiàn)圖４.可以看出截面 上裂紋附近無(wú)細(xì)小裂紋,由此推斷裂紋不是老化失 效造成的.
２．２ 機(jī)械失效
由于裂紋僅出現(xiàn)在端蓋外表面,未貫穿,推測(cè)端 蓋外表面受到外力作用而產(chǎn)生了裂紋.為此,取兩 只性能合格的端蓋,置于工裝上,使用 SANS拉力 試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn),試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖５.在實(shí)際周 轉(zhuǎn)過(guò)程中端蓋外表面受緩沖材料保護(hù),因此在進(jìn)行 模擬試驗(yàn)時(shí)也使用了緩沖材料.在端蓋表面放泡沫 棉(與周轉(zhuǎn)過(guò)程中所使用的材料一致,厚度相當(dāng)),然 后覆上鐵塊(與周轉(zhuǎn)過(guò)程中端蓋接觸面積相當(dāng)),通 過(guò)壓縮裝置的上夾具,從外表面對(duì)端蓋施加壓力,觀 察其是否出現(xiàn)裂紋.試驗(yàn)采用了５,５０ mmmin－１ 兩種外力加載速度(根據(jù)試驗(yàn)機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)選擇有對(duì) 比性 的 兩 個(gè) 速 度 ),當(dāng) 力 分 別 達(dá) 到 ２２５２ N 和 ２３３０N 時(shí),端蓋出現(xiàn)裂紋,但位移相差不大,均為 ３~４mm.無(wú) 論 采 用 ５ mm min－１ 還 是 ５０mmmin－１的加載速度,端蓋均出現(xiàn)了和密封失 效端蓋類(lèi)似的裂紋,即內(nèi)表面無(wú)裂紋,僅外表面存在 裂紋,且加載速度越快,受力越大,端蓋出現(xiàn)裂紋的 時(shí)間越短.再進(jìn)行浸水氣密試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)裂紋處有氣 泡產(chǎn)生;采用和失效端蓋同樣的方式取樣觀察,發(fā)現(xiàn) 裂紋未貫穿.
上述分析結(jié)果表明,端蓋密封失效由外力所致. 細(xì)查周轉(zhuǎn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)所用包裝箱加了緩沖防撞材料 后,防撞材料與端蓋的距離公差可達(dá)３mm,與筒的 距離公差為２ mm,裝箱后發(fā)射筒的一部分會(huì)在包 裝箱內(nèi)有微小移動(dòng),移動(dòng)距離最大為５ mm.包裝 箱在周轉(zhuǎn)過(guò)程中受到外力作用時(shí),由于存在間隙,加 上緩沖材料厚度較薄,外力會(huì)傳遞到端蓋上,致使端 蓋產(chǎn)生裂紋并逐漸擴(kuò)展,最終發(fā)生密封失效.
２．３ 解決措施及驗(yàn)證
為避免機(jī)械失效,將圖５中的緩沖材料厚度增加２mm后再次進(jìn)行了模擬試驗(yàn).結(jié)果發(fā)現(xiàn)無(wú)論以 ５mmmin－１還是５０mmmin－１的速度加載,當(dāng)力 達(dá)到３０００N 時(shí),端蓋均未出現(xiàn)裂紋,浸水氣密試驗(yàn) 也未發(fā)現(xiàn)泄漏.由此可見(jiàn),適當(dāng)增加緩沖材料厚度 可有效防止裂紋的產(chǎn)生.
綜合上述試驗(yàn)結(jié)果以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn),擬將箱內(nèi)緩 沖材料的厚度增加２ mm,同時(shí)裝箱時(shí)檢查發(fā)射筒 和緩沖材料之間的間隙,當(dāng)間隙大于１mm 時(shí),額外 增加緩沖材料,將間隙減至１mm 以內(nèi).對(duì)待周轉(zhuǎn) 的端蓋采取上述措施處理,經(jīng)驗(yàn)證該批次端蓋在周 轉(zhuǎn)過(guò)程中未再出現(xiàn)類(lèi)似失效問(wèn)題.
３ 結(jié)論及建議
該發(fā)射筒端蓋密封失效原因?yàn)橹苻D(zhuǎn)過(guò)程中端蓋 外表面受外力作用產(chǎn)生了裂紋,裂紋不斷擴(kuò)展最終 導(dǎo)致其密封失效.將包裝箱內(nèi)緩沖材料厚度適當(dāng)增 加,保證發(fā)射筒和緩沖材料之間的間隙小于１mm, 可有效防止此類(lèi)機(jī)械失效.
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