基于循環(huán)沖擊加速試驗(yàn)的某O型橡膠密封圈壽命評估方法

王艷艷，秦朝軒，趙方超，朱浩若

武器裝備

基于循環(huán)沖擊加速試驗(yàn)的某O型橡膠密封圈壽命評估方法

王艷艷，秦朝軒，趙方超，朱浩若

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

快速準(zhǔn)確評估溫度循環(huán)條件下某O型橡膠密封圈的貯存壽命。模擬O型橡膠密封圈真實(shí)受壓狀況，設(shè)計(jì)專用夾具，在4個應(yīng)力條件下開展溫度循環(huán)沖擊加速壽命試驗(yàn)，獲得密封圈退化數(shù)據(jù)，分析并獲得密封圈偽失效壽命，構(gòu)建修正Coffin-Manson模型，并利用不同試驗(yàn)條件下得到的偽失效壽命數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，獲得Coffin-Manson壽命預(yù)估模型，外推常溫條件下密封圈的貯存壽命。通過試驗(yàn)表明，指數(shù)模型相比對數(shù)模型與線性模型能更準(zhǔn)確描述密封圈的退化情況，經(jīng)Coffin-Manson模型評估，該O型橡膠密封圈常溫條件下的貯存壽命為6.13 a，與工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。所提出的基于循環(huán)沖擊加速試驗(yàn)的O型橡膠密封圈壽命評估方法可以準(zhǔn)確評估密封圈的貯存壽命，大大縮短試驗(yàn)周期，節(jié)省壽命評估試驗(yàn)時間和成本，為密封器件的壽命評估提供了參考。

密封圈；壽命評估；溫度循環(huán)；加速壽命試驗(yàn)；Coffin-Manson模型；夾具

橡膠密封圈是一種常用的密封器件，由于其高分子材料的固有特點(diǎn)，在加工、貯存和使用過程中會發(fā)生老化現(xiàn)象，最終導(dǎo)致密封失效。對于具有“長期貯存，一次使用”的彈藥產(chǎn)品而言，橡膠密封圈是一個典型的薄弱環(huán)節(jié)，其貯存壽命直接影響著整彈的可靠性。因此，對橡膠圈進(jìn)行準(zhǔn)確的壽命預(yù)測對于彈藥產(chǎn)品的定壽評壽、關(guān)鍵部件的維修和更換具有極高的參考價值。

常用的壽命評估手段包括自然貯存試驗(yàn)以及加速壽命試驗(yàn)，自然貯存試驗(yàn)的結(jié)果真實(shí)可靠，然而由于產(chǎn)品許多設(shè)計(jì)壽命較長，因此自然貯存試驗(yàn)難以快速獲得產(chǎn)品壽命信息；而加速壽命試驗(yàn)通過提高試驗(yàn)應(yīng)力，加速產(chǎn)品失效過程，大大縮短了試驗(yàn)周期，因此受到學(xué)者廣泛關(guān)注。張曉軍等[1]對氟橡膠密封材料進(jìn)行了熱氧加速老化試驗(yàn)，外推氟橡膠密封件常溫下的貯存壽命為13.8 a。張鑫等[2]研究了航空電子裝備的加速壽命試驗(yàn)方法。Kim等[3]將電流作為加速應(yīng)力，提出了基于逆冪律的勵磁涌流電壽命模型，并對繼電器進(jìn)行了壽命評估。周小燕等[4]研究了激光探測器貯存壽命的影響因素，并設(shè)計(jì)了加速壽命試驗(yàn)對其進(jìn)行評估。Kim等[5]選取電壓、振動和溫度作為加速變量，利用威布爾壽命分布和壽命–應(yīng)力關(guān)系的廣義線性模型，對白熾燈進(jìn)行了壽命評估。目前最為常用的壽命評估方法是通過加速壽命試驗(yàn)結(jié)合阿倫尼烏斯模型來評估產(chǎn)品在常溫下的貯存壽命[6-10]，Dixon[11]利用阿倫尼烏斯模型外推法推算了其他溫度下材料的老化狀況。張凱等[12]利用阿倫尼烏斯模型對舊橡膠密封圈進(jìn)行了貯存壽命評估。該方法在恒溫條件下可以取得不錯的效果，然而阿倫尼烏斯方程假定活化能與溫度無關(guān)，忽略了溫度對活化能的影響，造成了評估結(jié)果的偏差，然而實(shí)際產(chǎn)品貯存過程中常常伴隨著白天–晚上以及夏季–冬季的溫度交替變化。因此，有學(xué)者提出了溫度循環(huán)加速試驗(yàn)[13]。溫度循環(huán)試驗(yàn)可用于考核產(chǎn)品對周圍環(huán)境溫度急劇變化的適應(yīng)性，是彈箭產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型的鑒定試驗(yàn)和批生產(chǎn)階段的例行試驗(yàn)中不可缺少的試驗(yàn)項(xiàng)目，溫度循環(huán)試驗(yàn)在驗(yàn)證和提高彈箭產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性方面應(yīng)用的頻度僅次于振動與高低溫試驗(yàn)。對于溫度循環(huán)加速試驗(yàn)，學(xué)者常用Coffin-Manson進(jìn)行壽命評估[14-17]。趙帥帥等[18]針對溫度循環(huán)應(yīng)力下加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理困難而限制其應(yīng)用的問題，采用了一種基于修正Coffin-Manson模型的加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評估方法，運(yùn)用Monte Carlo仿真實(shí)例進(jìn)行分析驗(yàn)證。陳克凡等[19]利用修正Coffin-Manson模型建立了混凝土溫度循環(huán)加速因子模型，并對橡膠混凝土進(jìn)行了可靠壽命預(yù)估。

本文以某彈用O型橡膠密封圈為研究對象，設(shè)計(jì)溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)，引入修正Coffin-Manson模型作為加速模型，對橡膠圈可靠壽命進(jìn)行評估，技術(shù)路線如圖1所示。首先模擬橡膠密封圈真實(shí)受壓情況，設(shè)計(jì)工裝夾具，進(jìn)而設(shè)計(jì)溫度循環(huán)沖擊試驗(yàn)譜，開展加速壽命試驗(yàn)。獲得加速壽命條件下的退化數(shù)據(jù)后，構(gòu)建適用模型，計(jì)算偽失效壽命，進(jìn)而構(gòu)建修正的Coffin-Manson模型，利用多元回歸求解參數(shù)，外推常溫貯存壽命。

圖1 O型橡膠密封圈壽命評估技術(shù)路線

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)樣本及失效判定

試驗(yàn)樣品為某O型橡膠密封圈，其材料為丁腈混煉橡膠試5171，滿足GJB 250A—1996《耐液壓油和燃油丁腈橡膠膠料規(guī)范》要求。樣品數(shù)量為20件。徑向截面原始尺寸約為2.5 mm。按驗(yàn)收技術(shù)條件的規(guī)定，以壓縮永久變形率達(dá)到50%作為臨界指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)

由于密封圈在彈中為受壓狀態(tài)，設(shè)計(jì)方以及使用方更為關(guān)注的是密封圈隨彈貯存的壽命，因此需要真實(shí)模擬密封圈在產(chǎn)品中的真實(shí)受壓狀況。為達(dá)到該效果，設(shè)計(jì)工裝夾具如圖2所示，壓縮后的高度（夾具限制器高度）為1.85 mm。

圖2 橡膠O型密封圈工裝夾具安裝示意圖

1.3 溫度循環(huán)加速試驗(yàn)

研究表明，橡膠密封圈在貯存過程中，引起其老化的環(huán)境因素主要是溫度[20]。溫度循環(huán)加速了熱脹冷縮效應(yīng)，使產(chǎn)品交替膨脹和收縮，在樣品中產(chǎn)生了應(yīng)力的循環(huán)。若產(chǎn)品內(nèi)有熱梯度，則熱應(yīng)力會加劇，潛在缺陷會隨循環(huán)數(shù)的增加而被激發(fā)，易造成結(jié)構(gòu)性破壞。同時，溫度循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M自然貯存狀態(tài)下的高低溫變化。溫度沖擊和高/低溫浸透，會造成復(fù)合材料分層、表面防護(hù)涂層剝離、密封橡膠老化等現(xiàn)象，產(chǎn)品的密封、防護(hù)被破壞，貯存環(huán)境空氣中的水分子及其他腐蝕性氣體進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部，導(dǎo)致產(chǎn)品性能發(fā)生退化、改變，進(jìn)而發(fā)生故障。該方法較常規(guī)的加速試驗(yàn)具有加速效率高、試驗(yàn)時間短的特點(diǎn)，適合于對溫濕度變化貯存損傷敏感的彈藥部器件類，包括導(dǎo)引頭、控制艙橡膠密封件等。

溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)剖面要素有：溫變范圍、溫變率、最高溫度、溫度保持時間。加速應(yīng)力下環(huán)境剖面需要在貯存環(huán)境剖面的基礎(chǔ)上進(jìn)行加嚴(yán)，并要求保證失效機(jī)理不發(fā)生改變。加速的因素主要考慮溫變范圍、溫變率和最高溫度，溫度保持時間則主要保證產(chǎn)品熱透、冷透，產(chǎn)品內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度相差在允許范圍內(nèi)。

溫度保持時間以保透為準(zhǔn)。對體積較大的被試品，參考國軍標(biāo)，最低溫度為–55 ℃，保持36～48 h；最高溫度為70 ℃，保持時間為24～36 h；對于體積較小的被試品，低溫保持4～6 h，高溫保持4～6 h。每一個循環(huán)周期為4 h：升溫時間為17 min，高溫保持時間146 min，降溫時間為17 min，低溫保持時間為1 h，溫度控制偏差為±2 ℃，本文的溫度循環(huán)沖擊加速壽命試驗(yàn)剖面如圖3所示。設(shè)置4個試驗(yàn)條件，詳細(xì)信息見表1，每個試驗(yàn)條件下放置5個樣本。每2 d對樣本進(jìn)行1次檢測，檢測其壓縮回彈高度。

圖3 橡膠密封圈溫度循環(huán)沖擊加速壽命試驗(yàn)剖面

表1 橡膠密封圈溫度循環(huán)沖擊試驗(yàn)應(yīng)力條件

Tab.1 Stress conditions of temperature cycling impact test for rubber seal ring

2 壽命評估模型建立

計(jì)算樣品的壓縮永久變形率[21-23]作為其性能退化失效判定依據(jù)：

式中：為密封圈的壓縮永久變形率；0為密封圈樣品的原始軸向厚度值；t為在加速試驗(yàn)過程中檢測得到的樣品軸向厚度值；x為夾具限制高度。

橡膠密封圈的失效行為通常表現(xiàn)為退化失效，常見的退化模型包括指數(shù)模型[24]、對數(shù)模型以及線性模型，分別見式（2）—（4）。

式中：0為樣本初始性能參數(shù)；()為樣本退化至?xí)r刻時的性能參數(shù)；為時間；為模型參數(shù)。

利用相關(guān)系數(shù)作為模型的擬合程度[25]檢驗(yàn)：

橡膠密封圈在溫度循環(huán)試驗(yàn)下采用修正的Coffin-Manson模型[26-27]：

式中：為在該溫度循環(huán)條件下到達(dá)失效閾值的失效循環(huán)次數(shù)，與壽命密切相關(guān)；為循環(huán)頻率，即單位時間內(nèi)溫度循環(huán)的次數(shù)，cycle/h；Δ為溫度差，即溫度最高值與最低值之間的差值，K，max為循環(huán)溫度的最大值，K；為玻爾茲曼常數(shù)，=8.617×10–5eV/K；為激活能；、、為模型參數(shù)。

為方便計(jì)算，對式（6）兩邊取對數(shù)得到：

由修正的Coffin-Manson模型適可導(dǎo)出加速因子為：

其中：L、H分別為低、高應(yīng)力下的失效循環(huán)數(shù)；ΔL、ΔH別為低、高應(yīng)力下的溫度變化幅度；L、H分別為低、高應(yīng)力下的循環(huán)頻率；mL、mH分別為低、高應(yīng)力循環(huán)中的最高溫度。

其對數(shù)形式為：

當(dāng)L=H時，不同應(yīng)力水平保持循環(huán)頻率不變，此時加速因子為：

當(dāng)ΔL=ΔH，且mL=mH時，不同應(yīng)力水平下保持溫度變化范圍和最高溫不變，此時加速因子為：

當(dāng)ΔL=ΔH，且L=H時，不同應(yīng)力水平下保持溫度變化范圍和循環(huán)頻率不變，此時加速因子為：

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文設(shè)置了4個試驗(yàn)應(yīng)力水平，每個應(yīng)力水平下有5個試驗(yàn)樣本，總試驗(yàn)時間為30 d，每間隔1 d對樣品進(jìn)行1次壓縮回彈高度的測試，對每個樣本進(jìn)行5個點(diǎn)的測試，計(jì)算測試結(jié)果的平均值作為其性能參數(shù)值，得到的加速性能退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4和表2。從圖4中可以看出，隨著加速壽命試驗(yàn)的進(jìn)行，樣本的壓縮回彈高度均發(fā)生了一定的退化。通過計(jì)算樣本的壓縮永久變形率可以發(fā)現(xiàn)，在30 d內(nèi)的加速老化過程中，樣本沒有發(fā)生失效，因此可以利用檢測到的退化數(shù)據(jù)計(jì)算其偽失效壽命。

對橡膠密封圈加速壽命試驗(yàn)的性能數(shù)據(jù)分別采用線性退化模型、指數(shù)退化模型和對數(shù)退化模型進(jìn)行回歸分析，分析結(jié)果見表3。可以看出，指數(shù)模型所計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)最高，表明該橡膠密封圈的性能退化服從指數(shù)分布，因此可以利用指數(shù)模型計(jì)算樣本在不同試驗(yàn)條件下的偽失效壽命。結(jié)合產(chǎn)品的失效判定依據(jù)，根據(jù)式（2）計(jì)算樣本的偽失效壽命，計(jì)算結(jié)果見表4。

表2 橡膠密封圈不同試驗(yàn)條件下壓縮永久變形率均值

Tab.2 Average compression springback height of rubber seal ring under different test conditions %

圖4 不同試驗(yàn)條件下密封圈樣品的性能退化曲線

表3 不同退化模型的相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

Tab.3 Calculation results of correlation coefficients of different degradation models

表4 不同試驗(yàn)條件下的性能退化模型和偽失效壽命

Tab.4 Performance degradation model and false failure life under different test conditions

根據(jù)表4獲得的偽失效壽命數(shù)據(jù)，利用多元回歸分析對Coffin-Manson模型的參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，將參數(shù)估計(jì)結(jié)果代入模型中得到：

因此，將常溫貯存條件的相關(guān)參數(shù)代入式（14）中，計(jì)算得到正常應(yīng)力條件下的貯存壽命為6.13 a，結(jié)果見表5。

表5 正常應(yīng)力水平下密封圈的貯存壽命

Tab.5 Storage life of seal ring at normal stress level

根據(jù)該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命以及實(shí)際貯存經(jīng)驗(yàn)，在常溫貯存條件下，該O型橡膠密封圈的貯存壽命約為6.3 a，與本文所計(jì)算出的結(jié)果非常吻合，在工程上可以接受，表明本文提出的基于循環(huán)沖擊加速試驗(yàn)的壽命評估方法是合理有效的。

對該樣品開展恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，與溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，選取323.15 K（50 ℃）與343.15 K（70 ℃）溫度應(yīng)力，定期對樣品進(jìn)行檢測，得到樣品的壓縮永久變形率，結(jié)果見表6。與表2的結(jié)果進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn)，在323.15 K溫度應(yīng)力下，樣品加速退化30 d時，恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的壓縮永久變形率退化量為17%，而溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)的退化量為20.62（15 min溫變速率）和25.85（5 min溫變速率）；在343.15 K溫度條件下，恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的壓縮永久變形率退化量為22%，溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)的退化量為32%（5 min溫變速率）和25.85%（15 min溫變速率），溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)樣品的退化量大于恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。因此，驗(yàn)證了溫度循環(huán)加速壽命試驗(yàn)縮短了加速壽命試驗(yàn)的周期，提高了試驗(yàn)效率，相比于恒定溫度加速壽命試驗(yàn)，可以更快地獲得樣品薄弱環(huán)節(jié)信息。

表6 恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)的壓縮永久變形率

Tab.6 Compression set rate results of acceleration life test at constant stress %

4 結(jié)論

為有效評估某O型橡膠密封圈貯存壽命，本文提出一種基于循環(huán)沖擊加速試驗(yàn)的壽命評估方法。為模擬密封圈真實(shí)受壓狀況，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)專用夾具。在4個溫度循環(huán)加速試驗(yàn)條件下開展試驗(yàn)，獲得了密封圈樣本退化失效數(shù)據(jù)，通過相關(guān)系數(shù)驗(yàn)證了密封圈退化過程符合指數(shù)分布模型。結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)失效閾值，估算了不同試驗(yàn)條件下產(chǎn)品的偽失效壽命。采用最小二乘算法對Coffin-Manson模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，外推出常溫貯存條件下該O型橡膠密封圈的貯存壽命為6.13 a。該結(jié)果與工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，表明本文所提出的方法可以快速有效地評估O型橡膠密封圈貯存壽命，節(jié)省了壽命評估試驗(yàn)時間和成本，為密封器件的壽命評估提供了參考。

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Life Evaluation Method of O-type Rubber Seal Ring Based on Cyclic Impact Acceleration Test

WANG Yan-yan, QIN Chao-xuan, ZHAO Fang-chao, ZHU Hao-ruo

(Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China)

The work aims to quickly and accurately evaluate the storage life of O-type rubber seal ring under temperature cycling condition. Special fixtures were designed to simulate the real compression condition of O-type rubber seal ring. The degradation data of seal ring were obtained by temperature cycling impact acceleration life tests under four stress conditions. The false failure life of seal ring was analyzed and obtained. The modified Coffin-Manson model was constructed and the false failure life data obtained under different test conditions were used to estimate the parameters of the model. Then, the Coffin-Manson life prediction model was obtained, and the storage life of seal ring was extrapolated under normal temperature. The test results showed that the exponential model could describe the degradation of the seal ring more accurately than the logarithmic model and the linear model. After evaluated by Coffin-Manson model, the storage life of the O-type rubber seal ring under normal temperature was 6.13 years, which was in accordance with the engineering experience data. The proposed life evaluation method of O-type rubber seal ring based on cyclic impact acceleration test can accurately evaluate the storage life of seal ring, greatly shorten the test cycle, save the time and cost of life evaluation test, and provide reference value for the life evaluation of seal devices.

seal ring; life evaluation; temperature cycle; acceleration life test; Coffin-Manson model; fixtures

TJ07

A

1672-9242(2023)01-0001-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.001

2021–12–10；

2021-12-10；

2022–02–21

2022-02-21

王艷艷（1980—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性評價。

WANG Yan-yan(1980-), Female, Master, Senior engineer, Research focus: product environmental worthiness evaluation.

王艷艷, 秦朝軒, 趙方超, 等. 基于循環(huán)沖擊加速試驗(yàn)的某O型橡膠密封圈壽命評估方法[J]. 裝備環(huán)境工程, 2023, 20(1): 001-007.

WANG Yan-yan, QIN Chao-xuan, ZHAO Fang-chao, et al.Life Evaluation Method of O-type Rubber Seal Ring Based on Cyclic Impact Acceleration Test[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 001-007.

責(zé)任編輯：劉世忠