丁腈橡胶O形圈静密封结构的寿命预测

张 跃

（庆安集团有限公司，陕西 西安 710077）

在航空液压系统中，密封是一个很关键的因素，很多失效问题都是由于密封不严出现泄漏而造成。在密封装置中起密封作用的零部件称为密封件，密封件的材料需要有较高的压变性，压变性越高，对密封间隙的堵闭越紧，密封结构的密封性越可靠。在压力的作用下，密封材料不能从间隙中被挤出，更不能因机械作用而破坏，此外，还需能“跟踪”间隙可能发生的偶然和规律性变化而自行补偿。因此，密封件的材料除了应具有压变性外，还应具备很高的力学强度以及优异的恢复变形能力，即高弹性[1]。硫化橡胶就是一种高弹性材料，能在外力作用下发生很大的可逆变形，高弹性使橡胶材料成为密封件的主要材料。橡胶密封件的寿命与密封装置寿命密切相关，研究橡胶密封件的寿命和寿命预测方法对确定密封装置的使用寿命非常重要[2-3]。

对静密封结构下橡胶材料的寿命进行计算可采用压缩永久变形法。该方法是以橡胶材料压缩永久变形作为性能检测项目，以基于压缩永久变形的老化失效模型为性能退化模型，来衡量静密封结构的寿命。压缩永久变形法操作简单，对设备要求不高，因此在工程中应用较为广泛，但这是一种经验方法，主要通过测量压缩永久变形来预测寿命，由于测量误差的存在，可能对寿命预测结果带来一定的影响。

本工作选择一种密封用的丁腈橡胶材料（牌号试5171），以O形圈静密封结构为例，采用压缩永久变形法在空气和液压油中进行材料性能退化试验，并计算材料在不同环境中的寿命，以达到预测密封结构寿命的目的。

1 实验

1.1 方法原理

O形圈静密封结构失效判断采用最大接触压力准则，即使用中密封接触面压力逐渐减小，当其小于工作介质压力时则发生泄漏。密封接触面接触压力减小的主要原因是O形圈橡胶材料老化导致压缩永久变形增大，从而使弹性减小，因此可确定密封性能失效参数为橡胶材料压缩永久变形。对于不同的O形圈橡胶材料，一般可根据使用情况和橡胶材料本身的使用温度范围，以阿伦尼乌斯方程为加速模型开展加速试验设计[4]。根据试验温度条件，加速试验可以选择合适的试验样本量、试验时间以及性能检测项目，得到不同温度水平下的性能退化曲线。通过性能退化曲线可以得到压缩永久变形变化率与温度的对应数据，再采用极大似然估计方法，计算得到任一温度水平下的压缩永久变形退化模型，进而得到正常工作条件（20 ℃）下橡胶材料的压缩永久变形退化模型：

式中，C为压缩永久变形，R20为20 ℃下橡胶材料单位时间内的压缩永久变形变化率，t为时间。

在理想状态下，橡胶材料O形圈初始压缩永久变形近似为零。根据使用经验或设计要求，确定橡胶材料压缩永久变形的失效阈值，代入式（1）即可计算出该材料O形圈静密封结构在20 ℃下的使用寿命。

1.2 试验方案

密封胶料试验共分为预测试和性能退化试验两部分。预测试的目的是测定材料试验数据的分散性，同时分析不同温度下材料的性能退化规律，为后续数据处理奠定基础；性能退化试验的目的是获得材料力学性能随时间退化的模型，进而表征性能退化对故障行为的影响。

根据GB/T 1683—2018《硫化橡胶 恒定形变压缩永久变形的测定方法》，采用Φ10 mm×10 mm橡胶圆柱体标准试样，在恒定压缩率（20%）下，测试压缩永久变形。

（1）预测试。根据试5171丁腈橡胶材料常用温度范围，制定预测试条件：温度 70，90，110 ℃；时间 1 d；试验环境 空气、15#航空液压油（简称油液）。

（2）性能退化试验。基于预测试条件，总时间改为28 d，每隔4 d取出不同环境、不同温度下的试样进行压缩永久变形测试。不同温度下试验时间的长短可以根据预测试结果进行调整。

2 结果与讨论

2.1 性能退化模型分析

根据70，90和110 ℃下的性能退化数据，处理得到相应的密封性能退化模型，然后根据选取的加速模型进行外推，得到正常工作条件（20 ℃）下的密封性能退化模型。

2.1.1 70，90和110 ℃下性能退化模型

在空气和油液中随时间变化的试5171丁腈橡胶材料的压缩永久变形测试结果如表1所示。

表1 在空气和油液中随时间变化的试5171丁腈橡胶材料的压缩永久变形测试结果 %

由于110 ℃下，试5171丁腈橡胶材料在空气中4 d、在油液中8 d即达到50%的试验终止阈值，因此选取预测试试验数据来辅助计算。将试验数据用最小二乘法进行线性拟合可得到试5171丁腈橡胶材料在空气和油液中不同温度下压缩永久变形随时间的变化规律。

在70，90和110 ℃空气中试5171丁腈橡胶材料压缩永久变形-时间线性拟合方程分别为式（2）—（4），相关因数分别为0.954 2，0.960 6和 1.000 0。

在70，90和110 ℃油液中试5171丁腈橡胶材料压缩永久变形-时间线性拟合方程分别为式（5）—（7），相关因数分别为0.953 4，0.978 5和 0.976 4。

2.1.2 加速模型

由于加速老化试验条件为温度，因此选用阿伦尼乌斯方程作为加速模型，即压缩永久变形变化率（R）与温度（T）的关系式为

两边取对数可得：

式中，A为指数因数，Ea为活化能，k为摩尔气体常数。

2.1.3 正常温度水平下性能退化模型

根据式（3）—（7）可得到试验温度（70，90，110 ℃换算为343.15，363.15，383.15 K）下试5171丁腈橡胶材料的压缩永久变形变化率，如表2所示。

表2 试验温度下试5171丁腈橡胶材料的压缩永久变形变化率 %

根据表2数据，采用极大似然估计方法，可以求得式（9）中的参数，得到任一温度水平下的压缩永久变形退化模型

进而得到正常工作条件（20 ℃）下试5171丁腈橡胶材料的压缩永久变形变化率，空气中为0.030 8%，油液中为0.043 4%，则20 ℃下压缩永久变形退化模型为

2.2 寿命计算

根据工程经验和行业标准，压缩永久变形的失效阈值可选70%作为寿命计算的失效阈值[5]，即C＝70%。将其代入式（12）和（13），可确定试5171丁腈橡胶材料O形圈静密封结构在20 ℃空气条件下的寿命为2 273 d，在实际工作条件（20 ℃液压油中）下的寿命为1 613 d。计算与实际使用结果相符，寿命预测准确性较高。

O形圈静密封结构在油液工作条件下的寿命不到空气条件下寿命的一半，主要是因为液压油对橡胶材料有溶胀作用，会导致橡胶材料弹性减小，压缩永久变形增大，从而加快O形圈老化，造成O形圈静密封结构较早发生失效。

3 结论

根据静密封失效机理，研究一种O形圈静密封结构的寿命预测方法—压缩永久变形法。该方法从静密封结构材料失效机理出发，有针对性地进行寿命预测试验方案设计，可节约大量时间和工作成本，提高寿命预测准确性，更为重要的是，该方法具有较强的通用性和可行性，为高可靠性长寿命产品的寿命预测提供了一个思路。