動(dòng)車組橡膠密封圈剩余壽命預(yù)測(cè)與快速驗(yàn)證

吳超云，黃英齡，明志茂，徐立立

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510656）

引言

動(dòng)車組截?cái)嗳T[1]用于制動(dòng)閥管路中，裸露在外界，工作過程中長期處于導(dǎo)通狀態(tài)，關(guān)閉次數(shù)不頻繁，截?cái)嗳T的主要使用條件為：① 動(dòng)車在運(yùn)營中出現(xiàn)單個(gè)轉(zhuǎn)向架或單節(jié)車制動(dòng)不緩解（包括緊急制動(dòng)）時(shí)，為了使列車能及時(shí)起動(dòng)，通過操作此截?cái)嗳T可以緩解故障車轉(zhuǎn)向架上的空氣制動(dòng)。②動(dòng)車在運(yùn)營中出現(xiàn)全列車緊急制動(dòng)不緩解時(shí)，司機(jī)可通過此截?cái)嗳T切除所有車的空氣制動(dòng)，然后借助于救援車輛將故障列車拖離現(xiàn)場。③在日常檢修中，檢查閘瓦與輪對(duì)踏面的間隙及更換輪對(duì)閘瓦時(shí)，為保證人身安全，必須通過操作此截?cái)嗳T來切除本轉(zhuǎn)向架的空氣制動(dòng)，以防止閘瓦誤動(dòng)作夾人。

氣體管路中的氣壓在0～10 bar左右變化，工作溫度在（-25～70）℃。截?cái)嗳T在使用過程中有振動(dòng)沖擊載荷。工作環(huán)境有少許水油混合體。當(dāng)前截?cái)嗳T的使用年限已達(dá)6年，按照維修手冊(cè)中規(guī)定，則必須整體更換。考慮到當(dāng)前截?cái)嗳T基本無故障，整體更換造成維修成本的大幅度提升，因此，有必要對(duì)截?cái)嗳T的剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化截?cái)嗳T維護(hù)策略。通過截?cái)嗳T的歷史行駛數(shù)據(jù)分析可知，截?cái)嗳T主要出現(xiàn)密封失效較多[2-5]，而造成密封失效的主要原因，為橡膠密封圈的老化，本文主要針對(duì)截?cái)嗳T的橡膠密封圈進(jìn)行壽命研究。對(duì)于橡膠密封圈的壽命研究，多采用加速壽命試驗(yàn)的方式進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估，該方法要求試樣和試驗(yàn)時(shí)間較長，相對(duì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，本文在高溫加速壽命試驗(yàn)驗(yàn)證的同時(shí)，也研究了一種快速壽命評(píng)價(jià)的方法，可用于快速評(píng)估橡膠密封圈的壽命，為后續(xù)截?cái)嗳T的健康狀態(tài)及維護(hù)策略的提供依據(jù)。

1 橡膠密封圈壽命快速評(píng)估方法

根據(jù)截?cái)嗳T橡膠密封圈的使用條件，主要采用高溫老化的方式進(jìn)行壽命評(píng)估，選取其壓縮永久變形率作用其特征壽命參數(shù)，同時(shí)根據(jù)橡膠制品的老化機(jī)理，探索基于熱失重法的快速評(píng)估方法，與試驗(yàn)所得加速因子進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證，結(jié)合實(shí)際使用的壽命數(shù)據(jù)分析，為后續(xù)快速評(píng)估的方法進(jìn)行修正探索，其研究思路方法如圖1所示。

圖1 橡膠密封圈壽命快速評(píng)估方法圖

2 橡膠密封圈加速老化壽命評(píng)估分析

2.1 加速壽命試驗(yàn)結(jié)果分析

為了評(píng)估當(dāng)前產(chǎn)品的剩余壽命，取30件行駛480萬公里截?cái)嗳T進(jìn)行拆解，拆出其橡膠密封圈共30件。將其分成三組，每組10件分別進(jìn)行400 h的熱老化試驗(yàn)，其溫度點(diǎn)分別為80 ℃、95 ℃和110 ℃。每隔80 h進(jìn)行其壓縮應(yīng)力比的測(cè)試，取其平均值并換算成壓縮永久變形率，結(jié)果如表1所示。

表1中可以看出，隨著熱老化的不斷進(jìn)行，橡膠密封圈的壓縮永久變形率越來越大，性能呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢(shì)，且溫度越高衰減速率越快。

2.2 數(shù)據(jù)分析與壽命評(píng)估

根據(jù)GB/T 34986-2017《產(chǎn)品加速試驗(yàn)方法》，確定壓縮永久變形率為壽命特征性能參數(shù)，由于主要采用了熱應(yīng)力作為加速應(yīng)力，因此采用Arrhenius模型進(jìn)行密封圈加速系數(shù)的你和估算。橡膠密封圈在熱老化過程中性能變化指標(biāo)P與老化時(shí)間τ的關(guān)系，一般用模型（1）描述[6-8]。

式中：

P—老化性能指標(biāo)參數(shù)/%；

A—試驗(yàn)常數(shù)；

k—與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)/d-1；

τ—老化時(shí)間/h。

將式（1）兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

以初始性能衰減到80 %作為臨界值來估算密封圈的使用壽命，即P=0.8；以及上述公式（2）中求得的A的平均值代入公式（3）中求得任一溫度Ts下的壽命估算值τ。

根據(jù)表1測(cè)試結(jié)果，按照公式2進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行線性擬合，其擬合圖見圖2所示。

表1 密封圈老化試驗(yàn)結(jié)果

圖2中可以看出，當(dāng)溫度為80 ℃時(shí)，老化衰減速率相對(duì)較慢，當(dāng)達(dá)到95 ℃時(shí)老化溫度大大加快，繼續(xù)升高溫度，則老化速度則相對(duì)變緩慢。根據(jù)圖中擬合公式，可以得出不同溫度下的性能變化速率常數(shù)K及常數(shù)A的自然對(duì)數(shù)值LnA，如表2所示。

表2 不同溫度下性能參數(shù)K與A的值

圖2 密封圈老化壓縮變形趨勢(shì)擬合圖

表3為密封圈性能退化速度常數(shù)與溫度的變化數(shù)據(jù)，按照上述方程擬合計(jì)算后，可得擬合結(jié)果如表4所示。

表3 性能變化參數(shù)k與溫度關(guān)系

表4 ln k與1/T的線性擬合

綜合公式P=Ae-Kτ和可得在任一溫度下樣品的性能參數(shù)k與壽命τ的通用公式，如公式（4）所示。

根據(jù)以上公式可知，在35 ℃（298 K）時(shí)，以壓縮永久變形率為80 %（即P=0.8）作為臨界值來估算密封圈的剩余壽命，則其剩余壽命是10.04年。

2.3 基于熱重分析的橡膠密封圈快速壽命評(píng)估驗(yàn)證

從公式（4）可以看出，壽命評(píng)估的關(guān)鍵在于E/R的數(shù)據(jù)估算，而R為玻爾茲曼常數(shù)，因此，主要的因素在于激活能E的估值。為了快速對(duì)激活能E值估算，可采用熱重法中的不同升溫速率進(jìn)行快速評(píng)估，按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E1641-07，激活能計(jì)算公式如（5）所示[9]。

式中：

R—波爾常數(shù)，8.314 J/(mol*K)；

b—常數(shù)，0.457；

β—升溫速率；

T—熱力學(xué)溫度。

通過采用2 ℃/min，6 ℃/min，10 ℃/min的升溫速率進(jìn)行橡膠密封圈熱失重試驗(yàn)，得出不同的失重比下曲線，如圖3所示。

圖3 橡膠密封圈熱失重曲線及擬合圖

通過對(duì)圖3的擬合可以得出，激活能E為79841 J/mol；而上一節(jié)試驗(yàn)驗(yàn)證得出激活能E=9451.8*8.314= 78582.27 J/mol，兩者數(shù)據(jù)較為接近，因此可以采信熱重法得出的激活能數(shù)據(jù)。熱重法測(cè)試時(shí)間相對(duì)較短，可快速得到橡膠密封圈的激活能E值，從而可對(duì)橡膠密封圈進(jìn)行快速的估算。

3 結(jié)論

1）截?cái)嗳T密封隨著熱老化的不斷進(jìn)行，橡膠密封圈的壓縮永久變形率越來越大，性能呈現(xiàn)明顯的衰減趨勢(shì)，且溫度越高衰減速率越快。

2）以20 %壓縮永久變形率為老化閾值，該橡膠密封圈的壽命估值為10.04年。

3）通過熱重法估算的橡膠密封圈激活能與試驗(yàn)所得值較為接近，驗(yàn)證了該方法的可行性，也為后續(xù)快速評(píng)估橡膠類密封圈產(chǎn)品的壽命提供參考。