橡膠隔振器使用壽命估計(jì)
—熱老化法

楊俊鳳，孫洪軍，張　乾

（中船重工第七〇四研究所，上海200031）

橡膠隔振器使用壽命估計(jì)
—熱老化法

楊俊鳳，孫洪軍，張乾

（中船重工第七〇四研究所，上海200031）

主要介紹國(guó)外內(nèi)對(duì)壽命預(yù)測(cè)的研究，并對(duì)預(yù)測(cè)理論進(jìn)行說(shuō)明；對(duì)目前橡膠隔振器用膠料進(jìn)行不同溫度下的熱老化試驗(yàn)，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 20028-2005對(duì)該橡膠的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，提出該膠料的使用壽命約12年半，但橡膠隔振器中橡膠靜態(tài)下的壓縮變形應(yīng)不超過(guò)橡膠厚度的15%；故該實(shí)驗(yàn)方法不適合于橡膠隔振器壽命的預(yù)測(cè)。

振動(dòng)與波；橡膠隔振器；熱老化壽命；預(yù)測(cè)

艦船用橡膠隔振器提出的使用壽命是不少于10年。隔振器在使用過(guò)程中主要受到的破壞是熱空氣老化、疲勞及蠕變，而蠕變是一種靜態(tài)疲勞。大多數(shù)橡膠隔振器在額定載荷下的固有頻率不斷降低，靜變形也就越來(lái)越大（單位面積的承載也就越來(lái)越大），這就使隔振器的蠕變成了很大的問(wèn)題。因此在某些橡膠制品規(guī)格試制中，滿足一定貯存期或使用期要求成為技術(shù)條件之一。這就需要在配方設(shè)計(jì)的同時(shí)進(jìn)行性能變化或壽命預(yù)測(cè)，這種預(yù)測(cè)就是對(duì)橡膠耐熱老化性的定量評(píng)定。橡膠本身是熱的不良導(dǎo)體，減振所吸收的機(jī)械能在轉(zhuǎn)化為熱能后不能及時(shí)地被散逸，橡膠將會(huì)升溫，溫度的升高使橡膠制品的性能下降和大大加速橡膠制品的熱氧老化過(guò)程，從而縮短其使用壽命［1］。因此，測(cè)定橡膠老化性能對(duì)估計(jì)制品的使用壽命，研究橡膠老化和防護(hù)效率具有重要的意義；若能抑制橡膠的熱氧老化過(guò)程，就能提高橡膠制品的耐熱老化性能，從而延長(zhǎng)制品的使用壽命。

1　熱老化使用壽命的理論依據(jù)

大多數(shù)結(jié)構(gòu)安全材料（金屬、水泥、玻璃等），在某一應(yīng)力作用下，無(wú)限使用存在一個(gè)不蠕變階段；橡膠是沒有的，即再微小的應(yīng)力也會(huì)蠕變，但蠕變的發(fā)生與應(yīng)力（應(yīng)變）是正比的，蠕變提供了橡膠隔振器使用壽命的一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)。在長(zhǎng)時(shí)間使用和較高溫度下，蠕變破壞主要是化學(xué)因素。在較短的時(shí)間內(nèi)，得到橡膠隔振器的使用壽命，可用提高溫度的試驗(yàn)來(lái)確定。即其它條件不變，而只提高試驗(yàn)環(huán)境溫度進(jìn)行等效，其依據(jù)是下面公式

其中k——波爾茲曼常數(shù)；

c、b——橡膠高分子內(nèi)損傷活化能；

T——絕對(duì)溫度；

δ——應(yīng)力，對(duì)數(shù)表示的使用時(shí)間。

2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著高分子材料工業(yè)迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)材料的老化研究更加關(guān)注。各國(guó)紛紛制定各種老化試驗(yàn)方法、壽命評(píng)估方法以及材料在老化變質(zhì)過(guò)程中性能變化的檢測(cè)方法等標(biāo)準(zhǔn)。

2.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前我國(guó)對(duì)橡膠老化性能變化或制品壽命預(yù)測(cè)等方面已經(jīng)有了標(biāo)準(zhǔn)方法。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)整理和分析已有的大量數(shù)據(jù)，得到一些普遍的老化規(guī)律和最佳參數(shù)組合，用于預(yù)測(cè)高分子材料的工作壽命。

711研究所和哈爾濱工程大學(xué)聯(lián)合試驗(yàn)［1］，通過(guò)對(duì)橡膠加速老化試驗(yàn)方法的研究，并經(jīng)過(guò)一系列相關(guān)數(shù)學(xué)方法，推導(dǎo)出橡膠材料的永久變形率和其存儲(chǔ)溫度、存儲(chǔ)時(shí)間的關(guān)系表達(dá)式，以確定橡膠隔振器在額定環(huán)境下的永久變形即老化狀況。對(duì)橡膠隔振器進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，在橡膠材料限定永久變形量15%的前提下，經(jīng)試驗(yàn)得到40℃、50℃、60℃下的老化壽命分別為10.18年、4.68年和2.56年。

山東非金屬材料研究所［2］提出用熱重點(diǎn)斜法估算硫化橡膠的熱老化壽命，該方法是利用熱重分析測(cè)試結(jié)果計(jì)算出膠料的熱老化表面觀活化能，進(jìn)而確定膠料熱老化壽命線的斜率與截距，最終得到膠料的熱老化壽命線，即可估算其熱老化壽命。

海軍工程大學(xué)［3］從可靠性統(tǒng)計(jì)的角度對(duì)電纜的壽命進(jìn)行研究，并在加速老化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以扯斷伸長(zhǎng)率降低到150%為失效性能指標(biāo)，估算得出老化溫度57.4℃時(shí)的電纜壽命是38年，這與實(shí)際情況相符。

陳玉波等［4］應(yīng)用蒙特卡羅仿真模型（M-C）對(duì)某氣路系統(tǒng)的橡膠密封件壽命進(jìn)行評(píng)估，該評(píng)估模型避免了傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的不足，但其可靠性有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

方慶紅等［5］把人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用在丁基硫化膠的老化性能預(yù)測(cè)研究中，以膠料的硫化條件、老化溫度及時(shí)間為輸入?yún)?shù)，以老化前后的拉伸強(qiáng)度比、拉斷伸長(zhǎng)率比和定伸強(qiáng)度為輸出參數(shù)，采用多層向前的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而建立起橡膠老化的預(yù)測(cè)模型。

2.2國(guó)外研究現(xiàn)狀

對(duì)于橡膠構(gòu)件的壽命預(yù)測(cè)，美國(guó)己經(jīng)有了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法及國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)方法。這些標(biāo)準(zhǔn)方法均假設(shè)橡膠材料的加速老化反應(yīng)速率服從阿倫尼烏斯公式。日本電氣協(xié)會(huì)用品調(diào)查委員會(huì)提出，以與溫度和化學(xué)反應(yīng)速率有關(guān)的阿倫尼烏斯方程式為基礎(chǔ)求出溫度壽命性能，由此推斷使用溫度上限值的方法。

Ronan［6］采用時(shí)溫疊加原理、WLF方程和阿倫尼烏斯方程開發(fā)精確的應(yīng)力松弛預(yù)測(cè)程序。對(duì)兩種天然橡膠進(jìn)行連續(xù)加壓的應(yīng)力松弛試驗(yàn)（CSR）。樣品被壓縮25%，記錄試驗(yàn)全過(guò)程的連續(xù)加壓情況，畫出每種溫度下的壓力—時(shí)間曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與應(yīng)力松弛獲得的數(shù)據(jù)相比，從阿倫尼烏斯曲線得到的數(shù)據(jù)明顯具有傳統(tǒng)性。

Arnis U Paeglis［7］提出了一個(gè)描述橡膠老化規(guī)律的新概念—應(yīng)變能分?jǐn)?shù)因子。與以往只用某一單一性能（如強(qiáng)度、硬度）來(lái)表征老化規(guī)律不同，它是老化前后斷裂強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率2個(gè)性能因子乘積的比值。運(yùn)用該概念并結(jié)合Arrhenius速率常數(shù)公式，推導(dǎo)得出應(yīng)變能分?jǐn)?shù)因子壽命評(píng)估模型。

Gillen等［8首先將Palmgren Mine提出的主要用于預(yù)測(cè)金屬及金屬基復(fù)合材料疲勞壽命的步進(jìn)磨損失效模型應(yīng)用于環(huán)境溫度下腈類橡膠與三元乙丙橡膠（EPDM）的老化研究中。結(jié)果表明，該模型預(yù)測(cè)的老化壽命與腈類橡膠的實(shí)際情況相吻合，但與EPDM的實(shí)際老化壽命存在偏差。

Witczak等［9］于1996年將S形曲線模型應(yīng)用于瀝青材料老化過(guò)程中硬度預(yù)測(cè)及受傷評(píng)估；Pellinen［10］將該模型應(yīng)用于瀝青混合物的長(zhǎng)時(shí)標(biāo)動(dòng)態(tài)模量曲線的擬合，取得了很好的置信度，并將該模型推廣到包括橡膠材料在內(nèi)的各種線形黏彈性材料的力學(xué)性能曲線的擬合與預(yù)測(cè)。

3　試驗(yàn)方法

橡膠件由于老化失去使用性能時(shí)，特性指標(biāo)達(dá)到的數(shù)值稱為臨界值。其大小與計(jì)算壽命的長(zhǎng)短有關(guān)。一般情況下，被選用的臨界值應(yīng)適用于使用條件，是以原始性能變化到50%作為臨界值，但壓縮永久變形和拉伸應(yīng)力松弛通常選用的臨界值不會(huì)超過(guò)原始值的50%［13］。橡膠配件從開始老化變質(zhì)到老化變質(zhì)不能使用是一個(gè)過(guò)程。一般臨界值選在開始老化變質(zhì)時(shí)，即原始性能下降50%，這時(shí)更換橡膠配件比較合適。具體臨界值的確定可由供需雙方提出或由需方單獨(dú)提出。

3.1經(jīng)驗(yàn)推論一

熱老化條件可較為粗略地估計(jì)橡膠隔振器的使用壽命，目前隔振器的膠料熱老化要求是70℃×96 h的條件下，性能保持率不小于80%，根據(jù)大北忠南的試驗(yàn)結(jié)果，可推出其自然老化時(shí)間為8年。也就是說(shuō)，當(dāng)性能保持率不小于50%的情況下，其自然老化時(shí)間肯定大于10年。而這一推論的準(zhǔn)確性，有待考證。

3.2經(jīng)驗(yàn)推論二

從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)可知，不論哪一級(jí)反應(yīng)，其反應(yīng)速率常數(shù)均隨溫度升高而增大，服從阿倫尼烏斯公式

由于熱加速了橡膠的氧化，使性能衰減，由上式推導(dǎo)出熱氧老化過(guò)程中，性能、時(shí)間和溫度間的關(guān)系式

若假定P達(dá)到某一定值所需時(shí)間tc為老化壽命，則

在實(shí)際應(yīng)用中常用老化溫度系數(shù)表示熱氧老化與溫度的關(guān)系。老化溫度系數(shù)是指溫度相差10℃老化時(shí)，性能降到某一相同的指標(biāo)所需的時(shí)間之比。Tenersimith和Holt報(bào)道天然橡膠在室溫～70℃的溫度范圍內(nèi)，拉伸強(qiáng)度和扯斷伸長(zhǎng)率變化的老化溫度系數(shù)是2.54～4.04。

目前橡膠隔振器提出的熱老化條件70℃×96 h，拉伸性能保持率不小于80%，則可粗略地估計(jì)橡膠隔振器的使用壽命。取溫度系數(shù)4，則室溫下，拉伸性能保持率不小于80%的熱老化時(shí)間是45×96 h= 98 304 h≈11.38 y，即熱老化使用壽命不小于11.38年。

減振橡膠用熱老化性能指標(biāo)對(duì)橡膠而言有何意義，對(duì)隔振器使用性能有何影響，這些都未可知。是否可根據(jù)隔振器使用壽命要求，較為準(zhǔn)確地制定熱老化性能指標(biāo)。

3.3經(jīng)驗(yàn)推論三

橡膠老化性能的“外推”計(jì)算公式是T.W.Dakin 在1948年和1960年提出的，而該方法的理論基礎(chǔ)，即化學(xué)反應(yīng)速度與溫度的關(guān)系公式則是S.A. Arrhenius在1899年提出的。熱老化試驗(yàn)天數(shù)與25℃下的使用壽命間的計(jì)算公式為

其中ts——高溫條件下進(jìn)行熱老化試驗(yàn)的時(shí)間（d）

t25——常溫25℃下的耐熱老化時(shí)間（d）

R——?dú)怏w常數(shù)，可取8.314J/mol?K

E——活化能（J/mol），可取90.4 kJ/mol

Ts——相應(yīng)于高溫條件熱老化試驗(yàn)的絕對(duì)溫度（K）

T25——相應(yīng)于常溫條件熱老化試驗(yàn)的絕對(duì)溫度（K）

85℃下性能降低50%的時(shí)間是697 h，則通過(guò)上式計(jì)算，常溫25℃下的使用時(shí)間是35年；周福霖在地震建筑用夾層橡膠墊的研究中也做出了70年的預(yù)測(cè)［11］。

3.4試驗(yàn)結(jié)果

采用隔振器用膠料做熱老化壽命試驗(yàn)，分別在60℃、70℃、85℃下做熱老化試驗(yàn)，以彈性塊預(yù)加載20%變形為考察指標(biāo)，直至靜剛度老化后性能下降50%，則不同溫度下的性能保持率與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系如圖1所示。

圖1　不同溫度下性能保持率與lnt的關(guān)系

從圖1中分析，60℃、70℃、85℃下，性能保持率0.5對(duì)應(yīng)的lnt值分別為4.28、5.81、7.03，則性能保持率0.5的lnt值與絕對(duì)溫度的關(guān)系見圖2。

圖2　 lnt與絕對(duì)溫度倒數(shù)的關(guān)系

對(duì)圖2中l(wèi)nt-1/T曲線進(jìn)行擬合，得方程式y(tǒng)= 1.030 61x-32.217，外推到溫度25℃時(shí)，x=33.55，計(jì)算得y=109 097 h，換算得12.5年；故該膠料在25℃下的使用壽命是12.5年。

橡膠隔振器中，橡膠的變形一般符合下列要求：靜態(tài)負(fù)荷下壓縮變形＜15%，動(dòng)態(tài)負(fù)荷下壓縮變形＜5%［12］；但本實(shí)驗(yàn)中采用預(yù)加載20%變形靜剛度為考察指標(biāo)，較為苛刻。根據(jù)橡膠隔振器的使用狀況，建議以靜剛度變化不超過(guò)20%或其它主要性能指標(biāo)不超過(guò)其使用要求，考察隔振器的熱老化使用壽命。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)阿倫尼烏斯方程式，推知該膠料在25℃下的使用壽命是12.5年。若產(chǎn)品較長(zhǎng)時(shí)間下的使用溫度有所提高，則需要調(diào)試配方；膠料中添加防老劑或采用耐熱性能較好的主體膠料，可以改善膠料的熱老化使用壽命，提高最高使用溫度；

（2）目前艦船上使用的隔振器一般可以達(dá)到20年以上，與該方法計(jì)算結(jié)果不符；這是因?yàn)轭A(yù)加載20%變形達(dá)到原橡膠厚度的20%，明顯高于使用的隔振器應(yīng)力；根據(jù)另一組試驗(yàn)，這種情況比正常使用的單位面積壓力大3倍以上，一般情況下隔振器受靜態(tài)壓縮下的變形應(yīng)為15%；

（3）靜剛度老化性能50%作指標(biāo)，較為寬泛；隔振器的使用靜剛度變化應(yīng)在20%以內(nèi)；

（4）橡膠熱老化試驗(yàn)，性能變化不超過(guò)50%的試驗(yàn)方法可用于橡膠密封件，而橡膠隔振器應(yīng)另設(shè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

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Lifespan Prediction of Rubber Vibration Isolators Using Thermal-aging Method

YANG Jun-feng，SUN Hong-jun，QIANZhang
（Shanghai Marine Equipment Research Institute，Shanghai 200031，China）

Researches of lifespan prediction of rubber vibration isolators were introduced.The principle for lifespan prediction was illustrated.Thermal aging life of a currently-used vibration isolation rubber material was tested at different temperatures.Its aging life was predicted according to GB/T20028-2005 standard.The results show that the aging life of the material is 12.5 years at 25℃.But static contraction of the rubber component in the rubber isolators should be less than 15% of the rubber thickness.So，it is concluded that this experimental method is not suitable for the lifespan prediction of the rubber isolators.

vibration and wave；rubber vibration isolation；thermal aging life；prediction

O422.6

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.036

1006-1355（2015）05-0172-04

2015－01－06

楊俊鳳（1986－），女，河南開封市人，碩士，目前主要從事橡膠隔振抗沖元器件的配方試制和開發(fā)研究。

E-mail:yangjunfeng1234@126.com