綜合加速壽命試驗與仿真的密封圈性能退化規律研究
2019-11-18 05:44:54邊智陳允崔博源孟理華
中國測試 2019年9期
邊智 陳允 崔博源 孟理華
摘要：傳統的密封圈壽命評估多采用加速壽命試驗完成，由于評估用的失效判據（壓縮永久變形）與實際密封性能難以關聯，導致評估的壽命偏保守。因此，該文提出基于回歸分析的統計建模方法，運用仿真與實驗綜合分析密封圈的性能退化規律。首先，應用加速壽命試驗得到不同使用狀態的密封圈，并測試得到其性能參數。然后，通過仿真分析的方法得到各密封圈的接觸應力。最后，應用統計分析的方法實現其整體退化規律的建模。該模型可以準確分析密封圈的退化規律，并依據密封圈失效準則，實現其壽命預測。
關鍵詞：材料失效與保護;老化壽命評估;加速壽命試驗;O型密封圈
中圖分類號：TH16;TH136 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）09-0138-05
收稿日期：2018-06-05;收到修改稿日期：2018-07-26
作者簡介：邊智（1986-），男，內蒙古呼和浩特市人，副高級工程師，碩士，研究方向為機械產品壽命預測及耐久性評估。
0 引言
隨著我國經濟、技術的不斷發展，輸電線路規模也越來越大，供電系統也愈加重要，供電的安全、穩定性逐漸成為關注的焦點。密封圈作為輸電系統中的重要元件之一，對設備的絕緣性能影響較大。在長期運行過程中密封圈會發生老化，進而出現絕緣失效，由此導致的電力系統事故時有發生，引發較嚴重的后果[1]。現階段國內外學者在密封圈老化壽命的研究中，多采用加速壽命試驗價3]的技術。按照密封圈性能變化與老化時間關系式[4-5]和Arrhenius模型[6-7]，設計在不同溫度、不同介質下的加速老化試驗[8-9]，推算密封圈在各種溫度下的使用壽命。該方法存在評估周期長、成本高，評估精度受限于試驗樣本量大小的問題。并且失效判據采用的是密封圈的物理尺寸，即壓縮永久變形，而工程上考核密封性能的指標為介質的泄露率，該方法難建立兩者之間的對應關系，影響評估結果的準確性。
針對上述存在的問題，本文提出仿真建模和加速壽命試驗相結合的方法實現密封圈退化規律的研究。以密封圈與工作面間接觸應力為判斷標準，可以直接反映密封性能，實現快速、準確并且全面的密封圈壽命評估。首先以環境參數、介質壓力、實際密封圈產品的力學性能等為輸入，建立密封圈的三維仿真模型。其次通過加速壽命試驗得到模擬不同老化狀態的密封圈，應用拉伸試驗得到其應力一應變曲線，輸入仿真模型，計算得到多組接觸應力。通過對多組接觸應力進行回歸分析，最終得到密封圈的退化規律，以密封介質的壓力為判據，實現密封圈壽命的評估。
1 密封圈的密封原理
密封圈主要依靠橡膠材料變形后的回彈力來實現密封，0型圈是其中的典型代表。在裝配完成后，由于受到密封結構截面形狀的限制，產生彈性形變，在密封接觸面上形成預壓縮力，即接觸應力尸。在加載介質壓力時，0型圈繼續發生彈性形變，將會產生更大的接觸應力Pm。當接觸應力大于密封介質的壓強時，即Pm>P時，則不發生泄露。反之，則密封失效[10]。
2 密封圈的有限元模型
密封圈與安裝槽組成軸對稱結構[11]，在理想情況下，密封圈沿軸線方向的載荷也是軸對稱的，因此計算模型采用平面軸對稱模型，對密封圈的研究由三維簡化為二維問題。在密封試驗裝置的有限元模型中，由于橡膠材料的超彈性、大變形、各向同性等特點[12]，存在著材料非線性、幾何非線性、邊界條件非線性等約束，因此本文選擇專業求解非線性分析的ABAQUS軟件完成密封圈有限元分析建模。
2.1 基本假設
由于邊界條件較多，因而做出以下假設：
1）橡膠材料各向同性、均勻連續且完全彈性;
2）忽略因熱輻射而導致的熱損失;
3）忽略橡膠材料的蠕變特性和應力松弛特性;
4）密封結構的剛度是橡膠的幾萬倍，可以忽略其變形，作為剛體處理。
2.2 邊界條件設置
為了模擬密封圈試驗件實際工作狀態，將殼體底面固定，并對法蘭施加垂直向下的位移載荷，直至法蘭面與殼體表面壓緊[13]。
2.3 載荷施加
在密封圈試驗件的有限元模型中，約束殼體后，在法蘭上端面施加位移載荷2.2mm，使得法蘭壓緊橡膠圈，并為各螺栓設置110N·m的擰緊力矩。模型中全部接觸面之間設置摩擦接觸，摩擦系數為0.2。設置的工裝環境載荷見表1。
在ABAQUS中，依據密封圈的幾何尺寸及邊界條件建立的二維有限元分析模型[14]，見圖1。
密封槽材料為鋁合金，其密度為2700kg/m3、泊松比為0.3、彈性模量為70GPa，橡膠O型密封圈本構關系選用Mooney-Rivlin模型，其函數表達式為
W=C1（I1-3）+C2（I2-3）（1）
式中：W——應變能密度，N;
C1、C2——材料Mooney-Rivlin系數;
I1、I2——第一、二Green應變不變量。
3 不同使用狀態下的密封圈老化模擬試驗
通過提高試驗溫度實現密封圈的加速壽命，從而得到不同使用狀態下的密封圈，并通過拉伸性能試驗得到其力學性能數據，應用如圖2所示密封圈有限元分析流程[4]完成其接觸應力分析。
3.1 模擬不同使用狀態的密封圈加速壽命試驗
本試驗旨在通過加速壽命試驗[7]得到不同使用狀態的密封圈力學性能數據。選取壓縮永久變形作為表征密封圈不同使用狀態的指標，考慮退化規律精度的要求，要求試驗得到不同壓縮永久變形（以下均簡稱為壓變）為0%、10%、20%、30%、40%、50%的密封圈。試驗選用老化箱為銀河WG4502BT精密老化試驗箱，試驗工裝及測試設備見圖3。
按照GB/T 20028-2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》中的要求及工程用環境條件確定的試驗剖面見表2。
經過45d的加速壽命試驗后，得到6種不同使用狀態的密封圈，見表3。
3.2 不同使用狀態的密封圈力學性能測試結果
應用拉伸機分別對不同使用狀態的密封圈進行拉伸試驗，可得到多組力學性能數據，每組分別選取一個樣本繪制成力一拉伸長度曲線，見圖4。
4 有限元計算結果及分析
施加邊界、載荷及材料參數[14]后，得到如圖5～圖8所示應力分布結果，從中可以得出，密封圈產生了較大的變形，并且密封槽的T形槽與密封圈接觸部位[15]產生應力集中。
開展不同使用狀態密封圈的有限元分析[16]，通過調整仿真參數，實現結果的收斂，得到不同狀態密封圈使用中的最大接觸應力，見表4。
5 基于統計分析實現密封圈退化規律建模
影響密封圈與法蘭接觸面間的最大接觸應力，即波形邊處最大接觸應力[17]的因素有很多，如密封圈的截面尺寸、橡膠材料及材料硬度選擇、密封圈的類型及結構、摩擦因素等。研究表明，接觸應力的大小與上述因素存在以下對應關系：
F=Aεb1Wb2Db3Hb4（2）
式中：F——密封圈所受接觸應力，N;
A、b1、b2、b3、b4——常數：
ε——壓縮率;
W——密封圈的截面直徑，mm;
D——密封圈的內徑，mm;
H——邵氏硬度。
通過對兩邊取對數，可以將式（2）轉化為線性方程，即：
y=lnA+b1x1+b2x2+b3x3+b4x4（3）
由于密封圈在成形時影響因素較多，導致其成品硬度分散性、隨機性較強，總體服從正態分布，因此按照上述關系可看出密封圈接觸應力的隨機分布也服從正態分布。
對于橡膠的老化性能來說，可以用下面的經驗公式表達：
f（p）=Bexp（-ktα）（4）
式中：f（P）——對于壓縮永久變形y，f（P）=1-y，對于
其他性能，f（P）=P/P0;
α、B——與溫度T無關的常數;
k——與溫度T有關的常數。
由式（4）可知，當截面直徑和密封圈內徑保持不變的情況下，隨著密封圈老化程度的增加，其彈性降低、永久變形增大導致壓縮率降低，其接觸面所受到的接觸應力呈現冪指數關系遞減。
由此可知，隨著密封圈老化程度增加，在局部范圍內密封截面接觸應力呈正態分布（μ為分布的位置參數，6為分布的尺度參數），整體呈指數分布，具體見圖9。
上述不同壓縮永久變形對應的接觸應力分布擬合標準差見表5。
分別求取各個分布的平均值，并對平均值和相應的試驗時間進行回歸分析[18]，得到使用時間與接觸應力的變化曲線見圖10。
按照最小二乘法[19]確定的接觸應力隨使用時間變化的退化模型如下：
F=1.464-0.1153lnt（5）式中F為接觸應力，t為使用時間。相關系數為0.96，擬合精度較高。
6 密封圈壽命預測
由于工程用介質內壓力為0.6MPa，因此裝配好后的密封圈最大接觸應力≥0.6MPa時，即可滿足密封要求。
按照5小節得到的模型計算可得密封圈在140℃下的使用時間為3670.8h。將密封圈加速壽命試驗繼續進行至理論分析壽命（3670.8h）時，并將裝配好的密封圈進行氦檢漏，泄露率滿足指標要求。由此可知，該密封圈退化模型可以用于壽命預測，且精度較高。
7 結束語
本文通過仿真建模結合加速壽命試驗的方法，建立密封圈與工作面間接觸應力隨老化時間的退化規律，可得出以下結論：
1）密封圈裝配后的接觸應力受尺寸參數、材料參數及壓縮率等的影響分散性較大。由于上述參數均為隨機參數，呈正態分布，因此密封圈在使用狀態一定時，不同樣本的接觸應力統計呈正態分布。
2）在溫度不變的情況下，密封圈性能隨使用時間呈指數關系變化。
3）采用應用仿真和試驗相結合的方法，并基于統計分析的方法完成密封圈退化規律的建模。該模型可以準確完成密封圈使用壽命的預計，并且提高密封圈壽命評估的效率及降低成本。
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（編輯：莫婕）
