基于循環沖擊加速試驗的某O型橡膠密封圈壽命評估方法

王艷艷，秦朝軒，趙方超，朱浩若

武器裝備

基于循環沖擊加速試驗的某O型橡膠密封圈壽命評估方法

王艷艷，秦朝軒，趙方超，朱浩若

（西南技術工程研究所，重慶 400039）

快速準確評估溫度循環條件下某O型橡膠密封圈的貯存壽命。模擬O型橡膠密封圈真實受壓狀況，設計專用夾具，在4個應力條件下開展溫度循環沖擊加速壽命試驗，獲得密封圈退化數據，分析并獲得密封圈偽失效壽命，構建修正Coffin-Manson模型，并利用不同試驗條件下得到的偽失效壽命數據對模型進行參數估計，獲得Coffin-Manson壽命預估模型，外推常溫條件下密封圈的貯存壽命。通過試驗表明，指數模型相比對數模型與線性模型能更準確描述密封圈的退化情況，經Coffin-Manson模型評估，該O型橡膠密封圈常溫條件下的貯存壽命為6.13 a，與工程經驗數據吻合。所提出的基于循環沖擊加速試驗的O型橡膠密封圈壽命評估方法可以準確評估密封圈的貯存壽命，大大縮短試驗周期，節省壽命評估試驗時間和成本，為密封器件的壽命評估提供了參考。

密封圈；壽命評估；溫度循環；加速壽命試驗；Coffin-Manson模型；夾具

橡膠密封圈是一種常用的密封器件，由于其高分子材料的固有特點，在加工、貯存和使用過程中會發生老化現象，最終導致密封失效。對于具有“長期貯存，一次使用”的彈藥產品而言，橡膠密封圈是一個典型的薄弱環節，其貯存壽命直接影響著整彈的可靠性。因此，對橡膠圈進行準確的壽命預測對于彈藥產品的定壽評壽、關鍵部件的維修和更換具有極高的參考價值。

常用的壽命評估手段包括自然貯存試驗以及加速壽命試驗，自然貯存試驗的結果真實可靠，然而由于產品許多設計壽命較長，因此自然貯存試驗難以快速獲得產品壽命信息；而加速壽命試驗通過提高試驗應力，加速產品失效過程，大大縮短了試驗周期，因此受到學者廣泛關注。張曉軍等[1]對氟橡膠密封材料進行了熱氧加速老化試驗，外推氟橡膠密封件常溫下的貯存壽命為13.8 a。張鑫等[2]研究了航空電子裝備的加速壽命試驗方法。Kim等[3]將電流作為加速應力，提出了基于逆冪律的勵磁涌流電壽命模型，并對繼電器進行了壽命評估。周小燕等[4]研究了激光探測器貯存壽命的影響因素，并設計了加速壽命試驗對其進行評估。Kim等[5]選取電壓、振動和溫度作為加速變量，利用威布爾壽命分布和壽命–應力關系的廣義線性模型，對白熾燈進行了壽命評估。目前最為常用的壽命評估方法是通過加速壽命試驗結合阿倫尼烏斯模型來評估產品在常溫下的貯存壽命[6-10]，Dixon[11]利用阿倫尼烏斯模型外推法推算了其他溫度下材料的老化狀況。張凱等[12]利用阿倫尼烏斯模型對舊橡膠密封圈進行了貯存壽命評估。該方法在恒溫條件下可以取得不錯的效果，然而阿倫尼烏斯方程假定活化能與溫度無關，忽略了溫度對活化能的影響，造成了評估結果的偏差，然而實際產品貯存過程中常常伴隨著白天–晚上以及夏季–冬季的溫度交替變化。因此，有學者提出了溫度循環加速試驗[13]。溫度循環試驗可用于考核產品對周圍環境溫度急劇變化的適應性，是彈箭產品設計定型的鑒定試驗和批生產階段的例行試驗中不可缺少的試驗項目，溫度循環試驗在驗證和提高彈箭產品的環境適應性方面應用的頻度僅次于振動與高低溫試驗。對于溫度循環加速試驗，學者常用Coffin-Manson進行壽命評估[14-17]。趙帥帥等[18]針對溫度循環應力下加速壽命試驗數據處理困難而限制其應用的問題，采用了一種基于修正Coffin-Manson模型的加速壽命試驗設計與評估方法，運用Monte Carlo仿真實例進行分析驗證。陳克凡等[19]利用修正Coffin-Manson模型建立了混凝土溫度循環加速因子模型，并對橡膠混凝土進行了可靠壽命預估。

本文以某彈用O型橡膠密封圈為研究對象，設計溫度循環加速壽命試驗，引入修正Coffin-Manson模型作為加速模型，對橡膠圈可靠壽命進行評估，技術路線如圖1所示。首先模擬橡膠密封圈真實受壓情況，設計工裝夾具，進而設計溫度循環沖擊試驗譜，開展加速壽命試驗。獲得加速壽命條件下的退化數據后，構建適用模型，計算偽失效壽命，進而構建修正的Coffin-Manson模型，利用多元回歸求解參數，外推常溫貯存壽命。

圖1 O型橡膠密封圈壽命評估技術路線

1 試驗方案設計

1.1 試驗樣本及失效判定

試驗樣品為某O型橡膠密封圈，其材料為丁腈混煉橡膠試5171，滿足GJB 250A—1996《耐液壓油和燃油丁腈橡膠膠料規范》要求。樣品數量為20件。徑向截面原始尺寸約為2.5 mm。按驗收技術條件的規定，以壓縮永久變形率達到50%作為臨界指標。

1.2 試驗工裝設計

由于密封圈在彈中為受壓狀態，設計方以及使用方更為關注的是密封圈隨彈貯存的壽命，因此需要真實模擬密封圈在產品中的真實受壓狀況。為達到該效果，設計工裝夾具如圖2所示，壓縮后的高度（夾具限制器高度）為1.85 mm。

圖2 橡膠O型密封圈工裝夾具安裝示意圖

1.3 溫度循環加速試驗

研究表明，橡膠密封圈在貯存過程中，引起其老化的環境因素主要是溫度[20]。溫度循環加速了熱脹冷縮效應，使產品交替膨脹和收縮，在樣品中產生了應力的循環。若產品內有熱梯度，則熱應力會加劇，潛在缺陷會隨循環數的增加而被激發，易造成結構性破壞。同時，溫度循環試驗模擬自然貯存狀態下的高低溫變化。溫度沖擊和高/低溫浸透，會造成復合材料分層、表面防護涂層剝離、密封橡膠老化等現象，產品的密封、防護被破壞，貯存環境空氣中的水分子及其他腐蝕性氣體進入產品內部，導致產品性能發生退化、改變，進而發生故障。該方法較常規的加速試驗具有加速效率高、試驗時間短的特點，適合于對溫濕度變化貯存損傷敏感的彈藥部器件類，包括導引頭、控制艙橡膠密封件等。

溫度循環加速壽命試驗剖面要素有：溫變范圍、溫變率、最高溫度、溫度保持時間。加速應力下環境剖面需要在貯存環境剖面的基礎上進行加嚴，并要求保證失效機理不發生改變。加速的因素主要考慮溫變范圍、溫變率和最高溫度，溫度保持時間則主要保證產品熱透、冷透，產品內部溫度與環境溫度相差在允許范圍內。

溫度保持時間以保透為準。對體積較大的被試品，參考國軍標，最低溫度為–55 ℃，保持36～48 h；最高溫度為70 ℃，保持時間為24～36 h；對于體積較小的被試品，低溫保持4～6 h，高溫保持4～6 h。每一個循環周期為4 h：升溫時間為17 min，高溫保持時間146 min，降溫時間為17 min，低溫保持時間為1 h，溫度控制偏差為±2 ℃，本文的溫度循環沖擊加速壽命試驗剖面如圖3所示。設置4個試驗條件，詳細信息見表1，每個試驗條件下放置5個樣本。每2 d對樣本進行1次檢測，檢測其壓縮回彈高度。

圖3 橡膠密封圈溫度循環沖擊加速壽命試驗剖面

表1 橡膠密封圈溫度循環沖擊試驗應力條件

Tab.1 Stress conditions of temperature cycling impact test for rubber seal ring

2 壽命評估模型建立

計算樣品的壓縮永久變形率[21-23]作為其性能退化失效判定依據：

式中：為密封圈的壓縮永久變形率；0為密封圈樣品的原始軸向厚度值；t為在加速試驗過程中檢測得到的樣品軸向厚度值；x為夾具限制高度。

橡膠密封圈的失效行為通常表現為退化失效，常見的退化模型包括指數模型[24]、對數模型以及線性模型，分別見式（2）—（4）。

式中：0為樣本初始性能參數；()為樣本退化至時刻時的性能參數；為時間；為模型參數。

利用相關系數作為模型的擬合程度[25]檢驗：

橡膠密封圈在溫度循環試驗下采用修正的Coffin-Manson模型[26-27]：

式中：為在該溫度循環條件下到達失效閾值的失效循環次數，與壽命密切相關；為循環頻率，即單位時間內溫度循環的次數，cycle/h；Δ為溫度差，即溫度最高值與最低值之間的差值，K，max為循環溫度的最大值，K；為玻爾茲曼常數，=8.617×10–5eV/K；為激活能；、、為模型參數。

為方便計算，對式（6）兩邊取對數得到：

由修正的Coffin-Manson模型適可導出加速因子為：

其中：L、H分別為低、高應力下的失效循環數；ΔL、ΔH別為低、高應力下的溫度變化幅度；L、H分別為低、高應力下的循環頻率；mL、mH分別為低、高應力循環中的最高溫度。

其對數形式為：

當L=H時，不同應力水平保持循環頻率不變，此時加速因子為：

當ΔL=ΔH，且mL=mH時，不同應力水平下保持溫度變化范圍和最高溫不變，此時加速因子為：

當ΔL=ΔH，且L=H時，不同應力水平下保持溫度變化范圍和循環頻率不變，此時加速因子為：

3 試驗結果及分析

本文設置了4個試驗應力水平，每個應力水平下有5個試驗樣本，總試驗時間為30 d，每間隔1 d對樣品進行1次壓縮回彈高度的測試，對每個樣本進行5個點的測試，計算測試結果的平均值作為其性能參數值，得到的加速性能退化試驗數據見圖4和表2。從圖4中可以看出，隨著加速壽命試驗的進行，樣本的壓縮回彈高度均發生了一定的退化。通過計算樣本的壓縮永久變形率可以發現，在30 d內的加速老化過程中，樣本沒有發生失效，因此可以利用檢測到的退化數據計算其偽失效壽命。

對橡膠密封圈加速壽命試驗的性能數據分別采用線性退化模型、指數退化模型和對數退化模型進行回歸分析，分析結果見表3。可以看出，指數模型所計算出的相關系數最高，表明該橡膠密封圈的性能退化服從指數分布，因此可以利用指數模型計算樣本在不同試驗條件下的偽失效壽命。結合產品的失效判定依據，根據式（2）計算樣本的偽失效壽命，計算結果見表4。

表2 橡膠密封圈不同試驗條件下壓縮永久變形率均值

Tab.2 Average compression springback height of rubber seal ring under different test conditions %

圖4 不同試驗條件下密封圈樣品的性能退化曲線

表3 不同退化模型的相關系數計算結果

Tab.3 Calculation results of correlation coefficients of different degradation models

表4 不同試驗條件下的性能退化模型和偽失效壽命

Tab.4 Performance degradation model and false failure life under different test conditions

根據表4獲得的偽失效壽命數據，利用多元回歸分析對Coffin-Manson模型的參數進行估計，將參數估計結果代入模型中得到：

因此，將常溫貯存條件的相關參數代入式（14）中，計算得到正常應力條件下的貯存壽命為6.13 a，結果見表5。

表5 正常應力水平下密封圈的貯存壽命

Tab.5 Storage life of seal ring at normal stress level

根據該產品的設計壽命以及實際貯存經驗，在常溫貯存條件下，該O型橡膠密封圈的貯存壽命約為6.3 a，與本文所計算出的結果非常吻合，在工程上可以接受，表明本文提出的基于循環沖擊加速試驗的壽命評估方法是合理有效的。

對該樣品開展恒定應力加速壽命試驗，與溫度循環加速壽命試驗結果進行對比，選取323.15 K（50 ℃）與343.15 K（70 ℃）溫度應力，定期對樣品進行檢測，得到樣品的壓縮永久變形率，結果見表6。與表2的結果進行對比可以發現，在323.15 K溫度應力下，樣品加速退化30 d時，恒定應力加速壽命試驗的壓縮永久變形率退化量為17%，而溫度循環加速壽命試驗的退化量為20.62（15 min溫變速率）和25.85（5 min溫變速率）；在343.15 K溫度條件下，恒定應力加速壽命試驗的壓縮永久變形率退化量為22%，溫度循環加速壽命試驗的退化量為32%（5 min溫變速率）和25.85%（15 min溫變速率），溫度循環加速壽命試驗樣品的退化量大于恒定應力加速壽命試驗。因此，驗證了溫度循環加速壽命試驗縮短了加速壽命試驗的周期，提高了試驗效率，相比于恒定溫度加速壽命試驗，可以更快地獲得樣品薄弱環節信息。

表6 恒定應力加速壽命試驗的壓縮永久變形率

Tab.6 Compression set rate results of acceleration life test at constant stress %

4 結論

為有效評估某O型橡膠密封圈貯存壽命，本文提出一種基于循環沖擊加速試驗的壽命評估方法。為模擬密封圈真實受壓狀況，設計了試驗專用夾具。在4個溫度循環加速試驗條件下開展試驗，獲得了密封圈樣本退化失效數據，通過相關系數驗證了密封圈退化過程符合指數分布模型。結合產品設計失效閾值，估算了不同試驗條件下產品的偽失效壽命。采用最小二乘算法對Coffin-Manson模型進行參數估計，外推出常溫貯存條件下該O型橡膠密封圈的貯存壽命為6.13 a。該結果與工程經驗數據吻合，表明本文所提出的方法可以快速有效地評估O型橡膠密封圈貯存壽命，節省了壽命評估試驗時間和成本，為密封器件的壽命評估提供了參考。

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Life Evaluation Method of O-type Rubber Seal Ring Based on Cyclic Impact Acceleration Test

WANG Yan-yan, QIN Chao-xuan, ZHAO Fang-chao, ZHU Hao-ruo

(Southwest Institute of Technology and Engineering, Chongqing 400039, China)

The work aims to quickly and accurately evaluate the storage life of O-type rubber seal ring under temperature cycling condition. Special fixtures were designed to simulate the real compression condition of O-type rubber seal ring. The degradation data of seal ring were obtained by temperature cycling impact acceleration life tests under four stress conditions. The false failure life of seal ring was analyzed and obtained. The modified Coffin-Manson model was constructed and the false failure life data obtained under different test conditions were used to estimate the parameters of the model. Then, the Coffin-Manson life prediction model was obtained, and the storage life of seal ring was extrapolated under normal temperature. The test results showed that the exponential model could describe the degradation of the seal ring more accurately than the logarithmic model and the linear model. After evaluated by Coffin-Manson model, the storage life of the O-type rubber seal ring under normal temperature was 6.13 years, which was in accordance with the engineering experience data. The proposed life evaluation method of O-type rubber seal ring based on cyclic impact acceleration test can accurately evaluate the storage life of seal ring, greatly shorten the test cycle, save the time and cost of life evaluation test, and provide reference value for the life evaluation of seal devices.

seal ring; life evaluation; temperature cycle; acceleration life test; Coffin-Manson model; fixtures

TJ07

A

1672-9242(2023)01-0001-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.01.001

2021–12–10；

2021-12-10；

2022–02–21

2022-02-21

王艷艷（1980—），女，碩士，高級工程師，主要研究方向為產品環境適應性評價。

WANG Yan-yan(1980-), Female, Master, Senior engineer, Research focus: product environmental worthiness evaluation.

王艷艷, 秦朝軒, 趙方超, 等. 基于循環沖擊加速試驗的某O型橡膠密封圈壽命評估方法[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(1): 001-007.

WANG Yan-yan, QIN Chao-xuan, ZHAO Fang-chao, et al.Life Evaluation Method of O-type Rubber Seal Ring Based on Cyclic Impact Acceleration Test[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(1): 001-007.

責任編輯：劉世忠