潛水式污水泵用橡膠密封圈使用壽命研究*

曾憲奎，郝建國,褚福海，苗 清，焦淑莉

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

潛水式污水泵是一種常用的污水輸送裝置，其泵體與電機連成一體潛入液下工作[1]，因此對密封性有較高要求。橡膠密封圈作為污水泵的主要密封裝置，其密封效果直接決定著污水泵工作的可靠性。潛水式污水泵的工作環境惡劣苛刻，外部環境因素的復雜性會導致橡膠密封圈的加速老化[2]，易使污水流入電機腔，產生安全事故。因此，建立合理可靠的密封圈使用壽命預測模型來準確預測其壽命，可以為污水泵的檢修保養工作提供重要的理論依據，減少工作量。

污水泵用橡膠密封圈工作環境復雜惡劣，熱、氧、水及污水中所含的弱酸、弱堿或無機鹽都是促使密封圈老化的外部因素[3]。綜合考慮上述因素，本論文用從污水處理廠實地采集的污水為介質進行加速老化試驗，周期性地測定試樣的性能變化，以時溫等效原理為理論依據，結合動力學曲線法和統計學方法建立其使用壽命預測模型，并以此來評估密封圈的使用壽命。

1 實驗部分

1.1 原料

三元乙丙橡膠：工業級，日本住友化學公司；炭黑N115：工業級，美國卡博特公司；硫黃：工業級，蘭州環豐工業有限公司；防老劑4010NA：工業級，海安石油化工廠；氧化鋅：工業級，北京化工廠；硬脂酸：工業級，北京化工廠；增塑劑A：工業級，鹽城雙鴻化工有限公司；促進劑NS、促進劑TMTD：工業級，上海永研化工科技有限公司；生活污水試樣：在污水處理廠實地采集。

1.2 儀器設備

GT-7017-NM型熱空氣加速老化試驗箱：中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司；UT-2080型電子拉力試驗機：中國臺灣優肯科技股份有限公司。

1.3 膠料配方

硫化膠試樣配方(質量份)為：EPDM 100，炭黑N115 45，氧化鋅 5，硬脂酸 1，硫黃 0.5，防老劑4010NA 3，促進劑TMTD 1.5，促進劑NS 1，增塑劑A 2。

1.4 實驗原理

熱空氣老化試驗以時溫等效理論[3]為原理，通過老化箱內高溫短時間的作用獲得與自然條件下長時間作用相同的效果。潛水式污水泵用橡膠密封圈除了受到熱與氧的老化作用外，污水中的水與無機鹽、弱酸或弱堿等物質也會促使橡膠老化[5]，為了最大程度地模擬其真實的工作環境，本試驗以污水為加熱介質，進行加速老化試驗。外部因素促使橡膠老化的宏觀表現為試樣物理機械性能的變化，具體的老化性能指標包括：壓縮永久變形、拉伸強度、扯斷伸長率等[6]，其微觀作用機理為加速橡膠內部分子鏈之間的交聯與降解等化學作用。由于扯斷伸長率與密封圈的工作狀態密切相關，因此選取扯斷伸長率為判定老化程度的性能指標。

1.5 實驗安排

本論文選取4個老化溫度：343 K、353 K、363 K、373 K，分別在不同溫度下進行加速老化實驗。考慮到373K的溫度值較高，老化作用較強，所以該溫度下的試驗終止時間可以比其它3個溫度下的時間稍短，具體設定時間間隔為1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、7 d、9 d、12 d、15 d、19 d、24 d。其余3個試驗溫度下分別間隔1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、7 d、9 d、12 d、15 d、19 d、24 d、30 d來測定試樣的性能指標，每個試驗點的試樣數為5個。

1.6 實驗方法

根據GB/T 3512—1989和GB/T 1690—2010的操作要求，按照GB/T 2941—2006制備啞鈴型標準試樣，并將待測試樣放入裝有生活污水的指定容器內，擺放均勻，根據試驗預先設定的溫度調節加速老化實驗箱的溫度，當老化箱內溫度穩定后，把盛有污水和橡膠試樣的容器放入加速老化試驗箱，容器內的污水每隔12 h更換一次。試驗時間從容器放入到加速老化箱內開始計算，在預先規定的時間節點取出試樣，并將試樣的表面用試紙擦拭干凈，靜置24 h后，按標準測定老化后的橡膠試樣的扯斷伸長率。

2 結果與討論

2.1 老化壽命模型的建立

按照上述實驗方法得到老化試樣后，測試每個試驗點5個老化試樣的扯斷伸長率，求取平均值，各個溫度下的扯斷伸長率如表1所示。

表1 不同老化溫度下的扯斷伸長率

本論文選取老化特性指標為P，即當老化時間為τ時試樣的扯斷伸長率與老化前試樣的扯斷伸長率的比值[7]。抽樣測定未老化試樣的扯斷伸長率為519.10%，計算并整理各個時間節點的P值，如表2所示。

表2 老化特性指標P

由表2所示的數據做老化指標P與老化時間τ的折線圖，如圖1所示。

τ/d圖1 各溫度下試樣的老化特性指標曲線

分析圖1曲線可以發現，標準試樣的扯斷伸長率隨著老化時間的增加顯著下降，且呈現非線性關系。

實驗的老化指標P與老化時間τ的關系符合動力學曲線公式：

P=Be-Kτα

(1)

式中：B為實驗常數；K為速率常數；τ為老化時間；α為經驗常數。

作為高分子材料，橡膠試樣的性能變化速率常數K與老化溫度T的關系符合阿累尼烏斯方程：

K=Ae-E/RT

(2)

式中：E為表觀活化能，J/mol；R為氣體常數，J/(K·mol)；T為老化溫度，K；A為頻率因子，d-1。

將式(1)與式(2)進行對數變換得式(3)與式(4)，從而使數學模型線性化：

N=a+bM

(3)

W=C+DZ

(4)

(5)

表3 各溫度下的實驗常數B和速率常數K

求得α后，根據表3中的數據，擬合不同溫度下的logP與τ0.52，如圖2所示。

τ0.52圖2 logP與τ0.52的線性擬合

由圖2可知不同老化溫度下的τ0.52與logP近似呈線性分布。

通過r檢驗，計算出不同老化溫度下logP與τ0.52的相關系數r，如表4所示。

表4 各溫度下的線性相關系數

查HG/T 3087—2001的附錄A得，置信度為99%，自由度為2時，r=0.990。而計算得到的4個實驗溫度下的線性相關系數的絕對值都大于0.990。經過以上兩方面的分析，可得出結論：logP與τ0.52的關系式線性回歸效果顯著。

1/T圖3 logK與的線性擬合

根據統計分析的相關知識可知，logK存在置信度為1-α下的置信區間[9]，且使用置信區間的上限作為估測值可以提高結果的準確性，其置信區間的上限為：

(6)

式中：S2為logK的標準偏差，其計算如式(7)、式(8)所示。

(7)

(8)

通過計算得S2=0.031 3，從HG/T 3087—2001的附錄B中查得，當置信度為95%，自由度為2時，t為2.920。至此，將計算得到的各個參數代入式(6)中，化簡得到當置信度為95%時的速率常數的數學表達式：

(9)

把式(9)代入式(1)中，得到橡膠密封圈老化特性指標P與老化溫度T和使用時間τ之間的關系式：

(10)

將τ作為因變量對(10)進行變換，最終建立橡膠密封圈使用壽命τ的預測模型：

(11)

2.2 使用壽命的預測

上述使用壽命預測模型中，只要確定溫度T與老化特性指標P，即可計算密封圈的使用壽命。標準JIS B2401—2005規定，生活污水類介質中的橡膠密封圈的扯斷伸長率不得低于200%，本論文中測試的未老化的試樣的扯斷伸長率為519.10%，故可選取使用性能臨界值P0為0.4，實際使用過程中，考慮到安全因素[10]，選取使用性能臨界值P0為0.5；且根據在污水處理廠實地測量可知，其平均工作溫度一般為30 ℃，故公式中的T可取303 K。將T與P0的值代入模型公式中，得到密封圈的使用壽命：當取老化特性指標臨界值P0為0.5時，使用壽命為4.33 a。

3 結 論

(1) 以污水為介質，通過對硫化膠試樣進行加速老化實驗的方法研究其使用壽命，較為真實地模擬了潛水式污水泵用橡膠密封圈的工作狀態，實驗結果的可靠性高，且與自然老化實驗相比，大幅度縮短了實驗時間。

(2) 通過分析規定時間節點老化試樣的扯斷伸長率的變化，結合高分子物理學和數理統計學的方法，建立了密封圈的老化程度和使用時間之間的數學模型，并預測了其在正常工作環境下的使用壽命：當考慮安全因素，規定密封圈老化特性指標的臨界值P0為0.5時，預測使用壽命為4.33 a。

參 考 文 獻：

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