易 方，孟浩龍，李 濤，王 強

（北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

橡膠油囊主要適用于抗震救災、應急救援等極端條件，針對地面車輛、人員無法順利到達的區(qū)域，其通過整體空投或散件空投的方式，實施飲用水、油料等各類液體物資的立體應急補給[1-9]。當前，橡膠油囊基本滿足了空投的應急保障要求，但是極端復雜條件的地面狀況無法預估，為此本工作針對現(xiàn)有橡膠油囊的封口存在設(shè)計貫穿問題，對橡膠油囊頂部和尾部封口結(jié)構(gòu)進行改進和工藝設(shè)計，以提高橡膠油囊的空投完好率。

1 橡膠油囊基本結(jié)構(gòu)和封口結(jié)構(gòu)問題

橡膠油囊由橡膠囊體、頂部封口、油管和尾部封口組成（見圖1）。其中，頂部封口包括外法蘭、螺栓和內(nèi)法蘭（見圖2），尾部封口包括外夾盤、螺栓和內(nèi)夾盤[10]。

圖1 橡膠油囊整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of rubber fuel drum

圖2 橡膠油囊頂部封口結(jié)構(gòu)Fig.2 Sealing-off structure of rubber fuel drum

橡膠油囊頂部封口結(jié)構(gòu)是利用螺栓由外向內(nèi)依次通過外法蘭、封頭和內(nèi)法蘭進行螺紋密封。尾部封口結(jié)構(gòu)是利用螺栓由外向內(nèi)依次通過外夾盤、封頭和內(nèi)夾盤進行螺紋密封。

橡膠油囊現(xiàn)有封口結(jié)構(gòu)主要存在兩個問題。

一是由于螺栓通孔易造成油囊在封頭處出現(xiàn)貫穿，即在設(shè)計和生產(chǎn)過程中已存在產(chǎn)生貫穿傷隱患，破壞了封口結(jié)構(gòu)完整性。因此，油囊的空投完好性受著陸部位影響較大，當油囊側(cè)面整體著陸時囊體基本完好，如果油囊兩端的圓周凸起部位著陸且地面狀況不佳時，拉應力可能造成油囊封頭在貫穿處撕裂，甚至拉脫。二是油囊與螺栓接觸的封頭貫穿處存在與油直接接觸的風險，容易導致油囊內(nèi)的油料順著螺紋產(chǎn)生“螺紋爬油”滲漏至油囊外表面，或者順著油囊封頭貫穿處向囊體材料內(nèi)部“芯吸”滲透而引起橡膠溶脹。

為了從設(shè)計上解決上述問題，本工作對橡膠油囊封口結(jié)構(gòu)進行了改進。

2 橡膠油囊頂部封口改進設(shè)計

2.1 封口結(jié)構(gòu)改進

由于橡膠油囊頂部必須預留進、出油口，因此必須保留內(nèi)、外法蘭夾持油囊封頭的基本形式，為安裝油管提供載體和空間。為解決螺栓貫穿難題，需要在保證內(nèi)、外法蘭夾持油囊封頭的同時，改變螺栓相對位置，以避免貫穿油囊封頭。為解決螺栓“螺紋爬油”和封頭“芯吸”滲透，需要優(yōu)化內(nèi)法蘭結(jié)構(gòu)形式，避免螺栓、封頭截面的橡膠簾線與油囊內(nèi)部的油料直接接觸（見圖3）。

圖4 改進橡膠油囊整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Improved overall structure of rubber fuel drum

改進后橡膠油囊頂部封口結(jié)構(gòu)是將封頭置于內(nèi)法蘭與外法蘭之間的預留空間，同時在油囊封頭與內(nèi)法蘭接觸部位貼粘合膠，使用螺栓穿過外法蘭的螺栓孔、沉入內(nèi)法蘭的螺栓槽。

橡膠油囊封口結(jié)構(gòu)的有效性主要通過4個方面實現(xiàn)：一是利用螺栓的壓緊力；二是內(nèi)法蘭與外法蘭之間的預留空間形成的“收口”結(jié)構(gòu)；三是受外壓和內(nèi)部鋼絲的剛性作用，油囊封口端的橡膠局部變形，盡量填滿內(nèi)法蘭與外法蘭之間的預留空間；四是油囊封口與內(nèi)法蘭接觸部位的粘合膠有很好的粘合作用。為確保油囊封口結(jié)構(gòu)的有效性，需要分別對法蘭與封頭的密封進行改進設(shè)計。

2.2 法蘭結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

內(nèi)、外法蘭的改進設(shè)計既要考慮密封性，又要考慮與封頭的連接固定，以及與分解模、硫化模的配合。由于油管通過螺紋與外法蘭連接固定，因此在不影響裝配的前提下，不改變外法蘭的結(jié)構(gòu)形式，主要對內(nèi)法蘭進行改進設(shè)計。

為了給橡膠油囊封口預留夾緊和膠粘的空間，內(nèi)法蘭為凸臺圓環(huán)結(jié)構(gòu)，中間通孔、圓環(huán)通螺栓孔；外法蘭為L形圓環(huán)結(jié)構(gòu)，中間通孔，圓環(huán)開螺栓槽。為了提高封口結(jié)構(gòu)的抗拉強度，在封頭內(nèi)鑲嵌鋼絲股，通過封頭橡膠簾布反向包覆固定后，封頭會形成紡錘形部位。內(nèi)、外法蘭的配合設(shè)計需要預留封頭紡錘形部位的位置，為了便于封頭成型和硫化時與外模配合，將封頭紡錘形部位凹槽設(shè)計在內(nèi)法蘭上，外法蘭保持為平直的法蘭盤。成型時，將封頭橡膠簾布包裹鋼絲，壓緊后鑲嵌于內(nèi)法蘭凹槽內(nèi)，通過外法蘭壓緊、壓平，便于硫化時與外模相互配合安裝。

2.3 封頭密封設(shè)計

封頭的密封性是橡膠囊類產(chǎn)品的重要特性，主要取決于封頭與法蘭之間的密封性能。原有橡膠油囊的密封主要是依靠螺栓的預壓力，在油囊的壽命周期內(nèi)，橡膠的應力老化、金屬法蘭的變形、粘合膠的干裂、螺栓的預壓力變化，都可能影響油囊封頭的密封性[11]。

為有效提高封頭的密封性，改進的橡膠油囊封口結(jié)構(gòu)將封頭和法蘭作為整體進行設(shè)計。一是在內(nèi)法蘭凹槽底部（鑲嵌封頭紡錘形部位的位置）設(shè)計多圈V形凹槽，以增大封頭外膠層與內(nèi)法蘭的咬合程度和接觸面積；二是對內(nèi)、外法蘭與封頭接觸的部位進行粘接預處理，使法蘭貼粘合膠的部位與封頭形狀完好吻合，且粘合膠厚度由內(nèi)向外逐漸減??；三是使用模具壓膠硫化，使內(nèi)法蘭與封頭之間的完整性和密封性更好。

2.4 封口成型工藝設(shè)計

現(xiàn)有橡膠油囊封口成型工藝采用的是封口段與直段分片搭接的工藝方式，其中，封口段采用“米”字形疊加排列。由于改進封口結(jié)構(gòu)需要封頭橡膠簾布反向包覆內(nèi)部的鋼絲股，為有效包覆，橡膠簾布的單根膠簾線應盡量垂直于鋼絲圈?，F(xiàn)有封頭的橡膠簾線呈“米”字形，無法避免部分簾線與鋼絲股相切，因此無法滿足改進封口結(jié)構(gòu)的工藝要求。

改進橡膠油囊封口成型工藝采用封口段與直段一體成型工藝，橡膠簾布直接延長至封頭位置，確保單根簾線均能對鋼絲股進行有效包覆。由于油囊直段的直徑遠大于封頭反向包覆的直徑，當封頭紡錘形部位的直徑顯著減小時，橡膠簾布會出現(xiàn)重疊打折現(xiàn)象。為解決該問題，封口段成型工藝采用橡膠簾布螺旋纏繞，并逐漸改變簾線角度的工藝方式，使單位直徑內(nèi)盡量多排列簾線。在封頭紡錘形部位的直徑縮小過程中，對于出現(xiàn)的無法克服的橡膠簾布重疊，則采取間隔、錯位斷線的工藝，在保證油囊整體強度的條件下，有效解決橡膠簾布的重疊打折現(xiàn)象。

3 橡膠油囊尾部封口結(jié)構(gòu)改進

3.1 封口結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

現(xiàn)有橡膠油囊尾部封口采用內(nèi)、外夾盤的結(jié)構(gòu)，外夾盤主要是用于固定背帶。因此，通過改進背帶固定的位置和形式，可取消尾部封口的內(nèi)、外夾盤，確保油囊尾部結(jié)構(gòu)一體成型。

3.2 封口成型硫化工藝設(shè)計

橡膠油囊的硫化工裝主要有：外模、膠囊和硫化裝置。硫化工藝為：將膠囊預置于外模內(nèi)部并鎖緊外模，通過硫化裝置控制外模溫度，膠囊在內(nèi)壓作用下擴張?zhí)ヅ?，使其與外模內(nèi)腔緊密貼合。膠囊給予胎坯的壓力，應足以克服橡膠簾布的熱收縮力，并排盡橡膠簾布層間的空氣，使胎坯密實、粘接牢靠，提高胎坯的強度和耐屈撓性能。通常過熱載體可采用過熱水或壓縮空氣等，由于過熱水需配備體積較大的過熱水裝置、增壓泵和管道等系統(tǒng)，不適用于大容腔、小批量的橡膠油囊，因此,采用過壓縮空氣進行硫化。

借鑒現(xiàn)有橡膠油囊的硫化壓力要求[12]，參考MIL-D-23119G的相關(guān)要求[13]，油囊硫化采用的壓縮空氣壓力應達到1.3～1.8 MPa，而當內(nèi)壓達到1.0 MPa以上時，即可克服橡膠簾布的熱收縮力，有效排盡橡膠簾布層間的空氣。

采用壓縮空氣提供內(nèi)壓時，硫化過程中，內(nèi)壓隨著溫度升高而升高，由于受外模的形狀尺寸限制，油囊的內(nèi)腔容積不變。根據(jù)查理定律，計算硫化溫度下硫化內(nèi)壓，從而確定壓縮空氣的壓力。

式中，P1為硫化前油囊的初始內(nèi)壓，P2為硫化時油囊的內(nèi)壓，T1為硫化前油囊的初始溫度，T2為硫化時油囊的溫度。

當P1＝1.0 MPa，T1＝20 ℃（293 K），T2＝151℃（424 K）時，P2＝1.0×424/293＝1.45 MPa

由計算結(jié)果可知，油囊硫化的初始內(nèi)壓為1.0 MPa時，硫化內(nèi)壓為1.45 MPa就可以滿足工藝要求。

4 橡膠油囊封口改進后基本結(jié)構(gòu)

封口改進后，橡膠油囊由橡膠囊體、內(nèi)法蘭、外法蘭、封頭、螺栓和出油管組成[14]。

改進后橡膠油囊頂部封口結(jié)構(gòu)利用螺栓由外向內(nèi)依次通過外法蘭和內(nèi)法蘭，同時在外法蘭與內(nèi)法蘭之間、螺栓外側(cè)的預留空間對油囊封口進行夾緊和膠粘，確保了油囊的完整性，且油囊封口處不與油接觸。

5 結(jié)論

（1）改進油囊封口結(jié)構(gòu)在不破壞油囊的整體結(jié)構(gòu)情況下實現(xiàn)有效封口，確保油囊受沖擊時的完整性。

（2）通過頂部封口改進設(shè)計、法蘭改進設(shè)計和封頭密封性設(shè)計，頂部封口結(jié)構(gòu)的螺栓、封頭截面的橡膠簾線不與油直接接觸，有效避免“螺紋爬油”滲漏和囊體材料內(nèi)部“芯吸”滲透而引起橡膠溶脹。

（3）通過尾部封口改進設(shè)計和封口成型硫化工藝設(shè)計，實現(xiàn)了油囊尾部結(jié)構(gòu)一體成型。

（4）改進封口結(jié)構(gòu)的橡膠油囊有效提高了空投完好率，經(jīng)過飛行實裝空投試驗檢驗，能夠滿足極端復雜條件下的空投保障要求。