陳東旭，徐 樂，張 麗，郭婧宜，翟國(guó)富

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱，150001；2.中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

連接器密封件對(duì)于產(chǎn)品的壽命預(yù)計(jì)與產(chǎn)品的使用安全、高效可靠、成本估量都息息相關(guān)。近些年來,伴隨著科技信息化的不斷更迭,工作穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)的產(chǎn)品越來越多,產(chǎn)品的更新?lián)Q代也愈發(fā)快速。傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)在自然環(huán)境下進(jìn)行,雖然試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且預(yù)測(cè)結(jié)果具有很強(qiáng)的說服力,但試驗(yàn)的整體用時(shí)久,成本較高,不適合在產(chǎn)品換代頻率如此之快的當(dāng)今社會(huì)使用,因此,加速壽命試驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。

20世紀(jì)60年代,加速壽命試驗(yàn)的概念第一次被提出:在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際操作和理論研究的基礎(chǔ)上,使用有關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)量模型,在對(duì)正常應(yīng)力水平范圍外的加速應(yīng)力水平下所獲得的置信度較高的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行變換,從而得到產(chǎn)品試樣在正常應(yīng)力水平下特征的估值的一種試驗(yàn)方法,被稱為加速壽命試驗(yàn)[1]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于橡膠材料及制品的老化進(jìn)行了大量的研究,可以總結(jié)為老化微觀機(jī)理研究、宏觀力學(xué)性能分析、加速老化壽命預(yù)測(cè)和防老化防護(hù)方法等4個(gè)方面的內(nèi)容[2]。傳統(tǒng)的方法主要有電氣工程領(lǐng)域采用的線性關(guān)系法、動(dòng)力學(xué)直線化法[3]、時(shí)溫疊加法、 數(shù)學(xué)模型法。武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院李金玉對(duì)氯丁橡膠在空氣、海水中的老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果,用非線性回歸法處理數(shù)據(jù),分別計(jì)算了該橡膠在海水和空氣中的老化動(dòng)力學(xué)參數(shù)[4]。長(zhǎng)江大學(xué)段家松綜述橡膠材料原理,并介紹了用數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)橡膠壽命的一些方法,探索它們的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn),提出相關(guān)處理方法[5]。吉林大學(xué)汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉巧斌等摒棄傳統(tǒng)高分子材料老化建模方法的弊端,根據(jù)插值法和時(shí)溫疊加原理,高溫加速老化數(shù)據(jù)外推獲得了常溫下橡膠老化的平移因子,并建立了常溫下橡膠的貯存壽命評(píng)估方程,對(duì)常溫下的貯存壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)[6]。同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院張永峰和陸志強(qiáng)等人于2020年提出一種優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的壽命預(yù)測(cè)模型[7]。北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心吳德權(quán)等應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,建立了三元乙丙橡膠在中國(guó)的自然老化分布預(yù)測(cè)圖[8]。

本文對(duì)φ2.65mm O形圈進(jìn)行了不同溫度下和不同壓縮量的高溫加速老化試驗(yàn),確定了每個(gè)應(yīng)力環(huán)境下O形圈的失效老化因子,建立壽命預(yù)測(cè)模型,為后續(xù)密封用橡膠件加速老化數(shù)據(jù)處理與壽命預(yù)測(cè)提供了參考,同時(shí)對(duì)比出橡膠件在使用過程中不同壓縮量對(duì)使用壽命的影響。

2 橡膠加速老化試驗(yàn)和退化表征量的計(jì)算方法

橡膠的熱空氣加速老化是最常用的人工加速老化方法,橡膠熱空氣老化試驗(yàn)的具體實(shí)施過程是參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)》(GB/T3512-2014)和《恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則》(GB 2689.1-81)進(jìn)行的。加速壽命試驗(yàn)中的應(yīng)力水平應(yīng)該不少于四個(gè),且各應(yīng)力水平間應(yīng)有較大的間隔。其中應(yīng)有應(yīng)力水平接近試樣在實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)下的應(yīng)力水平,且最高的應(yīng)力水平不應(yīng)超過會(huì)導(dǎo)致試樣失效的應(yīng)力水平[9]。故確定試驗(yàn)應(yīng)力水平為358K(85℃)、378K(105℃)、398K(125℃)和423K(150℃)。本文中的橡膠件實(shí)際使用應(yīng)力水平為25℃。

橡膠退化表征量的宏觀性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有拉伸模量、拉伸截面收縮率、拉伸強(qiáng)度、扯斷拉長(zhǎng)率、硬度和壓縮永久變形率等。對(duì)于本文所研究的密封用橡膠圈,其正常工作時(shí)處于壓縮狀態(tài),故采用壓縮永久變形率來衡量其老化程度。壓縮永久變形率的測(cè)量根據(jù)《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測(cè)定》(GB/T7759-2015)的規(guī)定進(jìn)行。壓縮永久變形率c的表達(dá)式如下:

(2-1)

式中,H0為試樣原高,mm;Hn為試樣恢復(fù)后的高度,mm;Hs,限位器的高度,mm。計(jì)算結(jié)果精確到0.01%。

3 橡膠老化壽命建模

時(shí)溫疊加原理是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間和溫度可以相互等效的規(guī)律建立起來的,即采用高溫來換取反應(yīng)時(shí)間,加快化學(xué)反應(yīng)的速率,換取在短時(shí)間內(nèi)獲得材料的性能衰退規(guī)律[10]。

實(shí)測(cè)橡膠件高溫加速老化的數(shù)據(jù),通過曲線擬合得到不同溫度下的壓縮永久變形率隨老化時(shí)間的變化曲線,得到壓縮永久變形速率k。

根據(jù)阿累尼烏斯方程,橡膠老化速率k滿足:

(3-1)

式中:K(T)-反應(yīng)速率的常數(shù);A-指數(shù)因數(shù);E-活化能;R-摩爾氣體常數(shù);T-熱力學(xué)溫度。

用Fa表示橡膠件的退化表征量,則在多個(gè)水平應(yīng)力Ti下,橡膠件在在不同的反應(yīng)時(shí)間ti時(shí),以不同的反應(yīng)速率Ki,達(dá)到相同的退化至Fa時(shí):

(3-2)

對(duì)上式兩邊取ln可得:

(3-3)

由此可以得出lnt與溫度倒數(shù)1/T之間的關(guān)系,求得表觀活化能E,此時(shí)得到不同溫度下的橡膠圈壓縮永久變形速率的表達(dá)式,外推出橡膠件常溫下的壓縮永久變形速率,選用線性函數(shù)c=kT+c0,確定橡膠件壓縮永久變形率的失效閾值,從而預(yù)測(cè)出常溫下連接器密封用橡膠件的使用壽命。

3.1 試驗(yàn)方案

在本部分內(nèi)容中,將對(duì)密封用橡膠件的加速壽命試驗(yàn)做出總體的試驗(yàn)方案,內(nèi)容包括試驗(yàn)類別、試驗(yàn)條件、試樣數(shù)量、測(cè)試參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果和目的幾個(gè)部分,并對(duì)其中不同的試驗(yàn)類別下橡膠件的壓縮量進(jìn)行計(jì)算,該計(jì)算應(yīng)當(dāng)符合中國(guó)船舶工業(yè)總公司于1995年發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)CB 1236-95中的相關(guān)規(guī)定。表1是具體的試驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)方案

實(shí)際壓縮量計(jì)算:計(jì)算結(jié)果為O形圈壓縮量為0.6mm,壓縮后高度為2.05mm。

最大壓縮量計(jì)算:根據(jù)CB1236-95中相關(guān)規(guī)定,最大壓縮率Kmax≤26.3%,計(jì)算O形圈徑向最大壓縮量為0.7mm,所以壓縮后高度為1.95mm。

最小壓縮量計(jì)算:根據(jù)CB1236-95中相關(guān)規(guī)定,最小壓縮率Kmin≥14.2%,計(jì)算O形圈徑向最小壓縮量為0.38mm,所以壓縮后高度為2.27mm。

3.2 夾具設(shè)計(jì)

在加速壽命試驗(yàn)進(jìn)行前,根據(jù)橡膠件實(shí)際使用情況,設(shè)計(jì)橡膠件夾具,夾具材料采用316不銹鋼,防止在試驗(yàn)過程中夾具生銹給試驗(yàn)帶來不確定因素,夾具裝配圖及實(shí)物圖如圖1和2所示。

圖1 夾具裝配圖

圖2 夾具實(shí)物

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

每個(gè)應(yīng)力水平下的橡膠件試樣共八個(gè),處理數(shù)據(jù)時(shí),首先對(duì)每個(gè)應(yīng)力水平下的返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行篩選:算出該組數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值后與八個(gè)數(shù)據(jù)依次進(jìn)行對(duì)比,確保每個(gè)應(yīng)力水平下的返回?cái)?shù)據(jù)與該組數(shù)據(jù)的平均值的差值不超過10%。之后將該組數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值,再計(jì)算出壓縮永久變形量。

試驗(yàn)時(shí)間為320天,橡膠件在實(shí)際壓縮量、最大壓縮量和最小壓縮量時(shí),不同溫度下的壓縮永久變形率隨老化時(shí)間變化的曲線如圖3、4、5所示。

圖3 實(shí)際壓縮量時(shí)壓縮永久變形率隨老化時(shí)間變化的曲線

圖4 最大壓縮量時(shí)壓縮永久變形率隨老化時(shí)間變化的曲線

圖5 最小壓縮量時(shí)壓縮永久變形率隨老化時(shí)間變化的曲線

采用動(dòng)力學(xué)直線化法對(duì)圖3、4、5中不同溫度下的加速老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,擬合結(jié)果如圖6、7、8所示。

圖6 實(shí)際壓縮量時(shí)壓縮永久變形率隨老化時(shí)間變化擬合曲線

圖7 最大壓縮量時(shí)壓縮永久變形率隨老化時(shí)間變化擬合曲線

圖8 最小壓縮量時(shí)壓縮永久變形率隨老化時(shí)間變化擬合曲線

通過擬合后的曲線反推零時(shí)刻情況,發(fā)現(xiàn)所有曲線都沒有過(0,0)的點(diǎn),并且c0都要大于0。這表明橡膠在短時(shí)間(2.6d)內(nèi),橡膠樣品的高溫加速老化的機(jī)制與長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)(>2.6d)的不同,從長(zhǎng)時(shí)間壓縮老化得到的參數(shù)不適用于極短時(shí)間內(nèi)的情況,絕大多數(shù)情況下,初始時(shí)壓縮永久變形的速率是要大于長(zhǎng)時(shí)間后壓縮永久變形的速率。

在線性擬合條件下,壓縮永久變形量C隨老化時(shí)間t的增長(zhǎng)而線性上升,加速應(yīng)力越大(即加速老化試驗(yàn)溫度越高),壓縮永久變形速率k越大。

由圖6、7、8擬合可得到溫度T與壓縮永久變形速率k之間的關(guān)系曲線,如圖9、10、11所示。圖9、10、11中可見Lnk與1/T呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系,拓展可得到常溫下的壓縮永久變形量的變化速率k,進(jìn)而估算獲得常溫下達(dá)到壓縮永久變形量閾值所需時(shí)間t。同時(shí),由圖9、10、11可得到活化能E實(shí)際壓縮量=46.6J/mol、E最大壓縮量=44.4J/mol、E最小壓縮量=39.2kJ/mol,根據(jù)阿倫尼烏斯公式可知,活化能E越小,退化速率越大,預(yù)測(cè)的使用壽命越短。

圖9 實(shí)際壓縮量時(shí)lnk與1/T的關(guān)系

圖10 最大壓縮量時(shí)lnk與1/T的關(guān)系

圖11 最小壓縮量時(shí)lnk與1/T的關(guān)系

由圖9可以看出,Lnk與1/T呈極好的線性關(guān)系,根據(jù)該曲線可以計(jì)算出25℃情況下的k,在根據(jù)式3-2可以估測(cè)常溫下橡膠件退化至失效閾值所需要的時(shí)間。

圖9中得到的曲線表達(dá)式為:

Lnk=-5409×1/T+11.53

(4-1)

在應(yīng)力水平25℃時(shí),求橡膠件壓縮永久變形速率:

T25=25+273.15=308.15

(4-2)

帶入式4-1中,得到k25=0.0024,k25即為橡膠件在25℃時(shí)的壓縮永久變形速率。

將式4-2簡(jiǎn)化為線性函數(shù):

C=kT+C0

(4-3)

當(dāng)C1=C2,并假設(shè)C0=0時(shí):

C1=k1T1=C2=k2T2

(4-4)

則在溫度為25℃、橡膠件退化至失效閾值(C=80%)時(shí),

C25=k25T25+C0

(4-5)

80=0.0024T25

(4-6)

可以得到T25=33333d=91.3年,則根據(jù)動(dòng)力學(xué)直線化法,實(shí)際壓縮量橡膠件的預(yù)測(cè)壽命為91.3年。

同理可得,最大壓縮量和最小壓縮量橡膠件退化至失效閾值(C=80%)時(shí),最大壓縮量橡膠件的預(yù)測(cè)壽命為86.3年、最小壓縮量橡膠件的預(yù)測(cè)壽命為46.3年。

4 結(jié)論

(1)橡膠件加速老化試驗(yàn)均遵循溫度越高老化速率越快的規(guī)律。

(2)建立了連接器密封用橡膠件使用壽命的預(yù)測(cè)模型,計(jì)算出表觀活化能E實(shí)際壓縮量=46.6J/mol、E最大壓縮量=44.4J/mol、E最小壓縮量=39.2kJ/mol,在使用溫度為25℃以及壓縮永久變形率的失效閾值為80%時(shí),實(shí)際壓縮量橡膠件的預(yù)測(cè)壽命為91.3年、最大壓縮量橡膠件的預(yù)測(cè)壽命為86.3年、最小壓縮量橡膠件的預(yù)測(cè)壽命為46.3年。

(3)過大壓縮量會(huì)導(dǎo)致O形橡膠圈使用壽命降低,主要原因?yàn)槌惺軕?yīng)力越大老化速率越快。過小壓縮量也會(huì)導(dǎo)致O形橡膠圈使用壽命降低,主要原因?yàn)橄嗤ч撝邓鶎?duì)應(yīng)的壓縮永久變形量允許范圍變小。因此,壓縮的大小要設(shè)計(jì)合理。