連接器密封橡膠件加速退化試驗研究

陳東旭，徐 樂，張 麗，郭婧宜，翟國富

(1.哈爾濱工業大學電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱，150001；2.中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

連接器密封件對于產品的壽命預計與產品的使用安全、高效可靠、成本估量都息息相關。近些年來,伴隨著科技信息化的不斷更迭,工作穩定、使用壽命長的產品越來越多,產品的更新換代也愈發快速。傳統的壽命試驗在自然環境下進行,雖然試驗數據準確且預測結果具有很強的說服力,但試驗的整體用時久,成本較高,不適合在產品換代頻率如此之快的當今社會使用,因此,加速壽命試驗應運而生。

20世紀60年代,加速壽命試驗的概念第一次被提出:在標準的實際操作和理論研究的基礎上,使用有關的數學計量模型,在對正常應力水平范圍外的加速應力水平下所獲得的置信度較高的試驗數據進行變換,從而得到產品試樣在正常應力水平下特征的估值的一種試驗方法,被稱為加速壽命試驗[1]。

國內外對于橡膠材料及制品的老化進行了大量的研究,可以總結為老化微觀機理研究、宏觀力學性能分析、加速老化壽命預測和防老化防護方法等4個方面的內容[2]。傳統的方法主要有電氣工程領域采用的線性關系法、動力學直線化法[3]、時溫疊加法、 數學模型法。武漢軟件工程職業學院李金玉對氯丁橡膠在空氣、海水中的老化實驗結果,用非線性回歸法處理數據,分別計算了該橡膠在海水和空氣中的老化動力學參數[4]。長江大學段家松綜述橡膠材料原理,并介紹了用數學模型預測橡膠壽命的一些方法,探索它們的特點及優缺點,提出相關處理方法[5]。吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室劉巧斌等摒棄傳統高分子材料老化建模方法的弊端,根據插值法和時溫疊加原理,高溫加速老化數據外推獲得了常溫下橡膠老化的平移因子,并建立了常溫下橡膠的貯存壽命評估方程,對常溫下的貯存壽命進行預測[6]。同濟大學機械與能源工程學院張永峰和陸志強等人于2020年提出一種優化的神經網絡的壽命預測模型[7]。北京科技大學腐蝕與防護中心吳德權等應用BP神經網絡模型,建立了三元乙丙橡膠在中國的自然老化分布預測圖[8]。

本文對φ2.65mm O形圈進行了不同溫度下和不同壓縮量的高溫加速老化試驗,確定了每個應力環境下O形圈的失效老化因子,建立壽命預測模型,為后續密封用橡膠件加速老化數據處理與壽命預測提供了參考,同時對比出橡膠件在使用過程中不同壓縮量對使用壽命的影響。

2 橡膠加速老化試驗和退化表征量的計算方法

橡膠的熱空氣加速老化是最常用的人工加速老化方法,橡膠熱空氣老化試驗的具體實施過程是參照《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》(GB/T3512-2014)和《恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則》(GB 2689.1-81)進行的。加速壽命試驗中的應力水平應該不少于四個,且各應力水平間應有較大的間隔。其中應有應力水平接近試樣在實際應用狀態下的應力水平,且最高的應力水平不應超過會導致試樣失效的應力水平[9]。故確定試驗應力水平為358K(85℃)、378K(105℃)、398K(125℃)和423K(150℃)。本文中的橡膠件實際使用應力水平為25℃。

橡膠退化表征量的宏觀性能評價指標有拉伸模量、拉伸截面收縮率、拉伸強度、扯斷拉長率、硬度和壓縮永久變形率等。對于本文所研究的密封用橡膠圈,其正常工作時處于壓縮狀態,故采用壓縮永久變形率來衡量其老化程度。壓縮永久變形率的測量根據《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮永久變形的測定》(GB/T7759-2015)的規定進行。壓縮永久變形率c的表達式如下:

(2-1)

式中,H0為試樣原高,mm;Hn為試樣恢復后的高度,mm;Hs,限位器的高度,mm。計算結果精確到0.01%。

3 橡膠老化壽命建模

時溫疊加原理是根據化學反應的時間和溫度可以相互等效的規律建立起來的,即采用高溫來換取反應時間,加快化學反應的速率,換取在短時間內獲得材料的性能衰退規律[10]。

實測橡膠件高溫加速老化的數據,通過曲線擬合得到不同溫度下的壓縮永久變形率隨老化時間的變化曲線,得到壓縮永久變形速率k。

根據阿累尼烏斯方程,橡膠老化速率k滿足:

(3-1)

式中:K(T)-反應速率的常數;A-指數因數;E-活化能;R-摩爾氣體常數;T-熱力學溫度。

用Fa表示橡膠件的退化表征量,則在多個水平應力Ti下,橡膠件在在不同的反應時間ti時,以不同的反應速率Ki,達到相同的退化至Fa時:

(3-2)

對上式兩邊取ln可得:

(3-3)

由此可以得出lnt與溫度倒數1/T之間的關系,求得表觀活化能E,此時得到不同溫度下的橡膠圈壓縮永久變形速率的表達式,外推出橡膠件常溫下的壓縮永久變形速率,選用線性函數c=kT+c0,確定橡膠件壓縮永久變形率的失效閾值,從而預測出常溫下連接器密封用橡膠件的使用壽命。

3.1 試驗方案

在本部分內容中,將對密封用橡膠件的加速壽命試驗做出總體的試驗方案,內容包括試驗類別、試驗條件、試樣數量、測試參數、試驗結果和目的幾個部分,并對其中不同的試驗類別下橡膠件的壓縮量進行計算,該計算應當符合中國船舶工業總公司于1995年發布的標準CB 1236-95中的相關規定。表1是具體的試驗方案。

表1 試驗方案

實際壓縮量計算:計算結果為O形圈壓縮量為0.6mm,壓縮后高度為2.05mm。

最大壓縮量計算:根據CB1236-95中相關規定,最大壓縮率Kmax≤26.3%,計算O形圈徑向最大壓縮量為0.7mm,所以壓縮后高度為1.95mm。

最小壓縮量計算:根據CB1236-95中相關規定,最小壓縮率Kmin≥14.2%,計算O形圈徑向最小壓縮量為0.38mm,所以壓縮后高度為2.27mm。

3.2 夾具設計

在加速壽命試驗進行前,根據橡膠件實際使用情況,設計橡膠件夾具,夾具材料采用316不銹鋼,防止在試驗過程中夾具生銹給試驗帶來不確定因素,夾具裝配圖及實物圖如圖1和2所示。

圖1 夾具裝配圖

圖2 夾具實物

3.3 試驗數據分析

每個應力水平下的橡膠件試樣共八個,處理數據時,首先對每個應力水平下的返回數據進行篩選:算出該組數據的算數平均值后與八個數據依次進行對比,確保每個應力水平下的返回數據與該組數據的平均值的差值不超過10%。之后將該組數據的算數平均值,再計算出壓縮永久變形量。

試驗時間為320天,橡膠件在實際壓縮量、最大壓縮量和最小壓縮量時,不同溫度下的壓縮永久變形率隨老化時間變化的曲線如圖3、4、5所示。

圖3 實際壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化的曲線

圖4 最大壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化的曲線

圖5 最小壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化的曲線

采用動力學直線化法對圖3、4、5中不同溫度下的加速老化試驗數據進行線性擬合,擬合結果如圖6、7、8所示。

圖6 實際壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化擬合曲線

圖7 最大壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化擬合曲線

圖8 最小壓縮量時壓縮永久變形率隨老化時間變化擬合曲線

通過擬合后的曲線反推零時刻情況,發現所有曲線都沒有過(0,0)的點,并且c0都要大于0。這表明橡膠在短時間(2.6d)內,橡膠樣品的高溫加速老化的機制與長時間內(>2.6d)的不同,從長時間壓縮老化得到的參數不適用于極短時間內的情況,絕大多數情況下,初始時壓縮永久變形的速率是要大于長時間后壓縮永久變形的速率。

在線性擬合條件下,壓縮永久變形量C隨老化時間t的增長而線性上升,加速應力越大(即加速老化試驗溫度越高),壓縮永久變形速率k越大。

由圖6、7、8擬合可得到溫度T與壓縮永久變形速率k之間的關系曲線,如圖9、10、11所示。圖9、10、11中可見Lnk與1/T呈現良好的線性關系,拓展可得到常溫下的壓縮永久變形量的變化速率k,進而估算獲得常溫下達到壓縮永久變形量閾值所需時間t。同時,由圖9、10、11可得到活化能E實際壓縮量=46.6J/mol、E最大壓縮量=44.4J/mol、E最小壓縮量=39.2kJ/mol,根據阿倫尼烏斯公式可知,活化能E越小,退化速率越大,預測的使用壽命越短。

圖9 實際壓縮量時lnk與1/T的關系

圖10 最大壓縮量時lnk與1/T的關系

圖11 最小壓縮量時lnk與1/T的關系

由圖9可以看出,Lnk與1/T呈極好的線性關系,根據該曲線可以計算出25℃情況下的k,在根據式3-2可以估測常溫下橡膠件退化至失效閾值所需要的時間。

圖9中得到的曲線表達式為:

Lnk=-5409×1/T+11.53

(4-1)

在應力水平25℃時,求橡膠件壓縮永久變形速率:

T25=25+273.15=308.15

(4-2)

帶入式4-1中,得到k25=0.0024,k25即為橡膠件在25℃時的壓縮永久變形速率。

將式4-2簡化為線性函數:

C=kT+C0

(4-3)

當C1=C2,并假設C0=0時:

C1=k1T1=C2=k2T2

(4-4)

則在溫度為25℃、橡膠件退化至失效閾值(C=80%)時,

C25=k25T25+C0

(4-5)

80=0.0024T25

(4-6)

可以得到T25=33333d=91.3年,則根據動力學直線化法,實際壓縮量橡膠件的預測壽命為91.3年。

同理可得,最大壓縮量和最小壓縮量橡膠件退化至失效閾值(C=80%)時,最大壓縮量橡膠件的預測壽命為86.3年、最小壓縮量橡膠件的預測壽命為46.3年。

4 結論

(1)橡膠件加速老化試驗均遵循溫度越高老化速率越快的規律。

(2)建立了連接器密封用橡膠件使用壽命的預測模型,計算出表觀活化能E實際壓縮量=46.6J/mol、E最大壓縮量=44.4J/mol、E最小壓縮量=39.2kJ/mol,在使用溫度為25℃以及壓縮永久變形率的失效閾值為80%時,實際壓縮量橡膠件的預測壽命為91.3年、最大壓縮量橡膠件的預測壽命為86.3年、最小壓縮量橡膠件的預測壽命為46.3年。

(3)過大壓縮量會導致O形橡膠圈使用壽命降低,主要原因為承受應力越大老化速率越快。過小壓縮量也會導致O形橡膠圈使用壽命降低,主要原因為相同失效閾值所對應的壓縮永久變形量允許范圍變小。因此,壓縮的大小要設計合理。