丁腈橡膠O形圈靜密封結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測

張 躍

（慶安集團有限公司，陜西 西安 710077）

在航空液壓系統(tǒng)中，密封是一個很關(guān)鍵的因素，很多失效問題都是由于密封不嚴(yán)出現(xiàn)泄漏而造成。在密封裝置中起密封作用的零部件稱為密封件，密封件的材料需要有較高的壓變性，壓變性越高，對密封間隙的堵閉越緊，密封結(jié)構(gòu)的密封性越可靠。在壓力的作用下，密封材料不能從間隙中被擠出，更不能因機械作用而破壞，此外，還需能“跟蹤”間隙可能發(fā)生的偶然和規(guī)律性變化而自行補償。因此，密封件的材料除了應(yīng)具有壓變性外，還應(yīng)具備很高的力學(xué)強度以及優(yōu)異的恢復(fù)變形能力，即高彈性[1]。硫化橡膠就是一種高彈性材料，能在外力作用下發(fā)生很大的可逆變形，高彈性使橡膠材料成為密封件的主要材料。橡膠密封件的壽命與密封裝置壽命密切相關(guān)，研究橡膠密封件的壽命和壽命預(yù)測方法對確定密封裝置的使用壽命非常重要[2-3]。

對靜密封結(jié)構(gòu)下橡膠材料的壽命進(jìn)行計算可采用壓縮永久變形法。該方法是以橡膠材料壓縮永久變形作為性能檢測項目，以基于壓縮永久變形的老化失效模型為性能退化模型，來衡量靜密封結(jié)構(gòu)的壽命。壓縮永久變形法操作簡單，對設(shè)備要求不高，因此在工程中應(yīng)用較為廣泛，但這是一種經(jīng)驗方法，主要通過測量壓縮永久變形來預(yù)測壽命，由于測量誤差的存在，可能對壽命預(yù)測結(jié)果帶來一定的影響。

本工作選擇一種密封用的丁腈橡膠材料（牌號試5171），以O(shè)形圈靜密封結(jié)構(gòu)為例，采用壓縮永久變形法在空氣和液壓油中進(jìn)行材料性能退化試驗，并計算材料在不同環(huán)境中的壽命，以達(dá)到預(yù)測密封結(jié)構(gòu)壽命的目的。

1 實驗

1.1 方法原理

O形圈靜密封結(jié)構(gòu)失效判斷采用最大接觸壓力準(zhǔn)則，即使用中密封接觸面壓力逐漸減小，當(dāng)其小于工作介質(zhì)壓力時則發(fā)生泄漏。密封接觸面接觸壓力減小的主要原因是O形圈橡膠材料老化導(dǎo)致壓縮永久變形增大，從而使彈性減小，因此可確定密封性能失效參數(shù)為橡膠材料壓縮永久變形。對于不同的O形圈橡膠材料，一般可根據(jù)使用情況和橡膠材料本身的使用溫度范圍，以阿倫尼烏斯方程為加速模型開展加速試驗設(shè)計[4]。根據(jù)試驗溫度條件，加速試驗可以選擇合適的試驗樣本量、試驗時間以及性能檢測項目，得到不同溫度水平下的性能退化曲線。通過性能退化曲線可以得到壓縮永久變形變化率與溫度的對應(yīng)數(shù)據(jù)，再采用極大似然估計方法，計算得到任一溫度水平下的壓縮永久變形退化模型，進(jìn)而得到正常工作條件（20 ℃）下橡膠材料的壓縮永久變形退化模型：

式中，C為壓縮永久變形，R20為20 ℃下橡膠材料單位時間內(nèi)的壓縮永久變形變化率，t為時間。

在理想狀態(tài)下，橡膠材料O形圈初始壓縮永久變形近似為零。根據(jù)使用經(jīng)驗或設(shè)計要求，確定橡膠材料壓縮永久變形的失效閾值，代入式（1）即可計算出該材料O形圈靜密封結(jié)構(gòu)在20 ℃下的使用壽命。

1.2 試驗方案

密封膠料試驗共分為預(yù)測試和性能退化試驗兩部分。預(yù)測試的目的是測定材料試驗數(shù)據(jù)的分散性，同時分析不同溫度下材料的性能退化規(guī)律，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理奠定基礎(chǔ)；性能退化試驗的目的是獲得材料力學(xué)性能隨時間退化的模型，進(jìn)而表征性能退化對故障行為的影響。

根據(jù)GB/T 1683—2018《硫化橡膠 恒定形變壓縮永久變形的測定方法》，采用Φ10 mm×10 mm橡膠圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，在恒定壓縮率（20%）下，測試壓縮永久變形。

（1）預(yù)測試。根據(jù)試5171丁腈橡膠材料常用溫度范圍，制定預(yù)測試條件：溫度 70，90，110 ℃；時間 1 d；試驗環(huán)境 空氣、15#航空液壓油（簡稱油液）。

（2）性能退化試驗?；陬A(yù)測試條件，總時間改為28 d，每隔4 d取出不同環(huán)境、不同溫度下的試樣進(jìn)行壓縮永久變形測試。不同溫度下試驗時間的長短可以根據(jù)預(yù)測試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

2 結(jié)果與討論

2.1 性能退化模型分析

根據(jù)70，90和110 ℃下的性能退化數(shù)據(jù)，處理得到相應(yīng)的密封性能退化模型，然后根據(jù)選取的加速模型進(jìn)行外推，得到正常工作條件（20 ℃）下的密封性能退化模型。

2.1.1 70，90和110 ℃下性能退化模型

在空氣和油液中隨時間變化的試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形測試結(jié)果如表1所示。

表1 在空氣和油液中隨時間變化的試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形測試結(jié)果 %

由于110 ℃下，試5171丁腈橡膠材料在空氣中4 d、在油液中8 d即達(dá)到50%的試驗終止閾值，因此選取預(yù)測試試驗數(shù)據(jù)來輔助計算。將試驗數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合可得到試5171丁腈橡膠材料在空氣和油液中不同溫度下壓縮永久變形隨時間的變化規(guī)律。

在70，90和110 ℃空氣中試5171丁腈橡膠材料壓縮永久變形-時間線性擬合方程分別為式（2）—（4），相關(guān)因數(shù)分別為0.954 2，0.960 6和 1.000 0。

在70，90和110 ℃油液中試5171丁腈橡膠材料壓縮永久變形-時間線性擬合方程分別為式（5）—（7），相關(guān)因數(shù)分別為0.953 4，0.978 5和 0.976 4。

2.1.2 加速模型

由于加速老化試驗條件為溫度，因此選用阿倫尼烏斯方程作為加速模型，即壓縮永久變形變化率（R）與溫度（T）的關(guān)系式為

兩邊取對數(shù)可得：

式中，A為指數(shù)因數(shù)，Ea為活化能，k為摩爾氣體常數(shù)。

2.1.3 正常溫度水平下性能退化模型

根據(jù)式（3）—（7）可得到試驗溫度（70，90，110 ℃換算為343.15，363.15，383.15 K）下試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形變化率，如表2所示。

表2 試驗溫度下試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形變化率 %

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，采用極大似然估計方法，可以求得式（9）中的參數(shù)，得到任一溫度水平下的壓縮永久變形退化模型

進(jìn)而得到正常工作條件（20 ℃）下試5171丁腈橡膠材料的壓縮永久變形變化率，空氣中為0.030 8%，油液中為0.043 4%，則20 ℃下壓縮永久變形退化模型為

2.2 壽命計算

根據(jù)工程經(jīng)驗和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，壓縮永久變形的失效閾值可選70%作為壽命計算的失效閾值[5]，即C＝70%。將其代入式（12）和（13），可確定試5171丁腈橡膠材料O形圈靜密封結(jié)構(gòu)在20 ℃空氣條件下的壽命為2 273 d，在實際工作條件（20 ℃液壓油中）下的壽命為1 613 d。計算與實際使用結(jié)果相符，壽命預(yù)測準(zhǔn)確性較高。

O形圈靜密封結(jié)構(gòu)在油液工作條件下的壽命不到空氣條件下壽命的一半，主要是因為液壓油對橡膠材料有溶脹作用，會導(dǎo)致橡膠材料彈性減小，壓縮永久變形增大，從而加快O形圈老化，造成O形圈靜密封結(jié)構(gòu)較早發(fā)生失效。

3 結(jié)論

根據(jù)靜密封失效機理，研究一種O形圈靜密封結(jié)構(gòu)的壽命預(yù)測方法—壓縮永久變形法。該方法從靜密封結(jié)構(gòu)材料失效機理出發(fā)，有針對性地進(jìn)行壽命預(yù)測試驗方案設(shè)計，可節(jié)約大量時間和工作成本，提高壽命預(yù)測準(zhǔn)確性，更為重要的是，該方法具有較強的通用性和可行性，為高可靠性長壽命產(chǎn)品的壽命預(yù)測提供了一個思路。