張世富,劉天民,紀(jì)連好,張起欣,吳祁衡,巨平勇
(1.后勤工程學(xué)院 a.科研部;b.軍事供油工程系,重慶 401311;2. 92983 部隊(duì),山東 青島 266042;3. 76140 部隊(duì),廣西 桂林 541001;4. 78539 部隊(duì),四川 樂山 614100)
橡膠材料在國防工業(yè)、航空航天及尖端科學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用,用于實(shí)現(xiàn)某些特定功能的橡膠制品性能的好壞更是直接關(guān)系到裝備是否能安全可靠地運(yùn)行。利用加速老化試驗(yàn)技術(shù),可較為快速地預(yù)測橡膠制品正常使用及儲(chǔ)存狀態(tài)下的老化壽命,從而為橡膠制品的正常使用、及時(shí)更換和經(jīng)濟(jì)效益之間的最佳平衡提供科學(xué)依據(jù)。
目前,國內(nèi)外研究者對(duì)橡膠制品特定環(huán)境下的老化壽命進(jìn)行了理論和試驗(yàn)方面的研究,取得了一系列研究成果。林總君、張生鵬、胡寬、賈展寧等[1-4]利用加速老化試驗(yàn)法分別對(duì)某火箭發(fā)動(dòng)機(jī)硅橡膠P6144 密封材料、某武器紅外引信中的橡膠減振墊、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液路系統(tǒng)的某橡膠密封件及火箭發(fā)射適配架的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料在熱氧老化失效機(jī)理下的老化壽命進(jìn)行了預(yù)測。在上述研究中,所采用的方法均為基于恒定應(yīng)力加載方式的加速老化試驗(yàn)法,需在各加速應(yīng)力水平下分別對(duì)橡膠制品進(jìn)行加速老化試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)間冗長。出于提高試驗(yàn)效率的考慮,將可靠性領(lǐng)域中常用的步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)方法創(chuàng)新性地引入到橡膠制品老化壽命的預(yù)測中,圍繞試驗(yàn)方法、試驗(yàn)效率對(duì)比和試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析等核心問題,通過理論推導(dǎo)和編程計(jì)算,建立了完整的橡膠老化壽命預(yù)測的步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)理論體系。利用步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法,對(duì)聚氨酯儲(chǔ)油材料熱氧老化失效機(jī)理下的老化壽命進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明,在不降低壽命預(yù)測精度的前提下,步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)方法大幅度提高了試驗(yàn)效率,在橡膠老化壽命預(yù)測方面具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
影響橡膠材料老化壽命的環(huán)境因子有溫度、氧、光照、臭氧等,其中,熱氧老化是導(dǎo)致橡膠材料性能指標(biāo)下降的最主要因素。在工程上,通常用雙參數(shù)經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)模型[5]表述熱氧老化失效機(jī)理下橡膠老化程度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律,其表達(dá)式為
式中:P 為表示橡膠老化程度的性能指標(biāo);A 為常數(shù);α 為老化常數(shù);K 為化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù);t 為老化時(shí)間。
對(duì)各溫度加速應(yīng)力水平下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和回歸分析,可得到式(1)中未知參數(shù)α、A、K 的估計(jì)值,從而得到各溫度加速應(yīng)力水平下的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)K。由熱氧老化理論可知,在一定溫度范圍內(nèi),化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)K與熱力學(xué)溫度T 的關(guān)系服從阿倫尼斯方程
式中:T 為熱力學(xué)溫度;E 為表觀活化能;Λ 為頻率因子;R 為氣體常數(shù)。
對(duì)式(2)兩邊取對(duì)數(shù),可得
利用最小二乘法對(duì)上式進(jìn)行一元線性回歸分析,可得到式(4)中未知參數(shù)a、b 的估計(jì)值,進(jìn)而可對(duì)任一溫度下的K值進(jìn)行預(yù)測。將α、A 和K 的預(yù)測值代入式(1),可得到橡膠老化程度隨老化時(shí)間變化的雙參數(shù)經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)公式,根據(jù)橡膠性能指標(biāo)的失效判據(jù),可對(duì)橡膠的老化壽命進(jìn)行預(yù)測。
為改善恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法的試驗(yàn)效率,提出了步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法。與可靠性領(lǐng)域中的步進(jìn)應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)類似,它是事先選定一組加速應(yīng)力水平T1<T2<…<Tk,將試驗(yàn)樣品全部置于應(yīng)力水平T1下進(jìn)行試驗(yàn),在保持一定老化時(shí)間或性能指標(biāo)下降到一定程度后,將應(yīng)力水平上升到T2,繼續(xù)對(duì)橡膠進(jìn)行加速老化試驗(yàn),依此類推,直到最高應(yīng)力水平為止。
下面,利用橡膠性能指標(biāo)隨老化時(shí)間變化的動(dòng)力學(xué)曲線,從定性分析的角度對(duì)兩種方法的試驗(yàn)效率進(jìn)行對(duì)比。
當(dāng)采用恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法對(duì)橡膠進(jìn)行加速老化試驗(yàn)時(shí),應(yīng)力加載方式如圖1(a)所示,性能指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線如圖2(a)所示。以性能指標(biāo)下降幅度達(dá)到ΔP 作為試驗(yàn)停止的依據(jù),橡膠性能指標(biāo)按照P-T1曲線退化,在老化時(shí)間t1時(shí),性能指標(biāo)的退化量達(dá)到ΔP,將應(yīng)力水平轉(zhuǎn)換為T2,對(duì)全新橡膠試樣進(jìn)行加速老化試驗(yàn),橡膠性能指標(biāo)按照退化曲線P-T2曲線退化,以此類推,直到完成所有應(yīng)力水平下的加速老化試驗(yàn)。
當(dāng)采用步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法對(duì)橡膠進(jìn)行加速老化試驗(yàn)時(shí),應(yīng)力加載方式如圖1(b)所示,性能指標(biāo)隨時(shí)間的變化曲線如圖2(b)所示。性能指標(biāo)首先按照P-T1曲線退化,在老化時(shí)間t11時(shí),性能指標(biāo)退化量達(dá)到ΔP1,將應(yīng)力水平轉(zhuǎn)換為T2,繼續(xù)對(duì)橡膠進(jìn)行加速老化試驗(yàn),性能指標(biāo)按照P-T2曲線退化,在老化時(shí)間t21時(shí),性能指標(biāo)退化量達(dá)到ΔP1+ΔP2,以此類推,直至應(yīng)力水平Tk為止,性能指標(biāo)的退化量為ΔP=ΔP1+ΔP2+…+ΔPk。
圖1 應(yīng)力加載方式示意圖
圖2 性能指標(biāo)隨老化時(shí)間的退化曲線示意圖
在恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)中,記總試驗(yàn)時(shí)間為tc,則tc=t1+t2+…+tk。在步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)中,記總試驗(yàn)時(shí)間為tu,則tu=t1,1+t2,1+…+tk,1-(t2,0+…+tk,0)。由圖中可以看出,tk=tk,1,t1>t1,1,t2>t2,1,…,tk-1>tk-1,0,可得出tc>tu。以上分析說明,在達(dá)到相同退化量的情況下,步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法所需試驗(yàn)時(shí)間更少,試驗(yàn)效率更高。
按照應(yīng)力水平T1<T2<…<Tk的順序?qū)ο鹉z進(jìn)行步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)。在應(yīng)力水平Ti下,記第j 個(gè)測試時(shí)間節(jié)點(diǎn)ti,j測得的橡膠性能指標(biāo)為Pi,j。從Ti開始時(shí)刻至該應(yīng)力水平下的最后一個(gè)測試時(shí)間節(jié)點(diǎn)ti,ri期間,性能指標(biāo)的下降幅度為ΔPi=Pi-1,ri-1-Pi,ri,當(dāng)ΔPi滿足參數(shù)估計(jì)精度對(duì)性能指標(biāo)下降幅度的要求時(shí),將應(yīng)力水平轉(zhuǎn)換至Ti+1,重新開始計(jì)時(shí)。各應(yīng)力水平下的測試時(shí)間節(jié)點(diǎn)及對(duì)應(yīng)性能指標(biāo)的測量值可表示為:
由步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)的試驗(yàn)過程可知,除最低加速應(yīng)力水平外,其他加速應(yīng)力水平下橡膠性能指標(biāo)的退化數(shù)據(jù)Pi,j(2≤i≤k,1≤j≤ri)均為T1,T2,…,Ti應(yīng)力水平共同作用的結(jié)果。因此,在對(duì)壽命預(yù)測模型中的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)前,需將前i-1 階加速應(yīng)力水平的累積老化時(shí)間轉(zhuǎn)化折合為第i階應(yīng)力水平下的等效老化時(shí)間,然后與Ti應(yīng)力水平下的老化時(shí)間相加才能得到Ti應(yīng)力水平下的完整老化時(shí)間數(shù)據(jù),則步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)的失效樣本可轉(zhuǎn)化為恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)下的失效樣本,根據(jù)各應(yīng)力水平下的完整老化時(shí)間數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)測量值,可對(duì)壽命預(yù)測模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。
根據(jù)時(shí)溫等效原理,可實(shí)現(xiàn)各應(yīng)力水平下老化時(shí)間之間的相互折算[6]。溫度和時(shí)間對(duì)橡膠元件性能的影響都遵循以下規(guī)律:溫度升高,則P 退化過程所需時(shí)間縮短,溫度降低,則P 退化所需時(shí)間延長。溫度和時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為
將式(4)和式(1)代入式(6)可得
對(duì)式(7)進(jìn)行化簡,可得
定義加速系數(shù)εi,j=tj/ti,利用加速系數(shù)εi,j,可實(shí)現(xiàn)各應(yīng)力水平之間老化時(shí)間的相互折算。首先將應(yīng)力水平T1下的累積老化時(shí)間t1,r1轉(zhuǎn)化為應(yīng)力水平T2下的等效老化時(shí)間,則得到應(yīng)力水平T2下,橡膠性能指標(biāo)為P2,j時(shí)的累積老化時(shí)間t'2,j=t2,j+ t'2,0。同理,將應(yīng)力水平T2下的累積老化時(shí)間t'2,r2=t'2,0+ t2,r2轉(zhuǎn) 化 為 應(yīng) 力 水 平T3下 的 等 效 老 化 時(shí) 間t'3,0=t'2,r2/ε3,2,則 得 到 應(yīng)力 水 平T3下,橡膠 性 能 指 標(biāo) 為P3,j(1≤j≤r3)時(shí)的累積老化時(shí)間t'3,j= t3,j+ t'3,0。以此類推,可得到所用應(yīng)力水平下橡膠性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的累積老化時(shí)間。
由步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)的試驗(yàn)過程可知,各應(yīng)力水平下橡膠性能指標(biāo)的測試次數(shù)為ri,則試驗(yàn)過程中獲得的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)為r1+r2+…+rk。利用加速系數(shù),可將T1、T2、…、Ti-1下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算到Ti應(yīng)力水平下,從而構(gòu)成Ti應(yīng)力水平的前ni-1(ni-1=r1+r2+… +ri-1)個(gè)等效試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合Ti應(yīng)力水平下的ri個(gè)實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù),可構(gòu)成Ti應(yīng)力水平下的ni(ni=ni-1+ri)個(gè)等效試驗(yàn)數(shù)據(jù),從而大幅度提高了試驗(yàn)樣本量,提高了參數(shù)估計(jì)精度。利用加速因子,對(duì)式(5)所示的試驗(yàn)樣本進(jìn)行轉(zhuǎn)換后,得到的等效試驗(yàn)樣本如下:
統(tǒng)計(jì)分析是對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和回歸分析,對(duì)未知參數(shù)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的過程。式(9)所示的失效樣本并不是真正意義上的失效樣本,除加速應(yīng)力水平T1外,其他加速應(yīng)力水平下的累積老化時(shí)間是由加速系數(shù)折合換算后得到的,均包含未知參數(shù)a,b,α,因此稱之為準(zhǔn)樣本。
由于式(9)所示的失效樣本中包含未知參數(shù)a,b,α,因此,利用傳統(tǒng)恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法中的線性回歸統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)a,b,α 進(jìn)行估計(jì)具有很大的難度。針對(duì)此類問題,工程上通常用迭代法求解未知參數(shù),求解過程繁瑣,計(jì)算量大?;贛atlab 軟件平臺(tái),利用最小二乘法參數(shù)估計(jì)原理,開發(fā)了流程化的準(zhǔn)樣本參數(shù)估計(jì)程序,其參數(shù)估計(jì)原理可概括如下:
首先,基于最小二乘法原理,建立參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則[7]:
式中:k 為加速老化試驗(yàn)的應(yīng)力水平數(shù);ri為第i 個(gè)溫度應(yīng)力水平下的測試點(diǎn)數(shù);Pij為第i 個(gè)溫度應(yīng)力水平下,第j 個(gè)測試節(jié)點(diǎn)橡膠性能指標(biāo)的試驗(yàn)值為第i 個(gè)溫度應(yīng)力水平下,第j 個(gè)測試節(jié)點(diǎn)橡膠性能指標(biāo)的預(yù)測值。參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則I 表示性能指標(biāo)預(yù)測值對(duì)試驗(yàn)值的擬合優(yōu)度,I 取值越小,說明性能指標(biāo)預(yù)測值對(duì)試驗(yàn)值的擬合優(yōu)度最好。
然后,在Matlab 中定義符號(hào)對(duì)象A,a,b,α,可得各應(yīng)力水平之間加速因子的表達(dá)式,利用加速因子,將各應(yīng)力水平下橡膠性能指標(biāo)對(duì)應(yīng)的累積老化時(shí)間t'i,j表示為包含未知參數(shù)a,b,α 表達(dá)式的形式,將t'i,j和A 代入式(1)中,可得橡膠性能指標(biāo)的預(yù)測值是未知參數(shù)A,a,b,α 的函數(shù)。根據(jù)Pij和,可得到參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則I 的表達(dá)式形式。
最后,調(diào)用Matlab 中的fminsearch 函數(shù),設(shè)定符號(hào)對(duì)象A,a,b,α 的初始值,對(duì)I 的最小值進(jìn)行尋優(yōu),fminsearch 函數(shù)返回I 取最小值時(shí)A,a,b,α 的值。將A,a,b,α 的值代入式(1)中,可得到表述橡膠性能指標(biāo)與老化時(shí)間、老化溫度之間關(guān)系的雙參數(shù)經(jīng)驗(yàn)動(dòng)力學(xué)公式,結(jié)合性能指標(biāo)的失效判據(jù),可對(duì)橡膠元件的老化壽命進(jìn)行預(yù)測。
聚氨酯膠料是制作軟體油罐的主體材料,其老化壽命在一定程度上可體現(xiàn)軟體油罐的老化壽命。在之前的研究中,筆者利用恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法,以烘箱加速老化試驗(yàn)法模擬加速聚氨酯膠料的熱氧老化進(jìn)程,通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,外推預(yù)測了聚氨酯膠料正常儲(chǔ)存環(huán)境下的儲(chǔ)存壽命。在試驗(yàn)中,溫度加速應(yīng)力水平分別設(shè)置為70、82.4、95.6和110℃,各加速應(yīng)力水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間分別為30、30、15 和10d,在停止試驗(yàn)時(shí),聚氨酯膠料啞鈴狀試樣的拉伸強(qiáng)度保持率分別為80.4%、70.4%、68.3%和62.5%。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,以拉伸強(qiáng)度保持率下降30%作為聚氨酯膠料的失效判據(jù),外推得到聚氨酯膠料在10、20 和30℃下的儲(chǔ)存壽命分別為30.6、11.4 和4.5 年。
為對(duì)步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法的試驗(yàn)效率和壽命預(yù)測精度進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,在相同溫度加速應(yīng)力水平的設(shè)定條件下,利用步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法對(duì)聚氨酯膠料的儲(chǔ)存壽命進(jìn)行了預(yù)測。
高低溫試驗(yàn)箱GL405F(-40 ~150℃,誤差為±0.1℃),電子萬能拉力試驗(yàn)機(jī)WDW-100,啞鈴Ⅱ型試驗(yàn)裁刀,橡膠沖片機(jī)。
用啞鈴Ⅱ型試驗(yàn)裁刀和橡膠沖片機(jī)在聚氨酯膠料試片上截取啞鈴狀試樣,將試樣懸掛于高低溫試驗(yàn)箱中,設(shè)定老化溫度為70℃,開始計(jì)時(shí),取測試周期為1 d,在測試時(shí)間節(jié)點(diǎn),取出部分試樣(不少于3 個(gè)),按照GB/T 2941《橡膠試驗(yàn)環(huán)境調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)溫度、濕度及時(shí)間》進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié),按照HG/T2580—2008《橡膠或塑料涂覆織物拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率的測定》完成拉伸試驗(yàn),取拉伸強(qiáng)度保持率的平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)拉伸強(qiáng)度保持率下降幅度達(dá)到10%時(shí),將溫度應(yīng)力水平設(shè)定為82.4℃,重新開始計(jì)時(shí),繼續(xù)對(duì)聚氨酯膠料進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。以此類推,直至溫度應(yīng)力水平達(dá)到110℃,拉伸強(qiáng)度保持率下降幅度為40%時(shí)停止試驗(yàn)。
各測試時(shí)間節(jié)點(diǎn),聚氨酯膠料拉伸強(qiáng)度保持率的測量值見表1。
利用3.4 節(jié)所述的統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)表1 所示的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,fminsearch 函數(shù)返回I 取最小值時(shí)A,a,b,α 的值,將A,a,b,α 的參數(shù)估計(jì)值代入式(1)中,則聚氨酯膠料拉伸強(qiáng)度保持率與老化時(shí)間、老化溫度之間的關(guān)系可寫為
與恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)對(duì)失效判據(jù)的規(guī)定相同,以P=0.7 作為聚氨酯膠料的失效判據(jù),得到聚氨酯膠料在10、20 和30℃下的儲(chǔ)存壽命分別為24.6、9.44 和3.86 年。利用本方法得到的壽命預(yù)測結(jié)果與恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)的壽命預(yù)測結(jié)果基本一致,但試驗(yàn)時(shí)間縮短了63.5%,試驗(yàn)效率大幅提高,證明了步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)方法在提高試驗(yàn)效率和保證壽命預(yù)測精度方面的有效性。
表1 聚氨酯膠料不同應(yīng)力水平下的試驗(yàn)值
針對(duì)傳統(tǒng)恒定應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法試驗(yàn)效率低下的問題,提出了橡膠熱氧老化失效機(jī)理下的步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法;對(duì)2 種方法的試驗(yàn)效率進(jìn)行了對(duì)比分析;基于Matlab軟件,建立了完整的基于步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法的橡膠老化壽命預(yù)測的理論體系。利用步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法對(duì)聚氨酯膠料的儲(chǔ)存壽命進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,在保證壽命預(yù)測精度的前提下,步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法大幅提高了試驗(yàn)效率。步進(jìn)應(yīng)力加速老化試驗(yàn)法對(duì)其他失效機(jī)理下的橡膠老化壽命預(yù)測具有普遍適應(yīng)性,統(tǒng)計(jì)分析過程便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),對(duì)于提高橡膠老化壽命預(yù)測的試驗(yàn)效率具有重要的實(shí)用價(jià)值。
[1]林總君,高劼,王丕毅.不同溫、濕度條件下硅橡膠密封圈貯存壽命研究[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009,24(2):237-240.
[2]張生鵬,李曉鋼.某橡膠減振墊加速貯存老化試驗(yàn)及壽命預(yù)測[J].裝備環(huán)境工程,2010,7(5):24-28.
[3]胡寬,宋筆鋒,張琳,等.基于加速老化試驗(yàn)的橡膠貯存壽命預(yù)測[J]. 理化檢驗(yàn)- 物理分冊(cè),2008,44(1):17-20.
[4]賈展寧.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料老化試驗(yàn)及使用壽命預(yù)估方法[J].火工品,1995,2:30-34.
[5]GB/T7041—1986,靜密封橡膠零件貯存期快速測定方法[S].
[6]Hyun-Jin Koo,You-Kyum Kim.Lifetime Prediction of Geogrids for Reinforcement of Embankments and Slopes Geogrids[J].Polymer Testing,2005,24(2):181-188.
[7]HG/T 3087—2001,靜密封橡膠零件貯存期快速測定方法[S].