陳東旭，徐 樂，張 麗，郭婧宜，翟國富

(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

連接器密封件對于產(chǎn)品的壽命預(yù)計與產(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)的壽命試驗在自然環(huán)境下進(jìn)行,雖然試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且預(yù)測結(jié)果具有很強的說服力,但試驗的整體用時久,成本較高,不適合在產(chǎn)品換代頻率如此之快的當(dāng)今社會使用,因此,加速壽命試驗應(yīng)運而生。

20世紀(jì)60年代,加速壽命試驗的概念第一次被提出:在標(biāo)準(zhǔn)的實際操作和理論研究的基礎(chǔ)上,使用有關(guān)的數(shù)學(xué)計量模型,在對正常應(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方法,被稱為加速壽命試驗[1]。

國內(nèi)外對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)為老化微觀機理研究、宏觀力學(xué)性能分析、加速老化壽命預(yù)測和防老化防護(hù)方法等4個方面的內(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、動力學(xué)直線化法[3]、時溫疊加法、 數(shù)學(xué)模型法。武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院李金玉對氯丁橡膠在空氣、海水中的老化實驗結(jié)果,用非線性回歸法處理數(shù)據(jù),分別計算了該橡膠在海水和空氣中的老化動力學(xué)參數(shù)[4]。長江大學(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)測橡膠壽命的一些方法,探索它們的特點及優(yōu)缺點,提出相關(guān)處理方法[5]。吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點實驗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估方程,對常溫下的貯存壽命進(jìn)行預(yù)測[6]。同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院張永峰和陸志強等人于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的自然老化分布預(yù)測圖[8]。

本文對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,確定了每個應(yīng)力環(huán)境下O形圈的失效老化因子,建立壽命預(yù)測模型,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)測提供了參考,同時對比出橡膠件在使用過程中不同壓縮量對使用壽命的影響。

2 橡膠加速老化試驗和退化表征量的計算方法

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的具體實施過程是參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》(GB/T3512-2014)和《恒定應(yīng)力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則》(GB 2689.1-81)進(jìn)行的。加速壽命試驗中的應(yīng)力水平應(yīng)該不少于四個,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)超過會導(dǎo)致試樣失效的應(yīng)力水平[9]。故確定試驗應(yīng)力水平為358K(85℃)、378K(105℃)、398K(125℃)和423K(150℃)。本文中的橡膠件實際使用應(yīng)力水平為25℃。

橡膠退化表征量的宏觀性能評價指標(biāo)有拉伸模量、拉伸截面收縮率、拉伸強度、扯斷拉長率、硬度和壓縮永久變形率等。對于本文所研究的密封用橡膠圈,其正常工作時處于壓縮狀態(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量根據(jù)《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測定》(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。計算結(jié)果精確到0.01%。

3 橡膠老化壽命建模

時溫疊加原理是根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的時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)時間,加快化學(xué)反應(yīng)的速率,換取在短時間內(nèi)獲得材料的性能衰退規(guī)律[10]。

實測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,則在多個水平應(yīng)力Ti下,橡膠件在在不同的反應(yīng)時間ti時,以不同的反應(yīng)速率Ki,達(dá)到相同的退化至Fa時:

(3-2)

對上式兩邊取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)測出常溫下連接器密封用橡膠件的使用壽命。

3.1 試驗方案

在本部分內(nèi)容中,將對密封用橡膠件的加速壽命試驗做出總體的試驗方案,內(nèi)容包括試驗類別、試驗條件、試樣數(shù)量、測試參數(shù)、試驗結(jié)果和目的幾個部分,并對其中不同的試驗類別下橡膠件的壓縮量進(jìn)行計算,該計算應(yīng)當(dāng)符合中國船舶工業(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是具體的試驗方案。

表1 試驗方案

實際壓縮量計算:計算結(jié)果為O形圈壓縮量為0.6mm,壓縮后高度為2.05mm。

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

最小壓縮量計算:根據(jù)CB1236-95中相關(guān)規(guī)定,最小壓縮率Kmin≥14.2%,計算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

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

圖1 夾具裝配圖

圖2 夾具實物

3.3 試驗數(shù)據(jù)分析

每個應(yīng)力水平下的橡膠件試樣共八個,處理數(shù)據(jù)時,首先對每個應(yīng)力水平下的返回數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選:算出該組數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值后與八個數(shù)據(jù)依次進(jìn)行對比,確保每個應(yīng)力水平下的返回數(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,再計算出壓縮永久變形量。

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

圖3 實際壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化的曲線

圖4 最大壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化的曲線

圖5 最小壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化的曲線

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

圖6 實際壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化擬合曲線

圖7 最大壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化擬合曲線

圖8 最小壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化擬合曲線

通過擬合后的曲線反推零時刻情況,發(fā)現(xiàn)所有曲線都沒有過(0,0)的點,并且c0都要大于0。這表明橡膠在短時間(2.6d)內(nèi),橡膠樣品的高溫加速老化的機制與長時間內(nèi)(>2.6d)的不同,從長時間壓縮老化得到的參數(shù)不適用于極短時間內(nèi)的情況,絕大多數(shù)情況下,初始時壓縮永久變形的速率是要大于長時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隨老化時間t的增長而線性上升,加速應(yīng)力越大(即加速老化試驗溫度越高),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間t。同時,由圖9、10、11可得到活化能E實際壓縮量=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)測的使用壽命越短。

圖9 實際壓縮量時lnk與1/T的關(guān)系

圖10 最大壓縮量時lnk與1/T的關(guān)系

圖11 最小壓縮量時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)該曲線可以計算出25℃情況下的k,在根據(jù)式3-2可以估測常溫下橡膠件退化至失效閾值所需要的時間。

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,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℃時的壓縮永久變形速率。

將式4-2簡化為線性函數(shù):

C=kT+C0

(4-3)

當(dāng)C1=C2,并假設(shè)C0=0時:

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,

C25=k25T25+C0

(4-5)

80=0.0024T25

(4-6)

可以得到T25=33333d=91.3年,則根據(jù)動力學(xué)直線化法,實際壓縮量橡膠件的預(yù)測壽命為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,最大壓縮量橡膠件的預(yù)測壽命為86.3年、最小壓縮量橡膠件的預(yù)測壽命為46.3年。

4 結(jié)論

(1)橡膠件加速老化試驗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)測模型,計算出表觀活化能E實際壓縮量=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,實際壓縮量橡膠件的預(yù)測壽命為91.3年、最大壓縮量橡膠件的預(yù)測壽命為86.3年、最小壓縮量橡膠件的預(yù)測壽命為46.3年。

(3)過大壓縮量會導(dǎo)致O形橡膠圈使用壽命降低,主要原因為承受應(yīng)力越大老化速率越快。過小壓縮量也會導(dǎo)致O形橡膠圈使用壽命降低,主要原因為相同失效閾值所對應(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)計合理。