動車組橡膠密封圈剩余壽命預測與快速驗證

吳超云，黃英齡，明志茂，徐立立

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

引言

動車組截斷塞門[1]用于制動閥管路中，裸露在外界，工作過程中長期處于導通狀態，關閉次數不頻繁，截斷塞門的主要使用條件為：① 動車在運營中出現單個轉向架或單節車制動不緩解（包括緊急制動）時，為了使列車能及時起動，通過操作此截斷塞門可以緩解故障車轉向架上的空氣制動。②動車在運營中出現全列車緊急制動不緩解時，司機可通過此截斷塞門切除所有車的空氣制動，然后借助于救援車輛將故障列車拖離現場。③在日常檢修中，檢查閘瓦與輪對踏面的間隙及更換輪對閘瓦時，為保證人身安全，必須通過操作此截斷塞門來切除本轉向架的空氣制動，以防止閘瓦誤動作夾人。

氣體管路中的氣壓在0～10 bar左右變化，工作溫度在（-25～70）℃。截斷塞門在使用過程中有振動沖擊載荷。工作環境有少許水油混合體。當前截斷塞門的使用年限已達6年，按照維修手冊中規定，則必須整體更換。考慮到當前截斷塞門基本無故障，整體更換造成維修成本的大幅度提升，因此，有必要對截斷塞門的剩余壽命進行評估，優化截斷塞門維護策略。通過截斷塞門的歷史行駛數據分析可知，截斷塞門主要出現密封失效較多[2-5]，而造成密封失效的主要原因，為橡膠密封圈的老化，本文主要針對截斷塞門的橡膠密封圈進行壽命研究。對于橡膠密封圈的壽命研究，多采用加速壽命試驗的方式進行驗證評估，該方法要求試樣和試驗時間較長，相對費時費力，因此，本文在高溫加速壽命試驗驗證的同時，也研究了一種快速壽命評價的方法，可用于快速評估橡膠密封圈的壽命，為后續截斷塞門的健康狀態及維護策略的提供依據。

1 橡膠密封圈壽命快速評估方法

根據截斷塞門橡膠密封圈的使用條件，主要采用高溫老化的方式進行壽命評估，選取其壓縮永久變形率作用其特征壽命參數，同時根據橡膠制品的老化機理，探索基于熱失重法的快速評估方法，與試驗所得加速因子進行對比分析驗證，結合實際使用的壽命數據分析，為后續快速評估的方法進行修正探索，其研究思路方法如圖1所示。

圖1 橡膠密封圈壽命快速評估方法圖

2 橡膠密封圈加速老化壽命評估分析

2.1 加速壽命試驗結果分析

為了評估當前產品的剩余壽命，取30件行駛480萬公里截斷塞門進行拆解，拆出其橡膠密封圈共30件。將其分成三組，每組10件分別進行400 h的熱老化試驗，其溫度點分別為80 ℃、95 ℃和110 ℃。每隔80 h進行其壓縮應力比的測試，取其平均值并換算成壓縮永久變形率，結果如表1所示。

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

2.2 數據分析與壽命評估

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

式中：

P—老化性能指標參數/%；

A—試驗常數；

k—與溫度有關的性能變化速度常數/d-1；

τ—老化時間/h。

將式（1）兩邊取對數，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。

根據表1測試結果，按照公式2進行數據轉換后，進行線性擬合，其擬合圖見圖2所示。

表1 密封圈老化試驗結果

圖2中可以看出，當溫度為80 ℃時，老化衰減速率相對較慢，當達到95 ℃時老化溫度大大加快，繼續升高溫度，則老化速度則相對變緩慢。根據圖中擬合公式，可以得出不同溫度下的性能變化速率常數K及常數A的自然對數值LnA，如表2所示。

表2 不同溫度下性能參數K與A的值

圖2 密封圈老化壓縮變形趨勢擬合圖

表3為密封圈性能退化速度常數與溫度的變化數據，按照上述方程擬合計算后，可得擬合結果如表4所示。

表3 性能變化參數k與溫度關系

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k與壽命τ的通用公式，如公式（4）所示。

根據以上公式可知，在35 ℃（298 K）時，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估驗證

從公式（4）可以看出，壽命評估的關鍵在于E/R的數據估算，而R為玻爾茲曼常數，因此，主要的因素在于激活能E的估值。為了快速對激活能E值估算，可采用熱重法中的不同升溫速率進行快速評估，按照標準ASTM E1641-07，激活能計算公式如（5）所示[9]。

式中：

R—波爾常數，8.314 J/(mol*K)；

b—常數，0.457；

β—升溫速率；

T—熱力學溫度。

通過采用2 ℃/min，6 ℃/min，10 ℃/min的升溫速率進行橡膠密封圈熱失重試驗，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

通過對圖3的擬合可以得出，激活能E為79841 J/mol；而上一節試驗驗證得出激活能E=9451.8*8.314= 78582.27 J/mol，兩者數據較為接近，因此可以采信熱重法得出的激活能數據。熱重法測試時間相對較短，可快速得到橡膠密封圈的激活能E值，從而可對橡膠密封圈進行快速的估算。

3 結論

1）截斷塞門密封隨著熱老化的不斷進行，橡膠密封圈的壓縮永久變形率越來越大，性能呈現明顯的衰減趨勢，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所得值較為接近，驗證了該方法的可行性，也為后續快速評估橡膠類密封圈產品的壽命提供參考。