基于加速老化試驗的海工裝備O形密封圈壽命預測

2024-01-24 06:30:28何雅娟王恒鄭圓圓劉朋

潤滑與密封 2024年1期

關鍵詞：模型

何雅娟，王恒，鄭圓圓，劉朋

(1.南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019；2.徐州徐工液壓件有限公司，江蘇徐州 221004)

科學技術與生產制造業的蓬勃發展，也促進了對海洋工業向深海進發，對海工裝備中液壓系統的密封性能的要求也越來越高。液壓缸與密封圈使用壽命一直都是液壓系統中備受關注的研究內容，而密封圈作為液壓系統中的重要元件之一，對海工裝備的密封性能起著非常重要的作用。在設備的長期運行中，影響密封圈壽命的因素有很多，但在特殊海洋工況中，對密封圈影響最大的是高鹽高濕高壓環境。因此，為保障液壓密封系統的正常運轉，采取有效的措施來預測高鹽高濕高壓環境下密封件的使用壽命很有必要。

老化加速試驗可以有效模擬密封圈的使用工況，通過試驗預測其使用壽命，在密封失效之前及時更換密封件，從而保證其在液壓系統中密封性能的穩定發揮。根據試驗對象失效模式的不同，老化加速試驗可以分為3種類型：加速壽命試驗、加速退化試驗與競爭失效場合加速試驗[1]。其中加速退化試驗是通過模擬實際工況來對設備進行性能評估，可在較短時間內實現設備的可靠性測試，從而合理預測試驗對象的使用壽命[2-4]。李詠今[2]研究了應力狀態下4種丁腈橡膠硫化膠在空氣和油介質中的烘箱加速老化與室內自然老化的相關性。MEEKER 和HAMADA[5]通過單一退化模型，將密封件材料的退化過程分成不同的類型，并進行分析。NELSON[6]研究了老化加速試驗數據的分布，并給出了加速退化試驗性能的完整描述。CHUANG等[7]通過描述LED退化的動力學模型，對其使用壽命進行了分析預測。王莉[8]針對O形密封圈開展加速退化試驗，根據退化數據建立退化軌跡模型，確定密封失效壽命的分布類型，研究3種不同情況下的壽命評估結果，最后得到密封圈自然貯存情況下的預測壽命。GILLEN等[9]、孫燕飛[10]、張晉瓊[11]、BERNSTEIN和GILLEN[12]針對不同工況以及不同材料的密封圈，利用不同加速壽命模型，設計了在不同溫度與介質條件下的加速老化試驗，根據加速試驗結果預測了不同工況與使用場景下的密封圈壽命。石頡等人[3]提出了基于拉斷伸長率的密封圈老化加速壽命試驗方法，根據環境工況確定壽命評估模型，在不同的溫度下開展試驗，定期采集密封圈的拉斷伸長率，實現了密封圈的疲勞壽命預測。但該方法環境工況較為單一，只能適用于線徑較小的密封圈。翟中生等[4]將密封圈試樣在4個溫度下進行加速老化試驗，根據經驗動力學公式和Arrhenius模型，采用回歸分析法推導出溫度與老化時間及壓縮永久變形率之間的變化關系，預測出丁腈橡膠密封圈在海水中的使用壽命。但該文獻的熱氧老化試驗沒有充分考慮實際工況中海水的酸堿性，特殊海洋環境沒有在試驗中完全體現。

綜上所述，當前針對密封圈開展的加速壽命試驗，試驗對象大多是單一環境下或線徑較小的密封圈，且多考慮的是密封圈的貯存壽命，針對海洋工況下機械設備中密封件的研究較少，加速壽命試驗環境中海水的特殊性沒有充分體現，因此針對海洋液壓系統中密封圈的壽命預測是很有必要的。

本文作者通過模擬海洋工況，對丁腈橡膠密封圈進行加速退化壽命試驗，評估其可靠性及使用壽命，進而確定海工裝備的維護周期，以便及時進行更新維護，保證密封件的正常使用，確保液壓系統中密封性能可以穩定發揮。

1 密封圈老化加速壽命試驗的理論基礎

結合海洋的特殊工況可以得知液壓缸的常見失效模式，主要是由于橡膠材料老化變形，直至密封圈失去密封性能，屬于退化失效模型，因此利用加速壽命模型結合老化加速壽命試驗，可以較為準確地描述退化速率與環境工況之間的關系。

1.1 橡膠老化形變理論

根據HG/T 3087—2001《靜密封橡膠零件貯存期快速測定方法標準》，老化形變理論公式可表示橡膠壓縮永久變形率隨時間變化規律，如公式(1)所示[13]。

1-ε=Be-Ktα

(1)

式中：K為與溫度t有關的老化速度常數；B為試驗常數，隨溫度變化；t為老化時間；α為經驗常數，0<α≤1；ε為壓縮永久變形率，計算公式如式(2)所示[14]。

(2)

式中：H0為試樣原始截面直徑；H為試樣壓縮老化后的截面直徑；H1為限制器高度(墊片厚度)。

依據橡膠圈的老化形變理論公式(1)與公式(2)，可以對密封圈進行無泄漏運行壽命預測，取ε=31%作為丁腈橡膠密封圈的臨界壓縮永久變形率[15]。

1.2 加速試驗模型的選擇

常見的加速模型主要有3種，分別是逆冪律模型、阿侖尼烏斯模型與艾林模型。阿侖尼烏斯模型[16]主要被用于機械設備的加速試驗中，通常表述加速應力為溫度時，設備的退化速率與溫度應力的關系，表達式如公式(3)所示。

K=Ae-E/(RT)

(3)

式中：T為老化溫度；E為化學反應活化能；A為常數，與材料的特性與試驗方法有關；R為玻爾茲曼常數。

基于橡膠老化形變理論公式與阿侖尼烏斯加速模型，提出了特殊海洋環境中密封圈的壽命加速測試方案：環境中的溫度變量為試驗中的加速因子，模擬實際工況中的南海海洋環境，獲取密封失效加速反應常數，預測液壓系統中的密封圈服役壽命。

2 老化加速壽命試驗模擬平臺

文中考慮海洋環境與實際液壓密封系統的綜合因素，模擬海工裝備的常見工況，結合海洋環境中對密封圈使用壽命性能的影響因素，設計了海洋環境下液壓缸中密封圈的加速壽命老化試驗測試平臺。

在工程應用環境模擬與仿真基礎上，模擬海洋環境中的環境，例如溫度變化、濕熱交替鹽霧腐蝕、海水漲潮與浸泡等。該試驗平臺可在不同環境條件下操控多個試驗變量，通過控制環境溫度的變化，可以得到溫度對液壓系統中密封圈使用壽命及其可靠性的影響，最終分析試驗結果可以了解設備可靠性，并有效預測密封使用壽命。

加速試驗模擬平臺中的環境艙是整個海洋環境模擬系統工作空間中的主體系統，通過配套的有關附屬設施與其組成綜合性試驗系統。加速壽命試驗系統是如圖1(a)所示的密閉試驗空間，便于各種海洋氣候環境在此密閉空間內進行交替模擬，實現不同海洋環境的模擬。試驗所采用的液壓缸如圖1(b)所示，環境艙內部結構如圖1(c)所示，海洋環境的模擬操控測試平臺，如圖1(d)所示。

圖1 海洋環境加速壽命試驗設備

試驗所用液壓缸截面與密封圈如圖2(a)所示，其中試驗所用的丁腈橡膠密封圈試樣如圖2(b)所示，尺寸為φ57 mm×5.3 mm。

圖2 液壓缸截面與密封圈試樣

3 加速壽命試驗數據分析

密封圈的老化環境主要分為2種：第一種是熱海水介質，鹽度一般為3.5%(質量分數)，老化溫度一般為 40、50、60、70、80 ℃；第二種是熱空氣，溫度一般為80、100與130 ℃[17]。在確定加速試驗的溫度條件下，橡膠密封材料的壓縮永久變形可看作是老化時間的函數，重復進行周期性的加速試驗，直到密封圈的壓縮永久變形率達到臨界值，就可以得到該溫度條件下的密封圈老化疲勞壽命。文中在3個溫度梯度下進行了相同的密封圈加速老化試驗。

海工裝備中丁腈橡膠密封圈實際使用工況中的環境介質溫度大約為30 ℃，結合液壓缸內的溶液介質與缸內液壓油的常規溫度，在老化溫度區間的基礎上分別設置3個高于環境溫度應力的3個應力水平，分別為35、50與65 ℃。按照前密后疏的原則定時將密封圈取出，測量密封圈截面的永久變形量并記錄，每個液壓缸進行相同測試，加速壽命試驗流程如圖3所示。