柜門多孔空心硅橡膠密封條防護特性研究

郭寧平，劉斐，俞鵬程，曹強，張文進

（株洲中車時代電氣股份有限公司,株洲 412001）

前言

軌道交通、船舶、礦山車、空調(diào)、風電、光伏等多個領(lǐng)域，應用環(huán)境復雜多變，因此對產(chǎn)品的環(huán)境適應性有著越來越高的要求，其中IP防護要求是產(chǎn)品最基本要求之一。

柜門密封條的設(shè)計直接關(guān)系到變流器密封防護等級，尤其地在礦用車變流器領(lǐng)域，IP防護等級要求高、振動大、露天運行、周圍粉塵大、高原、極寒極熱常年運行，環(huán)境極其惡劣，為了保證柜體密封效果，研究柜門密封條防護特性及其設(shè)計優(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，抗拉強度等機械性能好，泊松比隨壓縮量變化，老化性能滿足一般應用領(lǐng)域，汽車等工業(yè)領(lǐng)域大量應用。VQM具有耐高溫耐低溫（可在-50～250 ℃下長期工作）、防潮、絕緣、環(huán)保、壓縮永久變形小、耐老化等特點。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）的密封場合。

實心硅橡膠通過模壓壓制成型，因加工尺寸種類多難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)受到限制；發(fā)泡多孔閉孔硅橡膠相比實心硅橡膠，具有加工靈活、成本低、密度低、導熱率低、絕緣電阻率高、可壓縮空間大等特點。不同的配方的硅橡膠可以改善其力學學能、熱學性能、阻燃性能。為適應周圍環(huán)境，礦用車變流器柜門密封采用閉孔發(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試

橡膠是一種超彈性體，密實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，對于彈性開孔硅橡膠材料，在載荷作用下孔壁產(chǎn)生彎曲變形，當胞孔完全塌陷后，則基體材料承受載荷[1]。一種應用于礦用車變流器的D型空心閉孔發(fā)泡硅橡膠SR1150截面形狀如圖1（b）所示。通過拉力測試機（圖1（c））對壓板施加一個壓力，使得密封條被壓縮不同程度時，可以間接的測出密封條對壓板的反彈力。

從樣品中剪裁出長度為30 mm的試樣，試樣分5組（圖1（a）），在萬能拉力機上參考標準ASTM D1056進行試驗，測試時壓縮線速度為12.7 mm/min，環(huán)境溫度24.3 ℃，濕度55.2 %RH。

通過測試獲得回彈力測試數(shù)據(jù)，如圖2，采用最小二乘法對上述數(shù)據(jù)進行擬合，密封條壓縮量為δ時的密封條回彈力有如下關(guān)系：

式中：

δ—壓縮量，mm。

通過上述數(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（即在壓縮量在10 mm時）有一個拐點，壓縮率小于50 %時（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，當壓縮率大于50 %時（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，水無法通過密封條本體滲入。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，寬度太小無法實現(xiàn)密封作用，合適的密封條寬度對于產(chǎn)品密封非常重要。密封條壓縮量太大將導致回彈力過大，關(guān)門困難，而壓縮量過小將無法實現(xiàn)密封作用。

密封條失效是因為水對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，導致水通過密封條與柜體之間的接觸面滲入柜內(nèi)?？紤]到密封條通過自帶膠水粘貼于柜門，粘貼強度牢固，粘貼后淋水時假定水無法通過該粘貼面滲入柜內(nèi)。

當水壓產(chǎn)生的作用力小于密封圈與柜體的摩擦力時，密封條不會因此失效，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摩擦系數(shù)，一般為 0.3～0.5。

根據(jù)動量定理，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)國標GB 4208-2008外殼防護等級（IP代碼）中IPX5的試驗條件，當IP防護性能達到IPX5時，取，將（1）代入（5）可得：

令

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

由圖4可見，當壓縮量δ在6 mm以下時，f(δ)接近于0，但δ大于10 mm以上時，反彈力急劇增加，同時壓縮量增大將導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范圍可以較好的實現(xiàn)柜體IPX5防護等級?？紤]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)計壓縮量為8～10 mm為宜。

3 實驗驗證

試驗工裝使用礦用車變流器柜體（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），柜門設(shè)計密封條壓縮量為10 mm，柜門通過門鎖搭扣與柜體通過螺栓緊鎖緊固。制作一個厚度為2的矩形平墊安裝于柜體與柜門門鎖搭扣之間（圖5（c）所示），通過增減平墊的數(shù)量可以調(diào)整柜門的壓縮量，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

進行淋雨測試。按IPX5測試標準，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進行噴水5 min，靜置10 min，開門檢查柜內(nèi)進水情況，對表2三種情形分別進行測試，結(jié)果顯示，密封條壓縮量在6～10 mm時，柜內(nèi)均無任何水痕。淋水測試如下圖6所示。

4 阿累尼烏斯圖壽命推算

4.1 壽命推算原理

當溫度升高的時候，一般情況下化學反應的速率會提高，對某些有機化學反應，提高溫度10 ℃，意味著提高了2～3 倍反應速率。溫度化學反應的關(guān)系可以用阿累尼烏斯方程式表示：

式中：

F(t)反應關(guān)系的函數(shù)，即材料測定的性能隨時間變化的函數(shù)；

t為時間，（h）；

圖5 試驗工裝

圖6 柜體淋水測試

E為活化能，橡膠材料化學反應常數(shù)，（J/mol）；

R為摩爾氣體常數(shù)，（8.314J/（mol·K））；

Tk為熱熱力學溫度，（K）；

A為指數(shù)因素，常數(shù)項，（min-1）。

對式（8）取對數(shù)并合并常數(shù)項B，則

可見，時間的對數(shù)與熱力學溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系[2]。

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

4.2 老化試驗

選取密封條壓縮永久變形參數(shù)作為測試性能，在不同試驗溫度下，通過測試密封條試樣壓縮永久變形達到臨界值的時間的老化試驗，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為密封條卸載恢復后最終截面厚度，mm；

dc為密封條試驗時的指定壓縮量，mm。

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

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

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，時間的對數(shù)ln(t)作為橫坐標，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，抗壓縮永久變形性能保持率同樣為50 %）時，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。

通過對式（12）的計算，可獲取密封條在常用溫度下的預測如下表3?？梢娫诔叵略撁芊鈼l壽命能滿足常規(guī)使用，但是環(huán)溫超過70 ℃以上時需謹慎使用。

需要特別指出的是，壽命的預測是復雜的，通過外推法的計算也需考慮一種化學反應被另一種不同的反應逐漸替代的可能性而導致老化曲線的偏離，同時上述壽命預測方法僅考慮了環(huán)溫對密封條壽命的影響，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 壓縮永久變形與時間測試曲線

圖8 硅橡膠抗壓縮永久變形性能與老化時間曲線

表2 臨界值

圖9 阿累尼烏斯圖

5 結(jié)論

通過回彈力測試，發(fā)現(xiàn)柜門多孔閉孔硅橡膠D型空心密封條在壓縮50 %附近時回彈力有一個拐點，再繼續(xù)壓縮回彈力急劇增加；通過理論分析提出了密封條滿足IPX5的檢驗關(guān)系方程式，通過試驗驗證，柜門多孔閉孔硅橡膠D型空心密封條實現(xiàn)IPX5防護等級時壓縮量宜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)計壓縮量為8～10 mm為宜；通過老化試驗采用阿累尼烏斯圖對密封條壽命進行了推算，溫度高于70 ℃時需謹慎使用。

表3 硅橡膠密封條壽命預測