丁腈橡膠O形圈靜密封結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)

張 躍

（慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077）

在航空液壓系統(tǒng)中，密封是一個(gè)很關(guān)鍵的因素，很多失效問(wèn)題都是由于密封不嚴(yán)出現(xiàn)泄漏而造成。在密封裝置中起密封作用的零部件稱(chēng)為密封件，密封件的材料需要有較高的壓變性，壓變性越高，對(duì)密封間隙的堵閉越緊，密封結(jié)構(gòu)的密封性越可靠。在壓力的作用下，密封材料不能從間隙中被擠出，更不能因機(jī)械作用而破壞，此外，還需能“跟蹤”間隙可能發(fā)生的偶然和規(guī)律性變化而自行補(bǔ)償。因此，密封件的材料除了應(yīng)具有壓變性外，還應(yīng)具備很高的力學(xué)強(qiáng)度以及優(yōu)異的恢復(fù)變形能力，即高彈性[1]。硫化橡膠就是一種高彈性材料，能在外力作用下發(fā)生很大的可逆變形，高彈性使橡膠材料成為密封件的主要材料。橡膠密封件的壽命與密封裝置壽命密切相關(guān)，研究橡膠密封件的壽命和壽命預(yù)測(cè)方法對(duì)確定密封裝置的使用壽命非常重要[2-3]。

對(duì)靜密封結(jié)構(gòu)下橡膠材料的壽命進(jìn)行計(jì)算可采用壓縮永久變形法。該方法是以橡膠材料壓縮永久變形作為性能檢測(cè)項(xiàng)目，以基于壓縮永久變形的老化失效模型為性能退化模型，來(lái)衡量靜密封結(jié)構(gòu)的壽命。壓縮永久變形法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不高，因此在工程中應(yīng)用較為廣泛，但這是一種經(jīng)驗(yàn)方法，主要通過(guò)測(cè)量壓縮永久變形來(lái)預(yù)測(cè)壽命，由于測(cè)量誤差的存在，可能對(duì)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果帶來(lái)一定的影響。

本工作選擇一種密封用的丁腈橡膠材料（牌號(hào)試5171），以O(shè)形圈靜密封結(jié)構(gòu)為例，采用壓縮永久變形法在空氣和液壓油中進(jìn)行材料性能退化試驗(yàn)，并計(jì)算材料在不同環(huán)境中的壽命，以達(dá)到預(yù)測(cè)密封結(jié)構(gòu)壽命的目的。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 方法原理

O形圈靜密封結(jié)構(gòu)失效判斷采用最大接觸壓力準(zhǔn)則，即使用中密封接觸面壓力逐漸減小，當(dāng)其小于工作介質(zhì)壓力時(shí)則發(fā)生泄漏。密封接觸面接觸壓力減小的主要原因是O形圈橡膠材料老化導(dǎo)致壓縮永久變形增大，從而使彈性減小，因此可確定密封性能失效參數(shù)為橡膠材料壓縮永久變形。對(duì)于不同的O形圈橡膠材料，一般可根據(jù)使用情況和橡膠材料本身的使用溫度范圍，以阿倫尼烏斯方程為加速模型開(kāi)展加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)[4]。根據(jù)試驗(yàn)溫度條件，加速試驗(yàn)可以選擇合適的試驗(yàn)樣本量、試驗(yàn)時(shí)間以及性能檢測(cè)項(xiàng)目，得到不同溫度水平下的性能退化曲線。通過(guò)性能退化曲線可以得到壓縮永久變形變化率與溫度的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，再采用極大似然估計(jì)方法，計(jì)算得到任一溫度水平下的壓縮永久變形退化模型，進(jìn)而得到正常工作條件（20 ℃）下橡膠材料的壓縮永久變形退化模型：

式中，C為壓縮永久變形，R20為20 ℃下橡膠材料單位時(shí)間內(nèi)的壓縮永久變形變化率，t為時(shí)間。

在理想狀態(tài)下，橡膠材料O形圈初始?jí)嚎s永久變形近似為零。根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)或設(shè)計(jì)要求，確定橡膠材料壓縮永久變形的失效閾值，代入式（1）即可計(jì)算出該材料O形圈靜密封結(jié)構(gòu)在20 ℃下的使用壽命。

1.2 試驗(yàn)方案

密封膠料試驗(yàn)共分為預(yù)測(cè)試和性能退化試驗(yàn)兩部分。預(yù)測(cè)試的目的是測(cè)定材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性，同時(shí)分析不同溫度下材料的性能退化規(guī)律，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)；性能退化試驗(yàn)的目的是獲得材料力學(xué)性能隨時(shí)間退化的模型，進(jìn)而表征性能退化對(duì)故障行為的影響。

根據(jù)GB/T 1683—2018《硫化橡膠 恒定形變壓縮永久變形的測(cè)定方法》，采用Φ10 mm×10 mm橡膠圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，在恒定壓縮率（20%）下，測(cè)試壓縮永久變形。

（1）預(yù)測(cè)試。根據(jù)試5171丁腈橡膠材料常用溫度范圍，制定預(yù)測(cè)試條件：溫度 70，90，110 ℃；時(shí)間 1 d；試驗(yàn)環(huán)境 空氣、15#航空液壓油（簡(jiǎn)稱(chēng)油液）。

（2）性能退化試驗(yàn)。基于預(yù)測(cè)試條件，總時(shí)間改為28 d，每隔4 d取出不同環(huán)境、不同溫度下的試樣進(jìn)行壓縮永久變形測(cè)試。不同溫度下試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短可以根據(jù)預(yù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

2 結(jié)果與討論

2.1 性能退化模型分析

根據(jù)70，90和110 ℃下的性能退化數(shù)據(jù)，處理得到相應(yīng)的密封性能退化模型，然后根據(jù)選取的加速模型進(jìn)行外推，得到正常工作條件（20 ℃）下的密封性能退化模型。

2.1.1 70，90和110 ℃下性能退化模型

在空氣和油液中隨時(shí)間變化的試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 在空氣和油液中隨時(shí)間變化的試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形測(cè)試結(jié)果 %

由于110 ℃下，試5171丁腈橡膠材料在空氣中4 d、在油液中8 d即達(dá)到50%的試驗(yàn)終止閾值，因此選取預(yù)測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)輔助計(jì)算。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合可得到試5171丁腈橡膠材料在空氣和油液中不同溫度下壓縮永久變形隨時(shí)間的變化規(guī)律。

在70，90和110 ℃空氣中試5171丁腈橡膠材料壓縮永久變形-時(shí)間線性擬合方程分別為式（2）—（4），相關(guān)因數(shù)分別為0.954 2，0.960 6和 1.000 0。

在70，90和110 ℃油液中試5171丁腈橡膠材料壓縮永久變形-時(shí)間線性擬合方程分別為式（5）—（7），相關(guān)因數(shù)分別為0.953 4，0.978 5和 0.976 4。

2.1.2 加速模型

由于加速老化試驗(yàn)條件為溫度，因此選用阿倫尼烏斯方程作為加速模型，即壓縮永久變形變化率（R）與溫度（T）的關(guān)系式為

兩邊取對(duì)數(shù)可得：

式中，A為指數(shù)因數(shù)，Ea為活化能，k為摩爾氣體常數(shù)。

2.1.3 正常溫度水平下性能退化模型

根據(jù)式（3）—（7）可得到試驗(yàn)溫度（70，90，110 ℃換算為343.15，363.15，383.15 K）下試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形變化率，如表2所示。

表2 試驗(yàn)溫度下試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形變化率 %

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，采用極大似然估計(jì)方法，可以求得式（9）中的參數(shù)，得到任一溫度水平下的壓縮永久變形退化模型

進(jìn)而得到正常工作條件（20 ℃）下試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形變化率，空氣中為0.030 8%，油液中為0.043 4%，則20 ℃下壓縮永久變形退化模型為

2.2 壽命計(jì)算

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，壓縮永久變形的失效閾值可選70%作為壽命計(jì)算的失效閾值[5]，即C＝70%。將其代入式（12）和（13），可確定試5171丁腈橡膠材料O形圈靜密封結(jié)構(gòu)在20 ℃空氣條件下的壽命為2 273 d，在實(shí)際工作條件（20 ℃液壓油中）下的壽命為1 613 d。計(jì)算與實(shí)際使用結(jié)果相符，壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性較高。

O形圈靜密封結(jié)構(gòu)在油液工作條件下的壽命不到空氣條件下壽命的一半，主要是因?yàn)橐簤河蛯?duì)橡膠材料有溶脹作用，會(huì)導(dǎo)致橡膠材料彈性減小，壓縮永久變形增大，從而加快O形圈老化，造成O形圈靜密封結(jié)構(gòu)較早發(fā)生失效。

3 結(jié)論

根據(jù)靜密封失效機(jī)理，研究一種O形圈靜密封結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測(cè)方法—壓縮永久變形法。該方法從靜密封結(jié)構(gòu)材料失效機(jī)理出發(fā)，有針對(duì)性地進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，可節(jié)約大量時(shí)間和工作成本，提高壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，更為重要的是，該方法具有較強(qiáng)的通用性和可行性，為高可靠性長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的壽命預(yù)測(cè)提供了一個(gè)思路。