室溫硫化硅橡膠補償器的設計及工藝制造

航天晨光股份有限公司研究院柔性管道技術中心 郭景星

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室溫硫化硅橡膠補償器的設計及工藝制造

航天晨光股份有限公司研究院柔性管道技術中心 郭景星

橡膠補償器具有耐腐蝕、減振性好、補償量大、承壓強度高等特點，該文介紹了一種室溫硫化硅橡膠補償器的產品構造、強度計算、制造成型和試驗方法。

橡膠補償器 復合材料 強度計算 工藝成型

橡膠補償器有耐腐蝕、減振性好、補償量大、承壓強度高的特點，市場需求量很大。航天晨光公司至今尚未生產過橡膠補償器產品，今年提出要彌補補償器產品系列中的不足之處，預研橡膠補償器新產品。筆者不禁回想起多年前曾在深圳研制過一件橡膠補償器，現整理相關資料經驗與各位同仁相互切磋。

深圳沙頭角燃機電廠在某燃機啟動進氣管道位置有一件橡膠補償器，因檢修拆裝時不慎刺破損壞，急需在10天的檢修周期內趕制新品補充安裝。該產品尺寸為990×650×290（mm），工作介質是增壓過濾的清潔空氣，工作內壓不大于0.25 MPa，工作溫度小于120℃，產品工作壽命要大于3年。當時公司承諾按時研制合格產品交付用戶，該產品的研制將面臨產品工作壓力比較高和研制周期非常短等難題。本文回顧了該產品的設計思路和研制過程，介紹室溫硫化硅橡膠補償器的設計及工藝技術。

1 產品研制方案

通常的非金屬纖維織物補償器工作壓力小于0.01 MPa，這件橡膠補償器工作壓力相對增大25倍，必須使用新型材料和產品結構。橡膠補償器的承壓強度主要是由增強纖維或增強織物鋪層作為骨架材料來承擔，而有機高分子橡膠材料可視為復合材料產品的基體材料，層間鋪覆膠體的厚度比較薄，因其有高彈性，對復合材料構件的強度貢獻可以暫且近似不計，產品的強度計算只以其骨架材料的力學性能數據設計計算。考慮到該產品制造周期的緊迫性，要盡量利用公司庫存的非金屬纖維織物補償器的主要原材料來研制完成橡膠補償器新產品，同時因為公司沒有高溫硫化罐（或是大尺寸高溫平板硫化機），臨時趕制或采購橡膠成型設備肯定時間來不及，橡膠材料只能考慮選用室溫硫化橡膠材料。最終研制方案是基體材料選用上海樹脂廠生產的106室溫硫化有機硅橡膠，工裝模具選用簡易薄鋼板成型內模，橡膠制品骨架材料則選用1.2mm厚的浸膠玻纖布、0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布以及40目316不銹鋼絲網等。

106室溫硫化有機硅橡膠雖然強度性能低于高溫硫化的橡膠材料強度性能，但可不用高溫硫化機械設備和成型模具，僅用簡易薄鋼板內模即可成型，這也可以大幅節省制造高溫硫化成型工裝模具花費的時間。

為摸清上述選材的強度性能指標，相關材料性能試驗樣件被送交深圳市技術質量檢驗所檢測，獲取性能檢測報告；同時立即設計趕制室溫硫化產品成型簡易薄鋼板內模及復合膠體試樣試壓夾具。

2 產品設計計算

2.1 橡膠補償器的耐壓強度計算公式[1]

式中，橡膠補償器的理論爆破壓力，MPa；單位長度簾線排列根數，根/cm；單根簾線最低張力，N/根；產品直徑，cm；簾布層數；骨架強力損失修正系數，一般取0.7～0.9；綜合修正系數，當D≥50cm時，一般取0.9。

2.2 橡膠補償器的骨架材料設計鋪層計算

從深圳市質檢所提供的材料性能檢測報告中可知：

1.2mm厚的浸膠玻纖布的單位長度最低張力F= 978 N /cm；

0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布的單位長度最低張力F= 368 N /cm；

計算骨架材料層數的公式：

又可知：骨架材料的單位長度最低張力，取F= F+ F1346 N /㎝，

取設計輸入壓力= 0.25 MPa；因直接引用深圳市質檢所性能檢測報告實測數據，故取= 0.9；

按該產品周長換算成產品當量直徑為：=99㎝，取= 0.9；

按公式⑵ 計算得到：= 2.27（層）。

意即本產品的骨架材料設計鋪層選擇各用3層1.2mm厚的浸膠玻纖布和0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布時可以滿足該產品工作壓力小于0.25MPa的設計使用要求。

按1= 3代入公式⑴得：

2.3 必須考慮該產品需要留些冗余安全壓力設計余量

可添加1層40目316不銹鋼絲網作為骨架材料，據經驗可知，40目316不銹鋼絲網的單位長度最低張力≥300 N /cm，約能增加該產品承載0.025MPa的工作壓力；再考慮到室溫硫化有機硅橡膠的基體膠材抗拉強度，查表可知為4.5 MPa[1]，若橡膠層厚度約為5mm，相對于產品直徑=99cm的橡膠補償器，又可增加產品結構承載0.045MPa的工作壓力值，綜合計算得到該產品實際設計工作壓力：

P= 0.33+0.025+0.045 = 0.4(MPa)。

P相比設計輸入壓力指標留有60%的強度余量，這說明該產品設計還是比較可靠的。

2.4 最終的設計方案

該橡膠補償器產品使用3層1.2mm厚的浸膠玻纖布和3層0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布，再加用1層40目316不銹鋼絲網作為骨架材料，使用106室溫硫化有機硅橡膠為基體膠材，總膠層工藝成型厚度約為5mm，加上骨架材料厚度，整體產品厚度約為10mm。

3 產品工藝研制

3.1 產品圖紙（見圖1）

圖1 燃機啟動管道橡膠補償器產品設計圖

3.2 預裝產品成型簡易薄鋼板內模

將2.0mm厚的A3薄鋼板按圖2加工成兩塊模板，再彎曲組裝成圓筒狀，兩端用M8×30螺栓緊固。

圖2 簡易薄鋼板成型內模設計圖

3.3 裁剪增強纖維織物鋪層的骨架材料

將1.2mm厚的浸膠玻纖布裁剪成9300mm×340mm的一長條布帶；同時將0.2mm厚的雙面浸膠玻纖布也裁成6500mm ×340mm和3500mm×340mm的兩塊長條布帶；另將1層40目316不銹鋼絲網裁成3100mm×320mm的長條。放入電烘箱中加熱烘干去濕，取出晾干備用。

3.4 配膠

將106室溫硫化有機硅橡膠的甲、乙、丙各組分按規定的比例稱量出3700克膠體，攪拌均勻。

3.5 鋪覆成型

圖3 橡膠補償器圈帶產品成型后的相片

在組裝好的產品成型簡易薄鋼板內模表面上鋪覆一層PP塑料薄膜做脫模層；將攪拌配好的106室溫硫化有機硅橡膠混合膠體均勻涂覆于成型內模表面上，晾干數小時；將裁剪好的增強纖維織物鋪層均勻刮涂上混合膠體，立即平整鋪覆在成型內模表面上連續纏緊；先纏一層厚為0.2㎜的雙面浸膠玻纖布，再將1.2㎜厚的浸膠玻纖布連續纏滿三層并夾纏一層40目316不銹鋼絲網，再連續纏滿二層0.2㎜厚的雙面浸膠玻纖布；全過程一直用刮板趕凈膠體層間氣泡；最后將剩余硅橡膠混合膠體均勻涂覆產品外層；并在外表面上包覆一層PP塑料薄膜做脫模層，再包覆二層厚紙板；然后用腈綸長繩用力纏繞扎緊，施加一定的接觸壓力，使產品能夠致密硫化成型。

3.6 室溫硫化

為保證該產品能夠具有較好的強度性能，圈帶施工成型后靜置工房內，確保室溫硫化時間大于工藝規定時間。

3.7 脫模修整

產品達到室溫硫化時間要求后，將產品外層腈綸長繩拆解，剝離厚紙板及PP塑料薄膜，拆卸成型內模的連接螺栓，拆除成型簡易薄鋼板內模，將產品小心脫模；再配制190克106室溫硫化有機硅橡膠，修補橡膠補償器產品的內外表面氣泡缺陷和產品表面凸凹不平缺膠之處，待室溫硫化若干小時后再進行總成裝配。

3.8 裝配成品

對硅橡膠圈帶產品進行尺寸和外觀檢驗，符合圖紙要求后，將鋼法蘭分別裝入橡膠補償器產品兩端，裝夾壓板后，用電鉆配打螺栓孔，安裝M12×50不銹鋼螺栓；裝配完成后，用裁刀整齊切去法蘭兩端外側多余的橡膠圈帶廢邊；再用水壓機將橡膠補償器產品預壓縮至安裝尺寸，加裝定位扁拉桿。

3.9 檢驗及試驗

將橡膠補償器總成產品交與檢驗，并對按同種工藝同時生產的材料結構性能同期產品試樣進行氣壓試驗，將產品試樣裝配上試驗夾具夾緊，用氣泵加壓至0.3 MPa，保壓30分鐘，用肥皂水檢查無明顯逸出氣泡和泄漏點，合格交付。

4 結論

這件室溫硫化有機硅橡膠補償器，依據相關專業經驗，從現場勘測原產品尺寸、初步策劃設計方案、前期趕制材料性能試驗樣件、檢測材料性能指標、確定產品設計圖紙、設計趕制產品成型簡易鋼板內模、設計趕制膠體試樣內壓試驗夾具，到完成產品研制樣件、完成產品檢驗及試驗、合格交付產品到用戶現場，幫助用戶解決了燃眉之急，按時保質地滿足了用戶需求。本產品使用了8年多至今仍然完好無損。這也充分證明該橡膠補償器產品的設計方法正確、安全余量充足、制造工藝適用、研制效率快捷，充分實現了又快又省的要求，為今后技術研究工作積累了寶貴經驗。

[1] 呂百齡. 實用橡膠手冊[M]. 北京: 化學工業出版社, 2010.

[2] 錢知勉. 塑料性能應用手冊[M]. 上海:上海科學技術文獻出版社, 1980.