柜門(mén)多孔空心硅橡膠密封條防護(hù)特性研究

郭寧平，劉斐，俞鵬程，曹強(qiáng)，張文進(jìn)

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司,株洲 412001）

前言

軌道交通、船舶、礦山車(chē)、空調(diào)、風(fēng)電、光伏等多個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，因此對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性有著越來(lái)越高的要求，其中IP防護(hù)要求是產(chǎn)品最基本要求之一。

柜門(mén)密封條的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到變流器密封防護(hù)等級(jí)，尤其地在礦用車(chē)變流器領(lǐng)域，IP防護(hù)等級(jí)要求高、振動(dòng)大、露天運(yùn)行、周?chē)蹓m大、高原、極寒極熱常年運(yùn)行，環(huán)境極其惡劣，為了保證柜體密封效果，研究柜門(mén)密封條防護(hù)特性及其設(shè)計(jì)優(yōu)化顯得尤為重要。

常用的密封橡膠有三元乙丙橡膠（EPDM）和甲基乙烯基硅橡膠（VQM），EPDM相比VQM含碳量高、阻燃性低，成本低，耐高低溫，抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能好，泊松比隨壓縮量變化，老化性能滿足一般應(yīng)用領(lǐng)域，汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域大量應(yīng)用。VQM具有耐高溫耐低溫（可在-50～250 ℃下長(zhǎng)期工作）、防潮、絕緣、環(huán)保、壓縮永久變形小、耐老化等特點(diǎn)。VQM一般用于有特殊要求（如要求耐高低溫、要求高回彈性、有環(huán)保要求、有阻燃要求、有絕緣要求等）的密封場(chǎng)合。

實(shí)心硅橡膠通過(guò)模壓壓制成型，因加工尺寸種類(lèi)多難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)受到限制；發(fā)泡多孔閉孔硅橡膠相比實(shí)心硅橡膠，具有加工靈活、成本低、密度低、導(dǎo)熱率低、絕緣電阻率高、可壓縮空間大等特點(diǎn)。不同的配方的硅橡膠可以改善其力學(xué)學(xué)能、熱學(xué)性能、阻燃性能。為適應(yīng)周?chē)h(huán)境，礦用車(chē)變流器柜門(mén)密封采用閉孔發(fā)泡多孔閉孔甲基乙烯基硅橡膠是一種較佳選擇。

圖1 密封條試樣及截面尺寸

1 孔閉孔硅橡膠回彈力測(cè)試

橡膠是一種超彈性體，密實(shí)橡膠容易拉伸和剪切，幾乎不可壓縮，而發(fā)泡多孔閉孔硅橡膠是一種可壓縮超彈性材料。可壓超彈性材料的變形可分為等容變形部分和體積變形部分，對(duì)于彈性開(kāi)孔硅橡膠材料，在載荷作用下孔壁產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)胞孔完全塌陷后，則基體材料承受載荷[1]。一種應(yīng)用于礦用車(chē)變流器的D型空心閉孔發(fā)泡硅橡膠SR1150截面形狀如圖1（b）所示。通過(guò)拉力測(cè)試機(jī)（圖1（c））對(duì)壓板施加一個(gè)壓力，使得密封條被壓縮不同程度時(shí)，可以間接的測(cè)出密封條對(duì)壓板的反彈力。

從樣品中剪裁出長(zhǎng)度為30 mm的試樣，試樣分5組（圖1（a）），在萬(wàn)能拉力機(jī)上參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM D1056進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試時(shí)壓縮線速度為12.7 mm/min，環(huán)境溫度24.3 ℃，濕度55.2 %RH。

通過(guò)測(cè)試獲得回彈力測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖2，采用最小二乘法對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，密封條壓縮量為δ時(shí)的密封條回彈力有如下關(guān)系：

式中：

δ—壓縮量，mm。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，硅橡膠密封條的超彈性體現(xiàn)在壓縮50 %時(shí)（即在壓縮量在10 mm時(shí)）有一個(gè)拐點(diǎn)，壓縮率小于50 %時(shí)（即壓縮量δ≤10 mm）密封條回彈力與壓縮量之間呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，當(dāng)壓縮率大于50 %時(shí)（即壓縮量δ≤10 mm）回彈力急劇增加。

圖2 回彈力與壓縮量之間的關(guān)系

圖3 密封條防水密封示意圖

2 多孔閉孔硅橡膠防護(hù)性能分析

該閉孔發(fā)泡硅橡膠密封條表面采用閉孔表面，水無(wú)法通過(guò)密封條本體滲入。密封條防水密封示意圖如圖3。密封條的寬度和壓縮量直接影響密封的可靠性，寬度太大不僅導(dǎo)致成本增加，更重要的影響產(chǎn)品尺寸、空間、重量、加工工藝，寬度太小無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封作用，合適的密封條寬度對(duì)于產(chǎn)品密封非常重要。密封條壓縮量太大將導(dǎo)致回彈力過(guò)大，關(guān)門(mén)困難，而壓縮量過(guò)小將無(wú)法實(shí)現(xiàn)密封作用。

密封條失效是因?yàn)樗畬?duì)密封條和柜體接觸面的壓力大于密封條與箱體之間的摩擦力，導(dǎo)致水通過(guò)密封條與柜體之間的接觸面滲入柜內(nèi)。考慮到密封條通過(guò)自帶膠水粘貼于柜門(mén)，粘貼強(qiáng)度牢固，粘貼后淋水時(shí)假定水無(wú)法通過(guò)該粘貼面滲入柜內(nèi)。

當(dāng)水壓產(chǎn)生的作用力小于密封圈與柜體的摩擦力時(shí)，密封條不會(huì)因此失效，為了保證密封條的密封可靠有效，取安全系數(shù)2，于是：

密封條與柜體的摩擦力：

式中：

μ—密封條與柜體表面噴漆的表面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般為 0.3～0.5。

根據(jù)動(dòng)量定理，水壓產(chǎn)生的沖擊力

式中：

ρ—水的密度；

Q—水流量；

D—噴嘴內(nèi)徑。

將（3）、（4）代入（2）求得：

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 4208-2008外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）中IPX5的試驗(yàn)條件，當(dāng)IP防護(hù)性能達(dá)到IPX5時(shí)，取，將（1）代入（5）可得：

令

f(δ)即為試驗(yàn)硅橡膠密封條IPX5判別方程，繪制出壓縮量δ在1～12 mm時(shí)f(δ)曲線如圖4。

由圖4可見(jiàn)，當(dāng)壓縮量δ在6 mm以下時(shí)，f(δ)接近于0，但δ大于10 mm以上時(shí)，反彈力急劇增加，同時(shí)壓縮量增大將導(dǎo)致硅橡膠壓縮永久變形增大，因此控制在壓縮量δ在6～10 mm范圍可以較好的實(shí)現(xiàn)柜體IPX5防護(hù)等級(jí)。考慮到柜體存在不平整度加工誤差及組裝誤差，平面度控制難度比較大，一般平面度在2 mm以上，為保證有效密封，建議密封條設(shè)計(jì)壓縮量為8～10 mm為宜。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)工裝使用礦用車(chē)變流器柜體（圖5（a）所示），采用文中提出的硅橡膠D型空心密封條（圖5（b）所示），柜門(mén)設(shè)計(jì)密封條壓縮量為10 mm，柜門(mén)通過(guò)門(mén)鎖搭扣與柜體通過(guò)螺栓緊鎖緊固。制作一個(gè)厚度為2的矩形平墊安裝于柜體與柜門(mén)門(mén)鎖搭扣之間（圖5（c）所示），通過(guò)增減平墊的數(shù)量可以調(diào)整柜門(mén)的壓縮量，有如表1關(guān)系。

圖4 f(δ)曲線

表1 平墊調(diào)整數(shù)量與密封條壓縮量關(guān)系

進(jìn)行淋雨測(cè)試。按IPX5測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，噴嘴內(nèi)徑6.3 mm，水流量12.5 L/min，水壓150 kPa,離柜體距離約2.5 m進(jìn)行噴水5 min，靜置10 min，開(kāi)門(mén)檢查柜內(nèi)進(jìn)水情況，對(duì)表2三種情形分別進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，密封條壓縮量在6～10 mm時(shí)，柜內(nèi)均無(wú)任何水痕。淋水測(cè)試如下圖6所示。

4 阿累尼烏斯圖壽命推算

4.1 壽命推算原理

當(dāng)溫度升高的時(shí)候，一般情況下化學(xué)反應(yīng)的速率會(huì)提高，對(duì)某些有機(jī)化學(xué)反應(yīng)，提高溫度10 ℃，意味著提高了2～3 倍反應(yīng)速率。溫度化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系可以用阿累尼烏斯方程式表示：

式中：

F(t)反應(yīng)關(guān)系的函數(shù)，即材料測(cè)定的性能隨時(shí)間變化的函數(shù)；

t為時(shí)間，（h）；

圖5 試驗(yàn)工裝

圖6 柜體淋水測(cè)試

E為活化能，橡膠材料化學(xué)反應(yīng)常數(shù)，（J/mol）；

R為摩爾氣體常數(shù)，（8.314J/（mol·K））；

Tk為熱熱力學(xué)溫度，（K）；

A為指數(shù)因素，常數(shù)項(xiàng)，（min-1）。

對(duì)式（8）取對(duì)數(shù)并合并常數(shù)項(xiàng)B，則

可見(jiàn)，時(shí)間的對(duì)數(shù)與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系[2]。

材料的使用壽命是指在實(shí)驗(yàn)條件下，在使用溫度下測(cè)定的性能達(dá)到規(guī)定的臨界值的時(shí)間。在試驗(yàn)溫度下，密封條測(cè)定的性能的數(shù)值變化是時(shí)間的函數(shù)，持續(xù)試驗(yàn)直到密封條測(cè)定的性能達(dá)到臨界值時(shí)，即密封條失效時(shí)為止，從而獲得在該溫度下密封條老化的失效時(shí)間ln（ta）。通過(guò)在不同溫度的測(cè)試，擬合計(jì)算出式（9）中各項(xiàng)參數(shù)，即可推算出不同溫度下密封條的壽命，即密封條測(cè)定的性能在不同溫度下達(dá)到臨界值的時(shí)間。

4.2 老化試驗(yàn)

選取密封條壓縮永久變形參數(shù)作為測(cè)試性能，在不同試驗(yàn)溫度下，通過(guò)測(cè)試密封條試樣壓縮永久變形達(dá)到臨界值的時(shí)間的老化試驗(yàn)，從而推算試樣硅橡膠材料的使用壽命。

密封條的壓縮永久變形

式中：

d0為密封條自然狀態(tài)下初始截面厚度，mm；

dr為密封條卸載恢復(fù)后最終截面厚度，mm；

dc為密封條試驗(yàn)時(shí)的指定壓縮量，mm。

選取硅橡膠密封條試樣若干，在壓縮50 %時(shí)、溫度分別在122 ℃（440 K）、142 ℃（415 K）、167 ℃（395 K）進(jìn)行老化試驗(yàn)，直到壓縮永久變形達(dá)到臨界值CSa為止，即?。選取壓縮永久變形臨界值CSa為50 %，此時(shí)試樣恢復(fù)后最終截面厚度為

記錄不同時(shí)間下密封條試樣的壓縮永久變形，并繪制成曲線，圖7為所測(cè)試密封條壓縮永久變形與時(shí)間測(cè)試曲線，從圖可見(jiàn)，溫度越高，相同溫度下密封條壓縮永久變形越大，且更快達(dá)到臨界值。

為獲取具體臨界值，使用抗壓縮永久變形性能保持率1-CS作為縱坐標(biāo)，時(shí)間的對(duì)數(shù)ln(t)作為橫坐標(biāo)，采用最小二乘法擬合各數(shù)據(jù)，作圖，如圖8所示。從圖可獲取密封條壓縮永久變形50 %（此時(shí)，抗壓縮永久變形性能保持率同樣為50 %）時(shí)，各溫度下的曲線臨界值ln（ta），如表2所示。

根據(jù)表中臨界值，作阿累尼烏斯圖（圖9），并通過(guò)擬合得到阿累尼烏斯方程：

換算成密封條壽命為：

式中：

T—溫度/℃；

t—壽命 /h。

通過(guò)對(duì)式（12）的計(jì)算，可獲取密封條在常用溫度下的預(yù)測(cè)如下表3。可見(jiàn)在常溫下該密封條壽命能滿足常規(guī)使用，但是環(huán)溫超過(guò)70 ℃以上時(shí)需謹(jǐn)慎使用。

需要特別指出的是，壽命的預(yù)測(cè)是復(fù)雜的，通過(guò)外推法的計(jì)算也需考慮一種化學(xué)反應(yīng)被另一種不同的反應(yīng)逐漸替代的可能性而導(dǎo)致老化曲線的偏離，同時(shí)上述壽命預(yù)測(cè)方法僅考慮了環(huán)溫對(duì)密封條壽命的影響，不同的壓縮量、光照等不同的環(huán)境因素均對(duì)密封條壽命產(chǎn)生影響，需要考慮壽命的不確定因素。

圖7 壓縮永久變形與時(shí)間測(cè)試曲線

圖8 硅橡膠抗壓縮永久變形性能與老化時(shí)間曲線

表2 臨界值

圖9 阿累尼烏斯圖

5 結(jié)論

通過(guò)回彈力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)柜門(mén)多孔閉孔硅橡膠D型空心密封條在壓縮50 %附近時(shí)回彈力有一個(gè)拐點(diǎn)，再繼續(xù)壓縮回彈力急劇增加；通過(guò)理論分析提出了密封條滿足IPX5的檢驗(yàn)關(guān)系方程式，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，柜門(mén)多孔閉孔硅橡膠D型空心密封條實(shí)現(xiàn)IPX5防護(hù)等級(jí)時(shí)壓縮量宜6～10 mm，考慮到柜體存在不平整度加工誤差及組裝誤差，平面度控制難度比較大，為保證有效密封，建議密封條設(shè)計(jì)壓縮量為8～10 mm為宜；通過(guò)老化試驗(yàn)采用阿累尼烏斯圖對(duì)密封條壽命進(jìn)行了推算，溫度高于70 ℃時(shí)需謹(jǐn)慎使用。

表3 硅橡膠密封條壽命預(yù)測(cè)