唐兆祥，李成國(guó)，智伯雄

(1.中車(chē)四方車(chē)輛機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中航光電華億(沈陽(yáng))電子科技有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027)

隨著軌道交通車(chē)輛向高速度發(fā)展，車(chē)輛運(yùn)營(yíng)環(huán)境復(fù)雜多變，因密封件壓縮量問(wèn)題、密封件老化導(dǎo)致的故障逐漸增多，密封失效占比已達(dá)15%，影響車(chē)輛運(yùn)行安全，因此有必要通過(guò)研究失效模型等開(kāi)展防護(hù)結(jié)構(gòu)材料壽命研究。

1 研究背景與實(shí)施方案

1.1 研究背景

通過(guò)對(duì)軌道交通裝備領(lǐng)域用國(guó)內(nèi)外中低壓連接器、網(wǎng)絡(luò)連接器、控制連接器防護(hù)信息的梳理，結(jié)合連接器運(yùn)用環(huán)境和工況的研究、檢修使用可靠性要求，對(duì)防護(hù)關(guān)鍵要求形成如下對(duì)比(見(jiàn)表1)。

表1 國(guó)內(nèi)外防護(hù)技術(shù)對(duì)比

通過(guò)上述對(duì)比可知，國(guó)內(nèi)技術(shù)在可靠性研究方面較為薄弱，因此應(yīng)建立可靠性研究模型，模擬使用工況研究提升連接器使用壽命。同時(shí)，對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，連接器的密封結(jié)構(gòu)應(yīng)通過(guò)各種應(yīng)用工況的合理性驗(yàn)證，并從老化角度考慮，驗(yàn)證高溫、低溫等環(huán)境下的性能符合性。

軌道交通密封圈是一種置于連接器內(nèi)2個(gè)表面之間、限制氣體或液體從一個(gè)區(qū)域通向另一個(gè)區(qū)域的零件。密封圈的壽命與其材料、高溫、低溫、使用環(huán)境、介質(zhì)、壓力大小等因素都有關(guān)系[1]。中車(chē)四方車(chē)輛機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司所用的軌道交通密封圈，一般在車(chē)輛四級(jí)維修時(shí)更換處理。密封橡膠圈的典型應(yīng)用如圖1所示。

圖1 密封橡膠圈的典型應(yīng)用

密封圈是易損易耗件，為了保證其密封效果，必須定期更換。但是在實(shí)際使用中，并未對(duì)密封圈的使用時(shí)間做出明確規(guī)定。例如，對(duì)于密封圈能使用多久、建議的檢查或更換時(shí)間都沒(méi)有明確的說(shuō)明，這對(duì)于產(chǎn)品整體的維修及正常使用十分不利，無(wú)法提前采取措施以避免因密封圈失效所造成的產(chǎn)品整體失效。

密封圈的使用壽命可以認(rèn)為是在正常使用過(guò)程中，其性能指標(biāo)下降到了臨界值以下的時(shí)間。因而對(duì)密封圈使用壽命的考察，也就是需要建立其性能隨時(shí)間退化的模型。

1.2 實(shí)施方案

通過(guò)現(xiàn)車(chē)檢修連接器調(diào)查發(fā)現(xiàn)高溫老化是橡膠老化的主要因素，溫度提高可以引起橡膠的熱裂解或熱交聯(lián)。但熱的基本作用還是活化作用，提高氧擴(kuò)散速度和活化氧化反應(yīng)，從而加速橡膠氧化反應(yīng)速度。

針對(duì)此工況研究，基于時(shí)溫等效的原理研究密封圈性能退化模型，同時(shí)進(jìn)行潮濕和溫度沖擊試驗(yàn)輔助試驗(yàn)，保證橡膠材料的加速老化失效機(jī)理與長(zhǎng)期自然使用條件下的失效機(jī)理一致[2]。常用密封橡膠圈性能退化模型研究的具體步驟如圖2所示[3-4]。

圖2 研究步驟

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

密封圈通常是以軸向或者徑向壓縮狀態(tài)存在于連接器安裝面板或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件之間，以起到水密封或者氣密封的作用。本文選取了常用的水密產(chǎn)品用丁腈橡膠密封圈(見(jiàn)圖3)，并用同規(guī)格的硅橡膠密封圈及三元乙丙密封圈作對(duì)比，選取連接器中常用的徑向壓縮使用狀態(tài)。

圖3 試驗(yàn)用密封圈

本研究中設(shè)計(jì)了徑向壓縮密封圈試驗(yàn)夾具(見(jiàn)圖4)，使其與正常連接器密封所用的27%壓縮狀態(tài)保持一致。一套夾具上安裝3個(gè)密封圈，密封圈的壓縮量由夾具的尺寸保證。

圖4 密封圈試驗(yàn)夾具

2.1 試驗(yàn)前樣品準(zhǔn)備

根據(jù)上述國(guó)內(nèi)外使用情況分析及試驗(yàn)工裝的要求，充分考慮試驗(yàn)全過(guò)程及避免偶然性的因素，充分體現(xiàn)結(jié)論，準(zhǔn)備如下試驗(yàn)件(見(jiàn)表2)。

表2 樣品數(shù)量

2.2 液體浸泡試驗(yàn)

針對(duì)軌道交通密封圈常用于水密或潮濕空氣的環(huán)境這個(gè)特點(diǎn)，可以為橡膠設(shè)置濃度為3.2%鹽水浸泡的試驗(yàn)。浸泡過(guò)程中試樣套在夾具上不受外力(見(jiàn)圖5[5])。

圖5 密封圈的鹽水浸泡

鹽水浸泡溫度為80 ℃±2 ℃，浸泡時(shí)間為72 h。浸泡結(jié)束后進(jìn)行調(diào)節(jié)和完整裝夾。圖6所示為裝夾好的密封圈。

圖6 裝夾好的試樣

2.3 高溫加速老化試驗(yàn)

根據(jù)密封圈的材料屬性，設(shè)置了高溫加速老化的5等級(jí)溫度，分別為：40±1、55±1、70±1、85±1及(105±1) ℃。對(duì)全部試樣密封圈進(jìn)行分組，每個(gè)溫度下的試驗(yàn)為一組，每組7套夾具編號(hào)為1～7，對(duì)應(yīng)7個(gè)測(cè)試時(shí)間點(diǎn)。

一組試驗(yàn)開(kāi)始，到達(dá)第一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，取出1號(hào)夾具，以此類(lèi)推。7個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別為：5、12、19、29、41、54及70 h。對(duì)取出的夾具及試樣密封圈進(jìn)行自然冷卻。

2.4 溫度沖擊試驗(yàn)

完成高溫加速老化試驗(yàn)的密封圈試樣，不進(jìn)行夾具拆卸，自然冷卻后繼續(xù)進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)。沖擊溫度為高溫100 ℃，低溫-30 ℃(車(chē)輛常用溫度范圍)。固定溫度下保持時(shí)間分別為1 h，高低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間≤5 min，反復(fù)沖擊循環(huán)3次。

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

完成全部試驗(yàn)以后，對(duì)試樣、夾具進(jìn)行拆卸，測(cè)量尺寸(線(xiàn)徑)，記錄數(shù)據(jù)。密封圈尺寸的測(cè)量采用影像測(cè)量?jī)x。為減小誤差，對(duì)一套夾具上3個(gè)密封圈的測(cè)試值取平均值，作為最終的點(diǎn)數(shù)據(jù)。丁腈橡膠密封圈試驗(yàn)數(shù)據(jù)表(部分)見(jiàn)表3。表3中，丁腈橡膠O型圈壓縮永久變形量為0.01 mm，×表示試?yán)Y(jié)束后試樣失效或丟失，失效模式為嚴(yán)重變形、掉塊、斷裂等。

表3 丁腈橡膠密封圈試驗(yàn)數(shù)據(jù)表(部分)

3 密封圈性能退化模型的建立

常見(jiàn)的考察密封圈密封性能的指標(biāo)有壓縮永久變形、拉伸強(qiáng)度、壓縮應(yīng)力松弛等。結(jié)合軌道交通連接器使用狀態(tài)，筆者選取壓縮永久變形量作為主要考察的性能參數(shù)建立模型。

3.1 性能退化方程

密封圈壓縮永久變形量隨時(shí)間變化的規(guī)律符合性能退化模型[6]：

1-ε=B·e-Kτα

(1)

式中，K是老化加速系數(shù)；B是試驗(yàn)常數(shù)；τ是老化時(shí)間，單位為h；α是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，0<α≤1；ε是密封圈壓縮永久變形量，其計(jì)算式為：

(2)

式中，H0是試驗(yàn)件密封圈原始徑向截面直徑；H是試驗(yàn)件密封圈壓縮老化后的徑向截面直徑；H1是試驗(yàn)件密封圈壓縮狀態(tài)時(shí)徑向截面直徑。

根據(jù)式1可知，要預(yù)測(cè)密封圈的性能退化情況，除了需要根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際情況測(cè)試、計(jì)算ε的值之外，還需要確定α、B及不同溫度下的K值。

老化速度系數(shù)K可按照性能與老化時(shí)間的關(guān)系求得，由Arrhenius(阿累尼烏斯)模型可知，在一定范圍內(nèi)K與絕對(duì)溫度T服從以下關(guān)系：

K=Ae-E/RT

(3)

式中，E為表面活化能，單位為J·mol-1；R為氣體常數(shù)，單位為J·K-1·mol-1；T為老化絕對(duì)溫度，單位為K；A為頻率因子，單位為h-1。

本研究通過(guò)多組高溫試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)與回歸分析的方法估計(jì)出參數(shù)B、K和α，從而確定老化模型。

對(duì)式1進(jìn)行對(duì)數(shù)變換：

ln(1-ε)=lnB-Kτα

(4)

式4中含有待估定參數(shù)α，可采用逐次逼近計(jì)算方法求解。逼近的準(zhǔn)則是令α估計(jì)精確到0.01時(shí)，使估計(jì)值與試驗(yàn)測(cè)量值差的平方和最小，即使下式取得最小值：

(5)

經(jīng)過(guò)遞歸計(jì)算，可以確定I值最小時(shí)α的值為α0，按照各測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)，對(duì)退化模型(式1)進(jìn)行最小二乘法回歸計(jì)算。可以得到試驗(yàn)溫度下的K、B值。將式3變化為：

w=C+dz

(6)

求得B、α以及K的表達(dá)式后，式1中的變量?jī)H為ε和τ，此時(shí)即可預(yù)測(cè)某溫度下密封圈的使用時(shí)間(ε達(dá)到臨界變形量的時(shí)間)。

3.2 軌道交通密封圈性能退化模型

對(duì)橡膠密封圈在不同溫度、不同老化時(shí)間下的壓縮變形數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的變換后，應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行編程計(jì)算(由于試驗(yàn)中的隨機(jī)因素，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中剔除了不合理的數(shù)據(jù))[7-8]。

同時(shí)可以得到3種溫度下的K值和B的估計(jì)值(見(jiàn)表4～表6)。

表4 不同溫度下丁腈橡膠的K值和B的估計(jì)值

表5 不同溫度下三元乙丙的K值和B的估計(jì)值

表6 不同溫度下硅橡膠的K值和B的估計(jì)值

應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行α0的求解：丁腈橡膠為0.43，三元乙丙為0.288，硅橡膠為0.201。

老化速度系數(shù)K是和試驗(yàn)溫度相關(guān)的參數(shù)，通過(guò)最小二乘法，可以確定式6中的C、d值，從而可以確定式6。

得到丁腈橡膠：C=11.491 9，d=-4.986 3。得到三元乙丙：C=8.577 1，d=-3.960 2。得到硅橡膠：C=7.186 1，d=-3.304 6。由此得到密封圈在軌道交通環(huán)境條件下，性能退化模型為：

丁腈橡膠：

1-ε=0.899 8e-KTτ0.48

(7)

三元乙丙：

1-ε=1.006 75e-KTτ0.288

(8)

硅橡膠：

1-ε=1.009 88e-KTτ0.201

(9)

3.3 軌道交通使用實(shí)際案例分析驗(yàn)證

現(xiàn)有連接器密封位置，其安裝接觸面粗糙度為Ra1.6 μm。丁腈橡膠失效閾值為壓縮永久變形量達(dá)到60%；三元乙丙為40%；硅閥值為30%，以車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境溫度30 ℃為例，預(yù)計(jì)其使用壽命：

目前軌道交通實(shí)際使用的丁腈橡膠密封圈在7年左右出現(xiàn)老化，以目前軌道交通實(shí)際使用年限，三元乙丙與硅橡膠密封圈還未出現(xiàn)老化現(xiàn)象。以軌道交通實(shí)際產(chǎn)品使用效果間接證實(shí)了壽命模型的可靠性與準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)有使用的軌道交通密封圈，通過(guò)加速老化試驗(yàn)建立了使用壽命預(yù)測(cè)模型，并對(duì)模型建立了驗(yàn)證。以通過(guò)27%壓縮量下，以車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境溫度30 ℃為例，丁腈橡膠使用為7.1年，三元乙丙使用為67.55年，硅橡膠使用為82.39年。而實(shí)際車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境下，密封圈的實(shí)際使用壽命也驗(yàn)證了壽命模型的準(zhǔn)確性。