尤黎明,杜偉,董曉坤,韓笑,鄧濤

(青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266042)

液壓膠管主要用于輸送液壓油,在液壓系統(tǒng)中膠管要承受頻繁的脈沖壓力變化。在使用過程中,經(jīng)常出現(xiàn)膠管與接頭結(jié)合不嚴(yán),拔脫及液壓脈沖作用下膠管破裂等失效形式[1-2]。因此能夠了解膠管與接頭處結(jié)合狀態(tài)及內(nèi)膠使用一定時(shí)間后性能變化顯得格外重要。

劉嘉鑫等[3]研究了鋼絲纏繞液壓膠管內(nèi)壓下的有限元分析;李再有[4]研究了礦用設(shè)備液壓膠管損壞原因分析及對策;劉建等[5]研究了汽車液壓制動(dòng)軟管的壽命優(yōu)化;張一川等[6]研究了制動(dòng)膠管編織骨架層正交各向異性力學(xué)性能與管體扭轉(zhuǎn)變形仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證;黃德銀等[7]研究了液壓制動(dòng)軟管設(shè)計(jì);王寶星等[8]對扁平鋼絲增強(qiáng)液壓膠管的性能進(jìn)行了研究;楊忠炯等[9]研究了強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境對液壓膠管壽命的影響。但是,對液壓膠管扣頭處內(nèi)膠使用一定時(shí)間后性能變化鮮有報(bào)道。本工作研究液壓膠管使用一定時(shí)間后扣頭處內(nèi)膠性能變化,采用阿累尼烏斯方程預(yù)測其高溫使用一定時(shí)間后內(nèi)膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線,將預(yù)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線導(dǎo)入大型非線性有限元軟件Abaqus進(jìn)行計(jì)算仿真,了解內(nèi)膠使用一定時(shí)間后扣壓狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器設(shè)備

開放式煉膠機(jī),X(S)K-160 型,上海雙翼橡塑機(jī)械有限公司;無轉(zhuǎn)子硫化儀,GT-M2000-A 型,臺灣高鐵有限公司;平板硫化機(jī),HS 1007-RTMO 型,深圳佳鑫電子設(shè)備科技有限公司;電子拉力機(jī),I-7000S型,臺灣高鐵檢測儀器有限公司;老化實(shí)驗(yàn)箱,GT-7O17-M 型,臺灣高鐵有限公司。

1.2 原材料及實(shí)驗(yàn)配方

主要原料:CR(M40),日本電氣化學(xué);N774,卡博特;異丁烯,微晶蠟1.5份,萊茵化學(xué),其他均為市售。均為質(zhì)量份。

實(shí)驗(yàn)配方:NBR,100份;硫黃,2.5份;促進(jìn)劑,2.5份;Zn O,5份;硬脂酸,2份;炭黑550,60份;炭黑660,30份;白炭黑,15份;鄰苯二甲酸二丁酯,15份;固體防老劑BLE,2份;黏合劑,4份。該實(shí)驗(yàn)配方為某公司實(shí)際生產(chǎn)配方。

1.3 試樣制備

將輥距調(diào)至最小,將稱量好的氯丁生膠加入開煉機(jī),包輥后加入氧化鎂和微晶蠟等小料,左邊割3刀右邊割3刀混煉均勻后加入填料,待填料吃完混煉均勻后加入硫化體系,左3刀右3刀吃料完成后,打三角包5次,混煉均勻后調(diào)大輥距下片停放24 h,以備硫化制片;將已備好的混煉膠片放入平板硫化t90＋1 min,冷卻后裁樣,準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。

1.4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲取

應(yīng)用1.3中未老化及熱油老化后得到的試樣,通過拉伸實(shí)驗(yàn)測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線,以備計(jì)算分析過程中使用。

1.5 性能測試

熱氧老化實(shí)驗(yàn)條件:按GB/T 20028—2005 要求,熱氧老化箱應(yīng)符合GB/T 3512規(guī)定,當(dāng)試驗(yàn)是在熱油中進(jìn)行時(shí),溫度控制的方法應(yīng)取決于熱油,且溫度選取不少于3個(gè),這里選取老化實(shí)驗(yàn)溫度分別為70、85、100 ℃。

將裁好的樣片分成若干組放入液壓油中,分別放入70、85和100 ℃的老化箱中,老化1、3、6、9、12 d,老化完成后洗滌樣片,停放0.5 h后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

2 Arrhenius方程預(yù)測理論

一般情況下,化學(xué)反應(yīng)速率隨著溫度的升高而加快,對于橡膠熱油老化反應(yīng),隨著溫度的升高,橡膠大分子網(wǎng)絡(luò)更容易產(chǎn)生斷裂和降解反應(yīng),溫度和化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系可以用阿累尼烏斯方程(1)表示:

式(1)中:K(T),反應(yīng)速率的常數(shù),min－1;A,指數(shù)因數(shù),min－1;E,活化能,J·mol－1;R,摩爾氣體常數(shù);T,熱力學(xué)溫度。

化學(xué)反應(yīng)關(guān)系式以式(2)表示:

式(2)中:Fx(t),反應(yīng)關(guān)系的函數(shù);t,反應(yīng)時(shí)間。

在不同的反應(yīng)溫度Ti下,不同的反應(yīng)速度Ki以不同的反應(yīng)時(shí)間ti達(dá)到相同的臨界值Fa:

式(1)代入式(3)得到式(4):

合并常數(shù)項(xiàng)稱為B以后,以對數(shù)式(5)表示:

式(5)所對應(yīng)的曲線中,lnt與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T呈線性關(guān)系,斜率為E/R,這就是阿累尼烏斯圖。通常情況下,時(shí)間的對數(shù)lgt與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T呈現(xiàn)阿累尼烏斯關(guān)系曲線。主要的老化反應(yīng)在一定的溫度范圍內(nèi),活化能是常數(shù)。當(dāng)用外推法以短時(shí)間預(yù)測長時(shí)期的性能時(shí),必須以短時(shí)間的數(shù)值作出適宜的曲線,Arrhenius方程本身是經(jīng)驗(yàn)公式[10],適應(yīng)于多種隨溫度升高而加快的復(fù)合化學(xué)反應(yīng)。在熱油老化過程中,橡膠大分子網(wǎng)絡(luò)斷鏈降解隨著溫度的升高而加快,因此Arrhenius方程可用于預(yù)測熱油老化過程中性能變化。

3 計(jì)算仿真過程

計(jì)算仿真流程依次為建模、裝配、賦予材料參數(shù)、定義分析步、定義相互作用、負(fù)載、劃分網(wǎng)格及提交作業(yè)等流程;其中建模是依據(jù)生產(chǎn)圖紙,裝配、定義相互作用和負(fù)載實(shí)際生產(chǎn)條件創(chuàng)建,材料參數(shù)均是實(shí)測所得;這里以仿真內(nèi)膠高溫?zé)嵊屠匣欢ê罂蹓盒阅?近似代替膠管扣押后,內(nèi)膠高溫?zé)嵊屠匣欢〞r(shí)間后的性能。圖1為膠管扣壓處三維模型,圖2為膠管扣壓后脈沖作用下膠管變形圖,研究單元如箭頭所示,具體相關(guān)參數(shù)均由生產(chǎn)方提供。

圖1 膠管三維模型Fig.1 Three dimensional model of rubber hose

圖2 膠管截面Fig.2 Section of hose

4 結(jié)果與分析

4.1 內(nèi)膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)Arrhenius方程預(yù)測理論,為預(yù)測得到性能臨界值時(shí)lgt與1/T的關(guān)系,進(jìn)而擬合得所需應(yīng)力-應(yīng)變曲線,首先要對不同溫度下熱油老化不同時(shí)間的試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),整理所得數(shù)據(jù);此處呈現(xiàn)70 ℃熱油老化不同時(shí)間后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖見圖3。

由圖3可知:內(nèi)膠在70 ℃熱油老化不同時(shí)間下,隨著熱油老化時(shí)間的延長,內(nèi)膠應(yīng)力及應(yīng)變均有所降低,定伸應(yīng)力也呈現(xiàn)不同程度的下降,熱油老化1 d時(shí),定伸應(yīng)力下降最快,分析認(rèn)為:內(nèi)膠在熱油老化1 d時(shí),液壓油浸入內(nèi)膠中,使得大分子網(wǎng)絡(luò)間距離增大,定伸應(yīng)力下降;熱油老化3 d及更長時(shí)間后,大分子網(wǎng)絡(luò)在熱油作用下發(fā)生老化斷鏈及緩慢降解反應(yīng),產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn),從而使得內(nèi)膠應(yīng)力、應(yīng)變及定伸應(yīng)力下降。

圖3 343 K 內(nèi)膠熱油老化不同時(shí)間后應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of inner rubber aged at 343 K with hot oil at different time

4.2 以Arrhenius方程為基礎(chǔ)預(yù)測一定條件下的材料參數(shù)

4.2.1 不同應(yīng)力保持率與時(shí)間關(guān)系的預(yù)測

根據(jù)GBT 20028—2005老化實(shí)驗(yàn)要求,當(dāng)老化實(shí)驗(yàn)是在熱油中進(jìn)行時(shí),選取3個(gè)老化溫度70、85和100 ℃。因此,3個(gè)溫度下的熱油老化后的拉伸數(shù)據(jù),滿足Arrhenius方程預(yù)測要求。

為預(yù)測得到性能臨界值時(shí)lgt與1/T的關(guān)系,需要分別整理70、85和100 ℃(對應(yīng)熱力學(xué)溫度為343、358和373 K)熱油老化不同時(shí)間后應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù),分別取其應(yīng)變?yōu)?0%,60%,90%,120%,180%時(shí)所對應(yīng)的名義應(yīng)力保持率進(jìn)行預(yù)測,以應(yīng)變?yōu)?0%為例,依據(jù)Arrhenius方程進(jìn)行預(yù)測。

首先統(tǒng)計(jì)應(yīng)變?yōu)?0%時(shí),熱油老化不同時(shí)間不同溫度下的名義應(yīng)力,以老化后名義應(yīng)力與原始名義應(yīng)力比值(名義應(yīng)力保持率)做表1。

表1 不同溫度熱油老化不同時(shí)間后名義應(yīng)力保持率Table 1 Nominal stress retention rate of hot oil aging at different temperature and time

依據(jù)Arrhenius方程預(yù)測理論可知,熱油老化過程中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的升高而加快,而化學(xué)反應(yīng)是應(yīng)力應(yīng)變變化的原因,因此在不同溫度下,應(yīng)力保持率與老化時(shí)間存在不同關(guān)系;依據(jù)表1中名義應(yīng)力保持率數(shù)據(jù),以名義應(yīng)力保持率為縱坐標(biāo),對應(yīng)時(shí)間對數(shù)lgt為橫坐標(biāo),將所選性能的測試值作為時(shí)間的函數(shù)作圖如圖4所示。

圖4 名義應(yīng)力保持率與不同老化時(shí)間關(guān)系圖Fig.4 Relationship between nominal stress retention rate and time at different temperatures

以名義應(yīng)力保持率為0.6時(shí)作為臨界值,利用插入法分別求得應(yīng)力保持率為0.6 時(shí)3 個(gè)溫度(343、358和373 K)下所對應(yīng)的時(shí)間lgt,如表2。

表2 不同溫度下名義應(yīng)力達(dá)到臨界值所需時(shí)間Table 2 Time needed for nominal stress to reach critical value at different temperatures

依據(jù)Arrhenius方程預(yù)測理論,時(shí)間的對數(shù)lgt與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T呈現(xiàn)阿雷尼烏斯關(guān)系曲線,因此以每個(gè)測試溫度達(dá)到對應(yīng)保持率時(shí)間的對數(shù)lgt(t的單位為h)與相應(yīng)的測試溫度的熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T作圖,以求得最佳擬合直線見圖5。

圖5 固定保持率時(shí)間與溫度關(guān)系圖Fig.5 Relationship between time and temperature under certain retention rate

如圖5所示,利用數(shù)據(jù)處理軟件擬合出3點(diǎn)所在一次函數(shù)關(guān)系,得到的擬合關(guān)系式為:lgt＝3 691.7/T－6.235 8。

重復(fù)以上計(jì)算過程分別擬合名義應(yīng)力保持率臨界值為0.65,0.70,0.75,0.80 時(shí)lgt與1/T關(guān) 系式,如表3所示。

表3 不同名義應(yīng)力時(shí)間與溫度變化關(guān)系Table 3 Relationship between lg t and 1/T under different nominal stress retention rates

由名義應(yīng)力保持率所對應(yīng)的lgt與1/T擬合方程即可得知該保持率下時(shí)間與溫度的關(guān)系,不同溫度下名義應(yīng)力保持率達(dá)到臨界值時(shí)對應(yīng)不同時(shí)間,即高溫對應(yīng)短時(shí)間,低溫對應(yīng)更長時(shí)間。

內(nèi)膠使用溫度高達(dá)125 ℃,即398 K,將398 K帶入表3中,可得出相應(yīng)的t,單位為h,這里將其轉(zhuǎn)化為月份,每月按720 h算,整理得到名義應(yīng)力保持率與時(shí)間關(guān)系表,見表4。

表4 達(dá)到不同名義應(yīng)力保持率所需時(shí)間Table 4 Time required to achieve different nominal stress retention rates

在溫度不變的情況下,化學(xué)反應(yīng)速率可認(rèn)為是不變的,即化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程與時(shí)間成某函數(shù)關(guān)系,化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程宏觀表現(xiàn)為性能保持率,因此性能保持率與時(shí)間成某函數(shù)關(guān)系;為得到在398 K 高溫下名義應(yīng)力保持率與其老化時(shí)間的關(guān)系,應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件,以時(shí)間t為橫坐標(biāo),保持率為縱坐標(biāo),將表4中的數(shù)據(jù)擬合作圖得到關(guān)系式y(tǒng)＝0.010 81t2－0.151 61t＋0.806 79,t為時(shí)間,單位月,y為名義應(yīng)力保持率,如圖6所示。從關(guān)系式中即可預(yù)測使用一定時(shí)間后的應(yīng)變?yōu)?0%應(yīng)力保持率。

圖6 名義應(yīng)力保持率與時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.6 Relationship between nominal stress retention rate and time

以上預(yù)測是以阿累尼烏斯方程為基礎(chǔ),在高溫398 K 下,對應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)名義應(yīng)力保持率與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行預(yù)測,取對應(yīng)時(shí)間下名義應(yīng)力保持率與原始數(shù)據(jù)的乘積即398 K 下熱油老化該時(shí)間后的應(yīng)力;為得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線,需分別取應(yīng)變?yōu)?0%,90%,120%,150%,180%對其應(yīng)力保持率進(jìn)行預(yù)測,同樣可預(yù)測出使用一定時(shí)間后某應(yīng)變下應(yīng)力保持率與時(shí)間的關(guān)系,其擬合方程如表5所示,y表示名義應(yīng)力保持率,t表示時(shí)間,單位月。

表5 不同名義應(yīng)力保持率與時(shí)間關(guān)系式Table 5 Relationship between nominal stress retention rate and time

4.2.2 應(yīng)變保持率與時(shí)間關(guān)系的預(yù)測

4.2.1 節(jié)是以阿累尼烏斯方程為基礎(chǔ),預(yù)測在高溫398 K,不同應(yīng)變下名義應(yīng)力保持率與時(shí)間的關(guān)系。

內(nèi)膠在熱油老化過程中,其應(yīng)變也將隨著使用時(shí)間的延長而發(fā)生變化,因此,以同樣的方法預(yù)測出內(nèi)膠應(yīng)變保持率隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示,預(yù)測得其應(yīng)變保持率擬合關(guān)系式y(tǒng)1＝0.008 47t2－0.133 79t＋0.808 68,y1表示應(yīng)變保持率,t表示時(shí)間,單位月。

圖7 應(yīng)變保持率與時(shí)間變化關(guān)系圖Fig.7 Relationship between strain retention rate and time

4.2.1 節(jié)分別預(yù)測了不同應(yīng)變下名義應(yīng)力保持率率與時(shí)間關(guān)系,應(yīng)變保持率與時(shí)間關(guān)系,整理以上預(yù)測數(shù)據(jù),分別預(yù)測出熱油老化3、4、5月后內(nèi)膠名義應(yīng)力保持率,與原始應(yīng)力相乘轉(zhuǎn)化為應(yīng)力;同樣預(yù)測出熱油老化后3、4、5月的應(yīng)變保持率,轉(zhuǎn)化為應(yīng)變,將數(shù)據(jù)整理如圖8所示。

圖8 398 K 熱油老化不同時(shí)間后應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of hot oil aging at 398 K for different time

4.3 內(nèi)膠熱油老化一定時(shí)間后扣壓性能的計(jì)算仿真

將圖8中所示預(yù)測高溫?zé)嵊屠匣?月和5月的材料參數(shù)以及未老化的材料參數(shù)導(dǎo)入Abaqus中,提交結(jié)果進(jìn)行計(jì)算仿真。

靜剛度是分析膠管整體扣壓緊密性的關(guān)鍵。因此,首先對內(nèi)膠扣壓靜剛度變化進(jìn)行計(jì)算仿真,如圖9所示。分析預(yù)測數(shù)據(jù)可知;內(nèi)膠熱油老化3～5月后,靜剛度明顯下降,扣壓緊密性降低,更加容易發(fā)生漏油現(xiàn)象。

圖9 靜剛度變化趨勢圖Fig.9 Trend of static stiffness

內(nèi)膠在脈沖作用下發(fā)生一定形變,若超過內(nèi)膠應(yīng)力最大值,內(nèi)膠破損。因此,通過Abaqus仿真內(nèi)膠不同節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力大小,將內(nèi)膠應(yīng)力與材料參數(shù)應(yīng)力值相比較,判斷內(nèi)膠是否破損,從而預(yù)測內(nèi)膠使用壽命。如圖10所示:熱油老化6月后,膠管扣壓后內(nèi)膠在不同節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力大小變化曲線,隨著老化時(shí)間的延長,材料參數(shù)最大應(yīng)力及內(nèi)膠節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力逐漸下降,當(dāng)熱油老化6月時(shí),內(nèi)膠節(jié)點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到材料參數(shù)最大應(yīng)力值1.5 MPa,內(nèi)膠發(fā)生破壞。

圖10 熱油老化不同時(shí)間后材料應(yīng)力與內(nèi)膠節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力變化圖Fig.10 Material stress and internal adhesive joint stress after hot oil aging for different time

5 結(jié)論

1)基于阿累尼烏斯方程預(yù)測膠管氯丁內(nèi)膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線,結(jié)果表明:內(nèi)膠熱油老化3～6月時(shí),其應(yīng)變保持在80%以上時(shí),應(yīng)力明顯下降。

2)基于Arrhenius方程預(yù)測所得高溫?zé)嵊蜅l件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線為材料參數(shù),對膠管扣壓計(jì)算仿真,得到內(nèi)膠性能,結(jié)果表明:熱油老化3～5月后,靜剛度明顯下降,漏油風(fēng)險(xiǎn)增大。

3)熱油老化6 月后,預(yù)測得材料最大應(yīng)力為1.5 MPa,其對應(yīng)膠管扣壓后節(jié)點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到1.5 MPa,因此,內(nèi)膠使用6月以內(nèi)時(shí)較為安全,使用時(shí)間多于6月時(shí),內(nèi)膠破損,漏油風(fēng)險(xiǎn)較大。