車門密封膠條力學(xué)性能衰變分析

楊泰隆 葛鵬翼 陳元麗 肖衡

摘? 要：按照國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，檢測(cè)自然條件使用的密封膠條樣品的硬度和拉伸性能（拉伸強(qiáng)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(xué)性能變化規(guī)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(shù)據(jù)，構(gòu)建了6階拉格朗日插值多項(xiàng)式，對(duì)車門密封膠條使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示其使用壽命是185個(gè)月。

關(guān)鍵詞：車門;密封膠條;自然老化;力學(xué)性能;壽命預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：U465? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：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(hù)等作用，在服役過程受中，受熱、光、水分、氧等環(huán)境因素的綜合作用會(huì)發(fā)生老化[1]。其力學(xué)性能會(huì)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(dǎo)致其喪失使用價(jià)值[2-5]。因此，準(zhǔn)確掌握密車門封膠膠條（以下簡(jiǎn)稱封膠膠條）的使用狀態(tài)，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(hù)效率同時(shí)降低維護(hù)成本。

本文以三元乙丙橡膠（EPDM）材料的密封膠條為研究對(duì)象，收集了自然條件使用下、不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)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(cè)其力學(xué)性能，獲得密封膠條自然老化前后的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，以此掌握密封膠條力學(xué)性能的劣化規(guī)律，為解決密封膠條服役過程中的維修和壽命評(píng)估等問題提供依據(jù)[6]。

1? ? 力學(xué)性能檢測(cè)

1.1? ?密封膠條樣品收集

收集上海和南京兩地區(qū)不同使用時(shí)間更換下來的密封膠條舊件若干條，對(duì)這些密封膠條進(jìn)行編碼，樣品統(tǒng)計(jì)如表1和表2所示：

1.2? ?硬度檢測(cè)

參照國標(biāo)GB T27568-2011 [7]對(duì)車輛密封膠條性能的檢測(cè)規(guī)定，執(zhí)行GB/T 531.1-2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法。第1部分：邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》[8]，以保證檢測(cè)過程的規(guī)范性。使用裁刀將密封膠條樣品切割成標(biāo)準(zhǔn)試樣，使用ZY-14硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，如圖1所示。在試樣表面不同位置進(jìn)行5次測(cè)量，取中值為最終檢測(cè)結(jié)果。

1.3? ?拉伸性能檢測(cè)

依據(jù)文獻(xiàn)7的規(guī)定，拉伸性能包括拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率，均執(zhí)行GB/T 528-2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠.拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》[9]，使用裁刀將密封膠條樣品切割成啞鈴試樣，每組3個(gè)樣品，如圖2所示。使用ZY-3微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示。

拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率的數(shù)值需要通過公式計(jì)算，三個(gè)樣本需要計(jì)算三次，取計(jì)算結(jié)果的中值為最終檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算公式如下：

（1）拉伸強(qiáng)度TS計(jì)算公式如下，單位MPa：

（1）

式中，F(xiàn)m為記錄的最大應(yīng)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(yàn)長度部分的厚度，單位為毫米（mm）。

（2）拉斷伸長率Eb計(jì)算公式如下，單位%：

（2）

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

2? ? 檢測(cè)結(jié)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(jìn)行描述，本文依據(jù)密封膠條力學(xué)性能變化的一般規(guī)律，提出性能保持率的計(jì)算方法：

（3）

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

2.2? ?南京地區(qū)密封膠條力學(xué)性能分析

將南京地區(qū)密封膠條硬度、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長率檢測(cè)結(jié)果填入表3和表4，并計(jì)算出性能保持率。

依據(jù)表3中數(shù)據(jù)，繪制力學(xué)性能隨使用時(shí)間變化的曲線圖，如圖4所示：

對(duì)于南京地區(qū)的密封膠條，其最大使用時(shí)間跨度為99個(gè)月，從圖4（a）可以看出，密封膠條的硬度隨使用時(shí)間的延長而增大，在使用時(shí)間52個(gè)月到99個(gè)月期間，硬度增加幅度很小，這表明硬度性能隨使用時(shí)間的延續(xù)，并不會(huì)一直增大，而是趨于穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而表明該配方下的密封膠條在抗硬度老化方面已經(jīng)取得顯著成效。從圖4（b）可以看出，密封膠條的拉伸強(qiáng)度隨使用時(shí)間的延長而減小，但是對(duì)于3號(hào)樣品，拉伸強(qiáng)度數(shù)值出現(xiàn)了陡增的情況，違背了一般規(guī)律，屬于異常數(shù)據(jù)，可能是由于橡膠材料本身大變形、強(qiáng)非線性的特性而引起了檢測(cè)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(shí)間增加而減小，呈線性減小趨勢(shì)，無異常數(shù)據(jù)。

從性能保持率的角度分析，從表3在同一使用時(shí)間拉斷伸長率保持率的數(shù)值最小，表明拉斷伸長率性能劣化最明顯，是上述三個(gè)力學(xué)性能中最易失效的一個(gè)性能，因此可以用拉斷伸長率性能對(duì)密封膠條的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，亦驗(yàn)證了GB/T 20028-2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應(yīng)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(biāo)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的合理性。參照文獻(xiàn)[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(gè)月的密封膠條仍可繼續(xù)使用。

2.3? ?上海地區(qū)密封膠條力學(xué)性能分析

對(duì)于上海地區(qū)的密封膠條，其最大使用時(shí)間跨度為177個(gè)月，從圖5（a）可以看出，密封膠條的硬度隨使用時(shí)間的延長而增大，在使用時(shí)間127個(gè)月到177個(gè)月期間，硬度增加幅度很小，趨于穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而表明該配方下的密封膠條在抗硬度老化方面已經(jīng)取得顯著成效。從圖5（b）可以看出，密封膠條的拉伸強(qiáng)度隨使用時(shí)間的延長而減小，如南京的數(shù)據(jù)一樣，拉伸強(qiáng)度數(shù)值也出現(xiàn)了異常的數(shù)據(jù)，從圖5（c）可以看出，密封膠條的拉斷伸長率隨使用時(shí)間增加而減小，呈線性減小趨勢(shì)，減小的幅度小于南京地區(qū)，無異常數(shù)據(jù)。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(gè)月的密封膠條仍可繼續(xù)使用。

南京和上海兩地密封膠條的使用時(shí)間差距很大，兩地的密封膠條的各力學(xué)性能的劣化趨勢(shì)完全相同，說明密封膠條的劣化有規(guī)律可循，即硬度數(shù)值隨時(shí)間的延續(xù)而增大，拉伸性能數(shù)值隨時(shí)間的延續(xù)而減小。

3? ? 壽命預(yù)測(cè)

拉斷伸長率是橡膠抵抗拉伸破壞極限的力學(xué)性能指標(biāo)，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(yù)測(cè)的力學(xué)性能指標(biāo)。南京和上海地區(qū)的密封膠條樣本各有4組數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)偏少，壽命預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)模糊?？紤]到南京和上海同屬華東地區(qū)，氣候條件相似，如表6所示，環(huán)境因素對(duì)密封膠條老化作用相當(dāng)，因此將兩地區(qū)的密封膠條拉斷伸長率數(shù)據(jù)結(jié)合，進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

基于拉斷伸長率的7組數(shù)據(jù)：（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(shí)間的變化趨勢(shì)圖，如圖7所示，可以看出拉斷伸長率是隨使用時(shí)間呈遞減趨勢(shì)，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(shù)據(jù)無異常，數(shù)據(jù)點(diǎn)較多，適合構(gòu)建公式，并根據(jù)文獻(xiàn)10建議選取拉斷伸長率為指標(biāo)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，本文記 為使用時(shí)間， 為拉斷伸長率，構(gòu)建多項(xiàng)式函數(shù)，對(duì)密封膠條的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。Lagrange插值法可以給出一個(gè)恰好穿過二維平面上若干個(gè)已知點(diǎn)的多項(xiàng)式函數(shù)，在工程中應(yīng)用廣泛[11]。n次Lagrange插值多項(xiàng)式的公式為：

（4）

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

根據(jù)公式 4，基于上述 7 組數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析軟件Origin得到 6 階多項(xiàng)式公式為：

（5）

當(dāng)取拉斷伸長率保持率臨界值為0.5時(shí)，即Y（x） =230%，利用Origin軟件計(jì)算出x =185，即以拉斷伸長率為指標(biāo)、230%為臨界值進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，可以得出車門密封膠條自然條件下的使用時(shí)間是185個(gè)月。對(duì)于插值法來說，數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，預(yù)測(cè)結(jié)果越精確。本文為利用較多的數(shù)據(jù)，將南京和上海兩地?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)一分析，未考慮兩地車輛運(yùn)行狀況的差異，如若能獲得同一地區(qū)較多密封膠條的樣本，這對(duì)壽命預(yù)測(cè)十分有益。

4? ? 結(jié)論

（1）從南京和上海兩地密封膠條的力學(xué)性能數(shù)據(jù)可以看出，密封膠條的劣化趨勢(shì)有規(guī)律可循，即硬度數(shù)值隨時(shí)間的延續(xù)而增大，拉伸性能數(shù)值隨時(shí)間的延續(xù)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(qiáng)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(yù)測(cè)指標(biāo)最合理。

（3）以拉斷伸長率為預(yù)測(cè)指標(biāo)、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(shù)據(jù)，采用6階Lagrange插值多項(xiàng)式對(duì)密封膠條的使用壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示，在自然條件下使用的密封膠條使用壽命是185個(gè)月。

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