動車組用橡膠密封墊的壽命研究

曾憲奎，苗 清，焦淑莉，郝建國，褚福海

（青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061）

CRH2046A動車組制動系統采用大量活接管接頭以及截斷塞門，其中的橡膠密封墊由于自身分子結構特性，在貯存及使用過程中容易出現老化現象[1]，從而影響活接頭及塞門的密封，影響動車組的運行可靠性。橡膠密封墊材料、配方不同，其使用壽命不同。本工作在滿足橡膠密封墊實際工況條件下，對其配方進行研究。通過大量試驗研究，并結合數理統計方法對老化后橡膠密封墊進行壽命預測[2]，以確定不同配方橡膠密封墊的使用壽命，最終確定最佳配方，并期望通過對橡膠密封墊的壽命預測為維護和檢修規程的制定提供依據，以節約使用成本。

1 實驗

1.1 主要設備與儀器

XK-160E型全自動開煉機煉膠實驗平臺（一次加膠量為3 kg）和X（S）M-1.7L型密煉機，自行研制；MM4130C型無轉子硫化儀，北京環峰化工機械實驗廠產品；QLB-400 400 2型平板硫化機，上海第一橡膠機械廠產品；QP-16型橡膠塑料試驗切片機和GT-7017-NM型老化試驗機，中國臺灣高鐵檢測儀器有限公司產品；DQJ-660型單刀切膠機，青島亞東橡塑機械有限公司產品；TS2005b型萬能實驗機，中國臺灣優肯科技股份有限公司產品；DG1000NT+型炭黑分散儀，瑞典Optigrade公司產品。

1.2 試驗配方

配方A：丁腈橡膠N230 100，噴霧炭黑 40，氧化鋅 5，硬脂酸 1，防老劑4010 1.5，硫黃0.3，促進劑DM 1.5，促進劑TE 2.5。

配方B：采用1份防老劑4010和0.5份防老劑RD替代1.5份防老劑4010，其余同配方A。

1.3 熱空氣加速老化試驗

1.3.1 試驗條件

在60，70，80，90和100 ℃下進行熱空氣加速老化試驗[3]，分別間隔0.5，1，2，3，4，5，7，9，12，16，20，25和32 d測定試樣的老化性能參數，每個試驗點試樣數為3個。

1.3.2 試驗方法

按照GB/T 3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠 熱空氣加速老化和耐熱試驗》，將老化箱調至所需溫度，穩定后，對已編號的橡膠密封墊標準試樣依次以自由狀態懸掛在老化試驗箱中進行老化試驗，每兩個試樣之間的距離不小于5 mm，試樣與箱壁之間的距離不小于70 mm。試樣放入恒溫老化箱內，即開始計算老化時間，達到規定時間取出，并在標準室溫（23 2） ℃下停放24 h，再按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》進行性能測試。

2 試驗結果

本次試驗需要測試門尼粘度、可塑度、流動性、拉伸強度、撕裂強度等物理性能[4]。由于本文使用橡膠密封墊標準試樣老化后的拉伸強度進行壽命預測，其他物理性能參數只用于對比分析，因此文中未給出所有試驗數據。配方A和B膠料老化后的拉伸強度分別如表1和2所示。

表1 配方A膠料不同溫度下老化后的拉伸強度 MPa

表2 配方B膠料不同溫度下老化后的拉伸強度 MPa

3 老化壽命預測

國內外對橡膠老化壽命的預測主要有Dakin壽命推算法、動力學曲線直線化法（數理統計方法）和變量折合法（時溫等效算法）。這3種方法中，電氣工程領域內有關標準采用第1種方法，前蘇聯的國家標準采用第3種方法，我國橡膠行業主要采用第2種方法。本研究通過第2種方法進行不同配方下橡膠老化壽命預測。

3.1 橡膠材料老化的基本理論

在一定溫度范圍內，熱空氣加速老化與自然條件下的變質機理相同，即通過熱加速橡膠材料的交聯、降解等化學變化，宏觀上表現為橡膠材料的物理性能，如拉伸強度、拉斷伸長率、壓縮永久變形等變化。這些性能隨老化時間的延長呈一定規律變化，同時其變化速率又與溫度高低存在緊密聯系。下面用一系列公式表述各物理量之間的相互關系。

橡膠材料性能老化程度（老化性能指標）在拉伸性能試驗中表示任一時間的拉伸強度或拉斷伸長率與老化前的拉伸強度或拉斷伸長率的比值。

橡膠老化程度P隨時間τ的變化可用動力學曲線描述，其動力學公式經修正后得到二元數學公式：

式中，B為試驗常數；τ為老化時間，d；α為經驗常數，0＜α≤1。

與溫度有關的性能變化速度常數K與熱力學溫度的關系符合阿累尼烏斯方程：

式中，A為頻率因子，d-1；E為表面活化能，J mol-1；R為氣體常數，J （K mol）-1；T為熱力學溫度，K。

對式（1）兩邊求對數，可得：

定義Y=lnP，X=τα，α=lnB，b=-K，則可得：

計算得到P后可得到不同溫度下試樣的老化程度隨老化時間的變化曲線。觀察Y和X的線性相關性，式（4）中Y和X已經呈線性關系，若α=1，則Y和τ也呈線性關系；否則，根據相關性，在0＜α＜1內取值。然后根據試驗結果對公式（4）進行擬合，可以得到擬合參數b和a，再根據各溫度下a值求平均，即可得出。對式（2）兩邊求對數，得：

求出待估參數與各溫度下的速率常數，并結合橡膠材料的極限允許值，進而確定正常工作溫度下膠料的老化壽命預測模型[5]。

3.2 老化程度與老化時間的關系

根據表1和2所得熱空氣加速老化試驗數據，作配方A和B膠料老化程度與時間的關系曲線，分別如圖1和2所示。

圖1 配方A膠料老化程度與老化時間的關系曲線

圖2 配方B膠料老化程度與老化時間的關系曲線

從圖1和2可以看出：采用不同配方的橡膠老化程度明顯不同，在同一溫度、同樣老化時間下，配方A橡膠密封墊老化程度與配方B相比下降更為明顯。

4 數據處理和壽命計算

在化工行業標準HG/T 3087—2001《靜密封橡膠零件貯存期快速測定方法》壽命預測計算方法的基礎上，為找到一組合理的常數α和B，必須先給定一α或B值，逐步嘗試。經驗表明α或B是兩個距1不遠的數。本工作對α采用逐步逼近的方法求解，逼近的準則是令α精確到小數點后兩位時，使變量I的數值最小：

式中，yij為第i個老化溫度下第j個測試點特性指標的試驗值；y^ij為第i個老化溫度下第j個測試點特性指標的預測值。

通過一元線性回歸法可以計算出式（4）中的系數：

由此可以求出各個試驗溫度下的速率常數Ki＝bi和 試 驗 常 數，通 過計算式（1）中參數B的估計值。

通過Matlab軟件編程對計算過程程式化。對α的嘗試計算得出配方A的α＝0.61，配方B的α＝0.60。利用得出的α＝0.61和α＝0.60，采用線性回歸法計算得出各個溫度下的試驗常數B和速率常數K，如表3和4所示。

表3 配方A膠料各個溫度下的速率常數和試驗常數

表4 配方B膠料各個溫度下的速率常數和試驗常數

由表3和4可得：

分別作配方A膠料lnP對τ0.61和配方B膠料lnP對τ0.60的關系曲線，如圖3和4所示，同時計算出線性相關系數。由圖3和4可知，lnP與τ0.61、lnP與τ0.60的線性回歸效果顯著、試驗數據可靠。

圖3 配方A膠料lnP與τ0.61的關系曲線

圖4 配方B膠料lnP與τ0.60的關系曲線

根據表3和4中的K值，分別以lnK對T-1作圖，如圖5和6所示。

圖5 配方A膠料lnK與T -1的關系曲線

圖6 配方B膠料lnK與T -1的關系曲線

將式（5）簡化如下：

根據一元線性回歸方法，結合化工行業標準HG/T 3087—2001中的統計分析，對式（9）進行r檢驗并對W的預測區間進行估計，最終計算出配方A和B膠料的系數C和D、線性相關系數r及W的標準偏差SW，計算結果如表5所示。

表5 參數C，D，r，S及SW的計算值

從HG/T 3087—2001中查得自由度為3時，顯著性水準為0.01時的相關系數的表值為0.959，r的計算值均大于表值，因此建立的方程和回歸效果是顯著的。

按照HG/T 3087—2001中規定的有關性能的極限允許值作為臨界值y0=0.3時，可以得到常溫（25 ℃）下橡膠密封墊的老化壽命（年）為：

從上述計算結果以看出，配方B橡膠密封墊的壽命與配方A橡膠密封墊相比有顯著提高。通過改變橡膠密封墊配方來最大程度地延長CRH2046A動車組用橡膠密封墊的使用壽命，節約使用成本，具有重要的實用價值。

5 結論

（1）采用不同配方的橡膠老化程度有著明顯的不同，與1份防老劑4010和0.5份防老劑RD并用相比，在同一溫度、同一老化時間下，單獨使用1.5份防老劑4010的橡膠密封墊老化程度下降更為明顯。

（2）與單獨使用1.5份防老劑4010相比，防老劑4010與防老劑RD并用比為1/0.5時，橡膠密封墊的使用壽命提高了1.100 8年。

（3）準確預測出CRH2046A動車組用橡膠密封墊壽命，為維修人員提供依據，可節約使用成本。