周元彪 邹阳 陈晓秀 吴恒壮 刘吉飞

摘要：某型飞机座舱盖调试过程中出现下落故障，分解检查发现座舱盖操纵开关内的活门橡胶表面发生掉块和裂纹。对活门橡胶的裂纹断口和表面进行宏观观察、微观观察，并对断口和表面进行能谱分析。结果表明：橡胶开裂的性质为疲劳开裂，起源于橡胶受挤压位置的机械损伤；橡胶的开裂主要与其表面的金属碎屑有关；橡胶中的添加劑ZnO的聚集在一定程度上降低了抗压性能，加速了橡胶的挤压开裂。

关键词：活门橡胶；失效；开裂；疲劳；金属碎屑；添加剂

Keywords：valve rubber；failure；cracking；fatigue；metal detritus；additive

0 引言

橡胶因具有高弹性和抗压变性能，能有效阻止压力介质泄露，多用于液压系统静、动密封[1]，在国防工业中应用广泛。橡胶密封失效将造成能源、资源浪费，降低机械设备的作业能力，甚至有可能引起机械设备失效，造成机毁人亡的重大事故[2]。据统计，机械设备和武器装备质量事故中1/3以上是由密封件失效引起的[3]。橡胶密封件常见的失效形式有机械损伤破坏、老化龟裂、化学浸蚀、局部烧蚀碳化等，失效形式和原因众多。

某型飞机座舱盖在调试过程中出现下落故障，分解检查座舱盖操纵开关发现内部的两个活门橡胶中的一个表面出现开裂、掉块，另一个表面发生掉块。橡胶的材质为5180F丁腈橡胶，工作介质为15号航空液压油，橡胶受零件内部阀口的挤压力。本文对活门橡胶的表面、裂纹断口进行宏观、微观观察，并对表面、裂纹断口进行能谱分析，在此基础上确定活门橡胶的开裂、掉块性质，以提出避免失效的解决措施。

1 宏观检查

将两个活门橡胶编号为1#和2#，1#活门橡胶在压痕位置出现一条裂纹，裂纹长度为3.72mm，如图1所示。2#活门橡胶在压痕位置出现3处损伤，将其编为1号、2号、3号，如图2所示。

2 断口形貌

1#活门橡胶的裂纹断口整体形貌如图3a）所示，裂纹深度约1.187mm，由表面向里扩展，源区位置可见明显的机械损伤痕迹，如图3b）所示。同时，裂纹断口上可见明显的疲劳弧线（见图3c）），裂纹的开裂性质为疲劳开裂。

裂纹的匹配断口形貌如图4所示，源区位置同样可见机械损伤痕迹，该断口上的疲劳弧线特征不明显。

源区的侧表面形貌如图5所示，可见尺寸约为200μm的损伤。

活门橡胶挤压痕迹位置可见多处开裂，其中一处裂缝中夹杂着金属碎屑，碎屑尺寸约为150～200μm，且不同位置的活门表面出现形状相似的挤压开裂，如图6所示，同时活门橡胶表面可见大量的针状添加剂。

2#活门橡胶标记位置的形貌如图7～图9所示，1号标记位置出现橡胶掉块，其余2处为挤压开裂，活门橡胶表面以及裂缝断口上均可见大量的针状添加剂。

3 能谱分析

分别对1#活门橡胶裂缝中的金属碎屑颗粒以及活门橡胶表面的添加剂进行能谱分析，结果如表1所示，能谱分析位置如图10所示。金属碎屑中Fe和Cr元素含量较高，可知其为不锈钢碎屑。针状添加剂中Zn和O元素含量较高，可知其为ZnO添加剂。

4 分析与讨论

1#活门橡胶裂纹断口上可见明显的疲劳弧线，开裂性质为疲劳开裂。1#活门橡胶表面与阀口接触的位置可见一整圈明显的挤压痕迹，裂纹位于挤压痕迹处，且从表面起源，向里扩展。裂纹的源区位置可见明显的挤压和机械损伤，附近的一处裂缝中夹杂金属碎屑，碎屑的尺寸与裂纹源区位置的损伤尺寸相当。从源区损伤的形貌和尺寸综合分析，推测裂纹源区的损伤是在手柄开合过程中因金属碎屑挤压造成。金属碎屑压入橡胶表面产生损伤，形成裂纹源，在反复开合手柄的过程中产生疲劳扩展。在挤压痕迹的其他位置可见多处挤压损伤，且部分挤压损伤的形状相似，推测可能是开合手柄时挤压同种类型的金属碎屑造成。

2#活门橡胶与阀口接触位置同样可见多处挤压损伤，形貌与1#活门橡胶的挤压损伤形貌类似，推测同样是手柄在开合过程中挤压外来颗粒物产生。

两个活门橡胶的表面和裂缝中均可见大量的针状物，能谱分析结果显示针状物的主要元素为C、Zn和O，可知其为橡胶中常用的添加剂ZnO；裂缝中的金属颗粒含有大量的Fe和Cr，可知其为不锈钢碎屑颗粒。ZnO通常作为补强剂和活性剂加入橡胶中，加入适量的ZnO能提高橡胶的强度，但加入过多仅能充当粗粒子填料的作用，反而会降低橡胶的强度。微观观察显示两个橡胶件出现大面积的ZnO聚集，ZnO聚集会降低活门橡胶的抗压强度，从而导致橡胶接触位置出现明显的挤压痕迹，加之活门表面存在不锈钢碎屑，进一步加快了活门的挤压开裂。

综上，活门橡胶的开裂主要与其表面存在金属碎屑有关，活门橡胶中ZnO的聚集也在一定程度上降低了抗压强度，加速了活门的挤压开裂。

5 结论及建议

1）活门橡胶开裂的性质为疲劳开裂，起源于阀口和橡胶挤压位置的机械损伤处；

2）活门橡胶机械损伤处的开裂由不锈钢金属碎屑导致，活门橡胶中 ZnO添加剂的聚集也在一定程度上降低了抗压强度，加速了故障件的挤压开裂；

3）建议对橡胶的复炼过程进行严格控制，保证橡胶复炼过程无杂质异物混入；对橡胶进行充分混炼，保证橡胶经过复炼后内部的各种添加剂均匀分散；

4）提高油液固体污染度控制等级，减少油液内不同尺寸固体颗粒污染物的数量，降低橡胶被挤压开裂、掉块的风险。

参考文献

[1] 张继华，任灵.液压系统橡胶密封件的失效典型案例分析[J].宇航材料工艺， 2009（4）：73-75.

[2] 侯学勤，范金娟.橡胶密封件的失效分析与橡胶断口形态[J].世界橡胶工业， 2010，37（12）：33-37.

[3] 夏祥泰，王志宏，刘国光，孟永刚，雷兴平，卢玉蛟.飞机起落架作动筒密封圈失效分析[J]. 失效分析与预防，2007，2（4）：35-39.