車門密封膠條力學性能衰變分析

楊泰隆 葛鵬翼 陳元麗 肖衡

摘? 要：按照國家標準的規定，檢測自然條件使用的密封膠條樣品的硬度和拉伸性能（拉伸強度、拉斷伸長率），從自然老化的角度分析了密封膠條老化前后力學性能變化規律，從性能保持率的角度分析了密封膠條的劣化程度，最后基于密封膠條拉斷伸長率的數據，構建了6階拉格朗日插值多項式，對車門密封膠條使用壽命進行了預測，結果顯示其使用壽命是185個月。

關鍵詞：車門;密封膠條;自然老化;力學性能;壽命預測

中圖分類號：U465? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）01-0073-05

Destruction Analysis of Mechanical Properties of

Door Sealing Strips

YANG Tai-long1，GE Peng-yi1，CHEN Yuan-li1，XIAO Heng2

Abstract：? According to the national standards. The change of mechanical properties of sealing strips before and after aging was analyzed from the perspective of natural aging， and the deterioration degree of the sealant strip is analyzed from the angle of performance retention rate. Finally， based on the data of the elongation at break of the sealant strip， the service life of urban rail vehicle door sealant strip is predicted with a six square Lagrange interpolation polynomial， the results show that the service life is 185 months.

Key Words：? car door ; sealant strip; natural aging; mechanical properties; life prediction

前言

車門密封膠條具有密封、緩沖、降噪、防護等作用，在服役過程受中，受熱、光、水分、氧等環境因素的綜合作用會發生老化[1]。其力學性能會逐漸下降，引起密封效果下降，車門噪聲上升，影響乘車的安全性和舒適性，導致其喪失使用價值[2-5]。因此，準確掌握密車門封膠膠條（以下簡稱封膠膠條）的使用狀態，確定密封膠條使用年限有重要意義，可以提升密封膠條維護效率同時降低維護成本。

本文以三元乙丙橡膠（EPDM）材料的密封膠條為研究對象，收集了自然條件使用下、不同時間節點的南京和上海兩地的車輛密封膠條的新件和舊件樣品，檢測其力學性能，獲得密封膠條自然老化前后的力學性能數據，以此掌握密封膠條力學性能的劣化規律，為解決密封膠條服役過程中的維修和壽命評估等問題提供依據[6]。

1? ? 力學性能檢測

1.1? ?密封膠條樣品收集

收集上海和南京兩地區不同使用時間更換下來的密封膠條舊件若干條，對這些密封膠條進行編碼，樣品統計如表1和表2所示：

1.2? ?硬度檢測

參照國標GB T27568-2011 [7]對車輛密封膠條性能的檢測規定，執行GB/T 531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法。第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）》[8]，以保證檢測過程的規范性。使用裁刀將密封膠條樣品切割成標準試樣，使用ZY-14硬度計進行檢測，如圖1所示。在試樣表面不同位置進行5次測量，取中值為最終檢測結果。

1.3? ?拉伸性能檢測

依據文獻7的規定，拉伸性能包括拉伸強度和拉斷伸長率，均執行GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠.拉伸應力應變性能的測定》[9]，使用裁刀將密封膠條樣品切割成啞鈴試樣，每組3個樣品，如圖2所示。使用ZY-3微機控制電子式萬能試驗機進行檢測，如圖3所示。

拉伸強度和拉斷伸長率的數值需要通過公式計算，三個樣本需要計算三次，取計算結果的中值為最終檢測結果，計算公式如下：

（1）拉伸強度TS計算公式如下，單位MPa：

（1）

式中，Fm為記錄的最大應力，單位為牛（N），W為裁刀狹窄部分的寬度，單位為毫米（mm），t為試驗長度部分的厚度，單位為毫米（mm）。

（2）拉斷伸長率Eb計算公式如下，單位%：

（2）

式中，L0為初始試驗長度，單位為毫米（mm），Lb為斷裂時的試驗長度，單位為毫米（mm）。

2? ? 檢測結果及分析

2.1? ?性能保持率

密封膠條的劣化程度可以用性能保持率進行描述，本文依據密封膠條力學性能變化的一般規律，提出性能保持率的計算方法：

（3）

式中， 為密封膠條的新品拉伸性能數值， 為密封膠條舊件拉伸性能數值，i = 1，2，3…。

2.2? ?南京地區密封膠條力學性能分析

將南京地區密封膠條硬度、拉伸強度和拉斷伸長率檢測結果填入表3和表4，并計算出性能保持率。

依據表3中數據，繪制力學性能隨使用時間變化的曲線圖，如圖4所示：

對于南京地區的密封膠條，其最大使用時間跨度為99個月，從圖4（a）可以看出，密封膠條的硬度隨使用時間的延長而增大，在使用時間52個月到99個月期間，硬度增加幅度很小，這表明硬度性能隨使用時間的延續，并不會一直增大，而是趨于穩定狀態，進而表明該配方下的密封膠條在抗硬度老化方面已經取得顯著成效。從圖4（b）可以看出，密封膠條的拉伸強度隨使用時間的延長而減小，但是對于3號樣品，拉伸強度數值出現了陡增的情況，違背了一般規律，屬于異常數據，可能是由于橡膠材料本身大變形、強非線性的特性而引起了檢測誤差，可以使用插值法予以修正。從圖4（c）可以看出，密封膠條的拉斷伸長率隨使用時間增加而減小，呈線性減小趨勢，無異常數據。

從性能保持率的角度分析，從表3在同一使用時間拉斷伸長率保持率的數值最小，表明拉斷伸長率性能劣化最明顯，是上述三個力學性能中最易失效的一個性能，因此可以用拉斷伸長率性能對密封膠條的使用壽命進行預測，亦驗證了GB/T 20028-2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》[10]建議選取拉斷伸長率性能為指標進行壽命預測的合理性。參照文獻[10]以性能保持率0.5為臨界值，從表3可以看出其性能保持率均大于0.5，說明使用99個月的密封膠條仍可繼續使用。

2.3? ?上海地區密封膠條力學性能分析

對于上海地區的密封膠條，其最大使用時間跨度為177個月，從圖5（a）可以看出，密封膠條的硬度隨使用時間的延長而增大，在使用時間127個月到177個月期間，硬度增加幅度很小，趨于穩定狀態，進而表明該配方下的密封膠條在抗硬度老化方面已經取得顯著成效。從圖5（b）可以看出，密封膠條的拉伸強度隨使用時間的延長而減小，如南京的數據一樣，拉伸強度數值也出現了異常的數據，從圖5（c）可以看出，密封膠條的拉斷伸長率隨使用時間增加而減小，呈線性減小趨勢，減小的幅度小于南京地區，無異常數據。以性能保持率0.5為臨界值，從表4可以看出其性能保持率均大于0.5，說明使用177個月的密封膠條仍可繼續使用。

南京和上海兩地密封膠條的使用時間差距很大，兩地的密封膠條的各力學性能的劣化趨勢完全相同，說明密封膠條的劣化有規律可循，即硬度數值隨時間的延續而增大，拉伸性能數值隨時間的延續而減小。

3? ? 壽命預測

拉斷伸長率是橡膠抵抗拉伸破壞極限的力學性能指標，可以表征密封膠條壽命[11-12]。因此，本文選擇拉斷伸長率作為密封膠條壽命預測的力學性能指標。南京和上海地區的密封膠條樣本各有4組數據，由于數據偏少，壽命預測結果相對模糊。考慮到南京和上海同屬華東地區，氣候條件相似，如表6所示，環境因素對密封膠條老化作用相當，因此將兩地區的密封膠條拉斷伸長率數據結合，進行壽命預測。

基于拉斷伸長率的7組數據：（0，460）、（52，372）、（69，334）、（99，278）、（127，269）、（136，263）、（177，236），繪出拉斷伸長率隨使用時間的變化趨勢圖，如圖7所示，可以看出拉斷伸長率是隨使用時間呈遞減趨勢，前期衰減幅度較大，后期放緩，說明密封膠條的劣化速度減慢了。

此7組數據無異常，數據點較多，適合構建公式，并根據文獻10建議選取拉斷伸長率為指標進行壽命預測，本文記 為使用時間， 為拉斷伸長率，構建多項式函數，對密封膠條的壽命進行預測。Lagrange插值法可以給出一個恰好穿過二維平面上若干個已知點的多項式函數，在工程中應用廣泛[11]。n次Lagrange插值多項式的公式為：

（4）

式中，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ，i， j=0，1，2…n

根據公式 4，基于上述 7 組數據，利用數據分析軟件Origin得到 6 階多項式公式為：

（5）

當取拉斷伸長率保持率臨界值為0.5時，即Y（x） =230%，利用Origin軟件計算出x =185，即以拉斷伸長率為指標、230%為臨界值進行壽命預測，可以得出車門密封膠條自然條件下的使用時間是185個月。對于插值法來說，數據點越多，預測結果越精確。本文為利用較多的數據，將南京和上海兩地數據統一分析，未考慮兩地車輛運行狀況的差異，如若能獲得同一地區較多密封膠條的樣本，這對壽命預測十分有益。

4? ? 結論

（1）從南京和上海兩地密封膠條的力學性能數據可以看出，密封膠條的劣化趨勢有規律可循，即硬度數值隨時間的延續而增大，拉伸性能數值隨時間的延續而減小。

（2）從性能保持率的角度可以看出，拉斷伸長率性能劣化速度最快，拉伸強度劣化速度次之，硬度的劣化不明顯，所以選擇拉斷伸長率為壽命預測指標最合理。

（3）以拉斷伸長率為預測指標、性能保持率0.5為臨界值，基于南京和上海兩地的密封膠條拉斷伸長率數據，采用6階Lagrange插值多項式對密封膠條的使用壽命進行了預測，結果顯示，在自然條件下使用的密封膠條使用壽命是185個月。

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[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. GB/T 531.1-2008，硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法第1部分：邵氏硬度計法（邵爾硬度）[S]. 北京：中國標準出版社，2006.

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