动车组橡胶密封圈剩余寿命预测与快速验证

吴超云，黄英龄，明志茂，徐立立

（广州广电计量检测股份有限公司，广州 510656）

引言

动车组截断塞门[1]用于制动阀管路中，裸露在外界，工作过程中长期处于导通状态，关闭次数不频繁，截断塞门的主要使用条件为：① 动车在运营中出现单个转向架或单节车制动不缓解（包括紧急制动）时，为了使列车能及时起动，通过操作此截断塞门可以缓解故障车转向架上的空气制动。②动车在运营中出现全列车紧急制动不缓解时，司机可通过此截断塞门切除所有车的空气制动，然后借助于救援车辆将故障列车拖离现场。③在日常检修中，检查闸瓦与轮对踏面的间隙及更换轮对闸瓦时，为保证人身安全，必须通过操作此截断塞门来切除本转向架的空气制动，以防止闸瓦误动作夹人。

气体管路中的气压在0～10 bar左右变化，工作温度在（-25～70）℃。截断塞门在使用过程中有振动冲击载荷。工作环境有少许水油混合体。当前截断塞门的使用年限已达6年，按照维修手册中规定，则必须整体更换。考虑到当前截断塞门基本无故障，整体更换造成维修成本的大幅度提升，因此，有必要对截断塞门的剩余寿命进行评估，优化截断塞门维护策略。通过截断塞门的历史行驶数据分析可知，截断塞门主要出现密封失效较多[2-5]，而造成密封失效的主要原因，为橡胶密封圈的老化，本文主要针对截断塞门的橡胶密封圈进行寿命研究。对于橡胶密封圈的寿命研究，多采用加速寿命试验的方式进行验证评估，该方法要求试样和试验时间较长，相对费时费力，因此，本文在高温加速寿命试验验证的同时，也研究了一种快速寿命评价的方法，可用于快速评估橡胶密封圈的寿命，为后续截断塞门的健康状态及维护策略的提供依据。

1 橡胶密封圈寿命快速评估方法

根据截断塞门橡胶密封圈的使用条件，主要采用高温老化的方式进行寿命评估，选取其压缩永久变形率作用其特征寿命参数，同时根据橡胶制品的老化机理，探索基于热失重法的快速评估方法，与试验所得加速因子进行对比分析验证，结合实际使用的寿命数据分析，为后续快速评估的方法进行修正探索，其研究思路方法如图1所示。

图1 橡胶密封圈寿命快速评估方法图

2 橡胶密封圈加速老化寿命评估分析

2.1 加速寿命试验结果分析

为了评估当前产品的剩余寿命，取30件行驶480万公里截断塞门进行拆解，拆出其橡胶密封圈共30件。将其分成三组，每组10件分别进行400 h的热老化试验，其温度点分别为80 ℃、95 ℃和110 ℃。每隔80 h进行其压缩应力比的测试，取其平均值并换算成压缩永久变形率，结果如表1所示。

表1中可以看出，随着热老化的不断进行，橡胶密封圈的压缩永久变形率越来越大，性能呈现明显的衰减趋势，且温度越高衰减速率越快。

2.2 数据分析与寿命评估

根据GB/T 34986-2017《产品加速试验方法》，确定压缩永久变形率为寿命特征性能参数，由于主要采用了热应力作为加速应力，因此采用Arrhenius模型进行密封圈加速系数的你和估算。橡胶密封圈在热老化过程中性能变化指标P与老化时间τ的关系，一般用模型（1）描述[6-8]。

式中：

P—老化性能指标参数/%；

A—试验常数；

k—与温度有关的性能变化速度常数/d-1；

τ—老化时间/h。

将式（1）两边取对数，可得：

以初始性能衰减到80 %作为临界值来估算密封圈的使用寿命，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）中求得任一温度Ts下的寿命估算值τ。

根据表1测试结果，按照公式2进行数据转换后，进行线性拟合，其拟合图见图2所示。

表1 密封圈老化试验结果

图2中可以看出，当温度为80 ℃时，老化衰减速率相对较慢，当达到95 ℃时老化温度大大加快，继续升高温度，则老化速度则相对变缓慢。根据图中拟合公式，可以得出不同温度下的性能变化速率常数K及常数A的自然对数值LnA，如表2所示。

表2 不同温度下性能参数K与A的值

图2 密封圈老化压缩变形趋势拟合图

表3为密封圈性能退化速度常数与温度的变化数据，按照上述方程拟合计算后，可得拟合结果如表4所示。

表3 性能变化参数k与温度关系

表4 ln k与1/T的线性拟合

综合公式P=Ae-Kτ和可得在任一温度下样品的性能参数k与寿命τ的通用公式，如公式（4）所示。

根据以上公式可知，在35 ℃（298 K）时，以压缩永久变形率为80 %（即P=0.8）作为临界值来估算密封圈的剩余寿命，则其剩余寿命是10.04年。

2.3 基于热重分析的橡胶密封圈快速寿命评估验证

从公式（4）可以看出，寿命评估的关键在于E/R的数据估算，而R为玻尔兹曼常数，因此，主要的因素在于激活能E的估值。为了快速对激活能E值估算，可采用热重法中的不同升温速率进行快速评估，按照标准ASTM E1641-07，激活能计算公式如（5）所示[9]。

式中：

R—波尔常数，8.314 J/(mol*K)；

b—常数，0.457；

β—升温速率；

T—热力学温度。

通过采用2 ℃/min，6 ℃/min，10 ℃/min的升温速率进行橡胶密封圈热失重试验，得出不同的失重比下曲线，如图3所示。

图3 橡胶密封圈热失重曲线及拟合图

通过对图3的拟合可以得出，激活能E为79841 J/mol；而上一节试验验证得出激活能E=9451.8*8.314= 78582.27 J/mol，两者数据较为接近，因此可以采信热重法得出的激活能数据。热重法测试时间相对较短，可快速得到橡胶密封圈的激活能E值，从而可对橡胶密封圈进行快速的估算。

3 结论

1）截断塞门密封随着热老化的不断进行，橡胶密封圈的压缩永久变形率越来越大，性能呈现明显的衰减趋势，且温度越高衰减速率越快。

2）以20 %压缩永久变形率为老化阈值，该橡胶密封圈的寿命估值为10.04年。

3）通过热重法估算的橡胶密封圈激活能与试验所得值较为接近，验证了该方法的可行性，也为后续快速评估橡胶类密封圈产品的寿命提供参考。