轨道交通连接器常用密封圈材料寿命研究

唐兆祥，李成国，智伯雄

(1.中车四方车辆机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.中航光电华亿(沈阳)电子科技有限公司，辽宁 沈阳 110027)

随着轨道交通车辆向高速度发展，车辆运营环境复杂多变，因密封件压缩量问题、密封件老化导致的故障逐渐增多，密封失效占比已达15%，影响车辆运行安全，因此有必要通过研究失效模型等开展防护结构材料寿命研究。

1 研究背景与实施方案

1.1 研究背景

通过对轨道交通装备领域用国内外中低压连接器、网络连接器、控制连接器防护信息的梳理，结合连接器运用环境和工况的研究、检修使用可靠性要求，对防护关键要求形成如下对比(见表1)。

表1 国内外防护技术对比

通过上述对比可知，国内技术在可靠性研究方面较为薄弱，因此应建立可靠性研究模型，模拟使用工况研究提升连接器使用寿命。同时，对收集到的数据进行统计，连接器的密封结构应通过各种应用工况的合理性验证，并从老化角度考虑，验证高温、低温等环境下的性能符合性。

轨道交通密封圈是一种置于连接器内2个表面之间、限制气体或液体从一个区域通向另一个区域的零件。密封圈的寿命与其材料、高温、低温、使用环境、介质、压力大小等因素都有关系[1]。中车四方车辆机车车辆股份有限公司所用的轨道交通密封圈，一般在车辆四级维修时更换处理。密封橡胶圈的典型应用如图1所示。

图1 密封橡胶圈的典型应用

密封圈是易损易耗件，为了保证其密封效果，必须定期更换。但是在实际使用中，并未对密封圈的使用时间做出明确规定。例如，对于密封圈能使用多久、建议的检查或更换时间都没有明确的说明，这对于产品整体的维修及正常使用十分不利，无法提前采取措施以避免因密封圈失效所造成的产品整体失效。

密封圈的使用寿命可以认为是在正常使用过程中，其性能指标下降到了临界值以下的时间。因而对密封圈使用寿命的考察，也就是需要建立其性能随时间退化的模型。

1.2 实施方案

通过现车检修连接器调查发现高温老化是橡胶老化的主要因素，温度提高可以引起橡胶的热裂解或热交联。但热的基本作用还是活化作用，提高氧扩散速度和活化氧化反应，从而加速橡胶氧化反应速度。

针对此工况研究，基于时温等效的原理研究密封圈性能退化模型，同时进行潮湿和温度冲击试验辅助试验，保证橡胶材料的加速老化失效机理与长期自然使用条件下的失效机理一致[2]。常用密封橡胶圈性能退化模型研究的具体步骤如图2所示[3-4]。

图2 研究步骤

2 试验过程及结果

密封圈通常是以轴向或者径向压缩状态存在于连接器安装面板或产品结构件之间，以起到水密封或者气密封的作用。本文选取了常用的水密产品用丁腈橡胶密封圈(见图3)，并用同规格的硅橡胶密封圈及三元乙丙密封圈作对比，选取连接器中常用的径向压缩使用状态。

图3 试验用密封圈

本研究中设计了径向压缩密封圈试验夹具(见图4)，使其与正常连接器密封所用的27%压缩状态保持一致。一套夹具上安装3个密封圈，密封圈的压缩量由夹具的尺寸保证。

图4 密封圈试验夹具

2.1 试验前样品准备

根据上述国内外使用情况分析及试验工装的要求，充分考虑试验全过程及避免偶然性的因素，充分体现结论，准备如下试验件(见表2)。

表2 样品数量

2.2 液体浸泡试验

针对轨道交通密封圈常用于水密或潮湿空气的环境这个特点，可以为橡胶设置浓度为3.2%盐水浸泡的试验。浸泡过程中试样套在夹具上不受外力(见图5[5])。

图5 密封圈的盐水浸泡

盐水浸泡温度为80 ℃±2 ℃，浸泡时间为72 h。浸泡结束后进行调节和完整装夹。图6所示为装夹好的密封圈。

图6 装夹好的试样

2.3 高温加速老化试验

根据密封圈的材料属性，设置了高温加速老化的5等级温度，分别为：40±1、55±1、70±1、85±1及(105±1) ℃。对全部试样密封圈进行分组，每个温度下的试验为一组，每组7套夹具编号为1～7，对应7个测试时间点。

一组试验开始，到达第一个测试点，取出1号夹具，以此类推。7个测试点分别为：5、12、19、29、41、54及70 h。对取出的夹具及试样密封圈进行自然冷却。

2.4 温度冲击试验

完成高温加速老化试验的密封圈试样，不进行夹具拆卸，自然冷却后继续进行温度冲击试验。冲击温度为高温100 ℃，低温-30 ℃(车辆常用温度范围)。固定温度下保持时间分别为1 h，高低温转换时间≤5 min，反复冲击循环3次。

2.5 试验数据

完成全部试验以后，对试样、夹具进行拆卸，测量尺寸(线径)，记录数据。密封圈尺寸的测量采用影像测量仪。为减小误差，对一套夹具上3个密封圈的测试值取平均值，作为最终的点数据。丁腈橡胶密封圈试验数据表(部分)见表3。表3中，丁腈橡胶O型圈压缩永久变形量为0.01 mm，×表示试拉结束后试样失效或丢失，失效模式为严重变形、掉块、断裂等。

表3 丁腈橡胶密封圈试验数据表(部分)

3 密封圈性能退化模型的建立

常见的考察密封圈密封性能的指标有压缩永久变形、拉伸强度、压缩应力松弛等。结合轨道交通连接器使用状态，笔者选取压缩永久变形量作为主要考察的性能参数建立模型。

3.1 性能退化方程

密封圈压缩永久变形量随时间变化的规律符合性能退化模型[6]：

1-ε=B·e-Kτα

(1)

式中，K是老化加速系数；B是试验常数；τ是老化时间，单位为h；α是经验常数，0<α≤1；ε是密封圈压缩永久变形量，其计算式为：

(2)

式中，H0是试验件密封圈原始径向截面直径；H是试验件密封圈压缩老化后的径向截面直径；H1是试验件密封圈压缩状态时径向截面直径。

根据式1可知，要预测密封圈的性能退化情况，除了需要根据试验的实际情况测试、计算ε的值之外，还需要确定α、B及不同温度下的K值。

老化速度系数K可按照性能与老化时间的关系求得，由Arrhenius(阿累尼乌斯)模型可知，在一定范围内K与绝对温度T服从以下关系：

K=Ae-E/RT

(3)

式中，E为表面活化能，单位为J·mol-1；R为气体常数，单位为J·K-1·mol-1；T为老化绝对温度，单位为K；A为频率因子，单位为h-1。

本研究通过多组高温试验，根据试验数据采用优化设计与回归分析的方法估计出参数B、K和α，从而确定老化模型。

对式1进行对数变换：

ln(1-ε)=lnB-Kτα

(4)

式4中含有待估定参数α，可采用逐次逼近计算方法求解。逼近的准则是令α估计精确到0.01时，使估计值与试验测量值差的平方和最小，即使下式取得最小值：

(5)

经过递归计算，可以确定I值最小时α的值为α0，按照各测试点的数据，对退化模型(式1)进行最小二乘法回归计算。可以得到试验温度下的K、B值。将式3变化为：

w=C+dz

(6)

求得B、α以及K的表达式后，式1中的变量仅为ε和τ，此时即可预测某温度下密封圈的使用时间(ε达到临界变形量的时间)。

3.2 轨道交通密封圈性能退化模型

对橡胶密封圈在不同温度、不同老化时间下的压缩变形数据进行一定的变换后，应用MATLAB软件进行编程计算(由于试验中的随机因素，在数据处理过程中剔除了不合理的数据)[7-8]。

同时可以得到3种温度下的K值和B的估计值(见表4～表6)。

表4 不同温度下丁腈橡胶的K值和B的估计值

表5 不同温度下三元乙丙的K值和B的估计值

表6 不同温度下硅橡胶的K值和B的估计值

应用MATLAB软件进行α0的求解：丁腈橡胶为0.43，三元乙丙为0.288，硅橡胶为0.201。

老化速度系数K是和试验温度相关的参数，通过最小二乘法，可以确定式6中的C、d值，从而可以确定式6。

得到丁腈橡胶：C=11.491 9，d=-4.986 3。得到三元乙丙：C=8.577 1，d=-3.960 2。得到硅橡胶：C=7.186 1，d=-3.304 6。由此得到密封圈在轨道交通环境条件下，性能退化模型为：

丁腈橡胶：

1-ε=0.899 8e-KTτ0.48

(7)

三元乙丙：

1-ε=1.006 75e-KTτ0.288

(8)

硅橡胶：

1-ε=1.009 88e-KTτ0.201

(9)

3.3 轨道交通使用实际案例分析验证

现有连接器密封位置，其安装接触面粗糙度为Ra1.6 μm。丁腈橡胶失效阈值为压缩永久变形量达到60%；三元乙丙为40%；硅阀值为30%，以车辆运行环境温度30 ℃为例，预计其使用寿命：

目前轨道交通实际使用的丁腈橡胶密封圈在7年左右出现老化，以目前轨道交通实际使用年限，三元乙丙与硅橡胶密封圈还未出现老化现象。以轨道交通实际产品使用效果间接证实了寿命模型的可靠性与准确性。

4 结语

现有使用的轨道交通密封圈，通过加速老化试验建立了使用寿命预测模型，并对模型建立了验证。以通过27%压缩量下，以车辆运行环境温度30 ℃为例，丁腈橡胶使用为7.1年，三元乙丙使用为67.55年，硅橡胶使用为82.39年。而实际车辆运行环境下，密封圈的实际使用寿命也验证了寿命模型的准确性。