CN103868784A - 一种基于接触应力的橡胶密封件性能退化监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于接触应力的橡胶密封件性能退化监测方法，选用橡胶密封件接触应力为橡胶密封件性能退化表征量。首先，在橡胶密封件装入的机构上设置压力传感器的安装位置；其次，将橡胶密封件和压力传感器装入机构中；然后利用压力传感器测量橡胶密封件装入机构t时间后的接触应力F(t)；最后，将F(t)与机构设计提供的密封件失效判据F进行比较，当F(t)大于F时橡胶密封件失效。在测量F(t)时，对压力传感器测量的接触应力进行温漂修正。本发明方法比利用永久压缩变形率能更直接地反应了橡胶密封件的性能退化，且通过压力传感器的布局完成对橡胶密封件接触应力的测量，测量简单且不需要进行拆卸。

Description

一种基于接触应力的橡胶密封件性能退化监测方法

技术领域

本发明属于橡胶密封件性能退化监测、失效诊断及寿命预测领域，具体涉及一种基于接触应力的橡胶密封件性能退化的监测方法。

背景技术

橡胶材料具有高弹性、优良的耐油、耐水性、耐磨性以及低压缩变形及良好的加工性能，因此在各类工程机械中得到了广泛应用。同时，橡胶作为一种高分子材料，其退化失效问题也得到了人们的广泛关注。橡胶密封件在液压系统中有着广泛的应用，在大量的伺服机构中起到密封、减振降噪和防护等作用，是伺服机构不可或缺的一部分。橡胶密封件的失效会对整个伺服机构产生巨大影响，可能导致整个机构的重大故障。因此，对橡胶密封件性能退化的监测、失效原因诊断及寿命预测的研究显得尤为重要。

橡胶密封件的失效过程往往涉及多因素效应交互作用的复杂情况，其机制成因复杂。目前，对于橡胶密封件的性能退化和寿命预测的研究以加速老化试验为主。比较常用的方法是利用标准HG/T3087—2001推荐采用经验公式，具体形式如下：

1-ε＝B·e^-Kτα

式中，K为退化速度系数；B为试验常数，随退化速度变化；τ为退化时间；α为经验常数；ε为压缩永久变形率，ε可以表示为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{H_0-H}{H_0-H_c}\×100\%$

式中，H₀为试样原始截面高度，H为试样压缩退化后的截面高度，H_c为限制器高度。

在实际工程中，如果利用这种关系对橡胶密封件的性能退化进行检测存在着较大的困难。其主要原因是由于橡胶密封件是装在伺服机构中进行工作的，想要得到橡胶密封件的截面高度，需要反复地拆装橡胶密封件来进行测量。这种测试方法不仅会引入人工测量的误差，同时前后装配的不一致也会引起橡胶密封件性能退化规律的改变。因此，采用传统方法获得的橡胶密封件的性能退化规律存在误差大甚至规律不符的问题。因此，提出一种能够对工作环境下的橡胶密封件的性能退化状况在线检测的方法，无论对理论研究还是工程实际都具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是：为橡胶密封件的性能退化监测、故障原因诊断、寿命预测提供一种实时的在线检测方法，能够实时地了解橡胶密封件性能在机构中的退化状况。

本发明提供了一种基于接触应力的橡胶密封件性能退化监测方法，包括如下步骤：

步骤1，在橡胶密封件装入的机构上设置压力传感器的安装位置；

步骤2，将橡胶密封件和压力传感器装入机构中；所述的压力传感器安装在传感器座中，将传感器座安装到机构设置的安装位置上，压力传感器的传力杆接触橡胶密封件的表面；

步骤3，利用压力传感器测量橡胶密封件装入机构t时间后的接触应力F(t)；

在测量时采用间歇式工作方式，在工作周期到来时，打开外设电源，控制器控制压力传感器采集橡胶密封件受到的接触应力，采集到的接触应力信号通过放大和模拟数字转换后，输出并保存；

设压力传感器在t时刻测量得到的橡胶密封件的接触应力为F_D(t)，对F_D(t)进行温漂修正，得到实际橡胶密封件的接触应力F(t)＝F_D(t)-k(T-T₀)；其中，k为温漂系数，T是当前温度，T₀是标定温度。

步骤4，通过机构设计提供的密封件失效判据F，与检查到得接触力F(t)进行比较，当F(t)<F时，判定橡胶密封件失效。

本发明方法选用橡胶密封件接触应力为橡胶密封件性能退化表征量，相对于选择橡胶密封件永久压缩变形率为表征量，优势主要有两方面：

（1）对于密封件而言，泄流是其最直观的性能表征，而接触力是表征泄流的核心特征量，因此橡胶密封件的接触力比永久压缩变形率更直接地反应了橡胶密封件的性能退化；

（2）相对于橡胶密封件的永久变形率的实际测量，接触应力更易监测，本发明通过压力传感器的布局完成对橡胶密封件接触应力的测量，而不需要进行拆卸。

附图说明

图1是硫化橡胶的分子结构示意图；

图2是橡胶退化过程中分子链的变化情况示意图；

图3是橡胶分子链退化过程示意图；(a)为将橡胶密封件在装入机构前后的初始分子链示意图；(b)为装入机构后的橡胶密封件经过t时间后的分子链示意图；

图4是本发明采用间歇式工作的示意图；

图5是本发明的橡胶密封件性能退化监测方法中所用采集系统的结构示意图；

图6是本发明实施例中采集橡胶密封件接触应力的安装机构示意图；

图7是本发明实施例检测到接触应力的曲线示意图；

图8是图7中的测试点A的接触应力局部示意图；

图9是本发明实施例中试验装置采集数据与模型仿真对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来具体说明本发明的技术方案。

橡胶的退化主要有三方面：物理因素、化学因素、生物因素。考虑到实际的工作环境，橡胶密封件的退化主要是由于机械应力的作用和热氧化的化学反应。而在这些反应的作用下，橡胶密封件性能会发生明显的退化，同时表征为橡胶密封件密封面接触应力的变化。本发明方法利用对橡胶密封件在机构中接触应力的监测完成对橡胶密封件性能退化的监测。下面具体说明如何利用橡胶密封件在退化过程中的接触应力的变化来表征橡胶密封件的退化状况。

工业中的橡胶材料则是网状结构，以硫化橡胶为例，其分子结构如图1所示。在机械应力、热氧化反应的作用下，橡胶分子主要发生两类反应：一类是旧分子链的断裂；一类是新分子链的生成。硫化橡胶分子结构主要的反应形式如图2所示。

从宏观上看，橡胶的高弹性能与弹簧的弹性有类似的性质，而其外在的弹性表现与其分子结构有很大的联系。因此，本发明将橡胶分子主链、交联分子链形象化为弹簧链，把整个橡胶密封件形象化为多条弹簧组成的机构。

如图3所示，实线代表旧分子链、虚线代表新结连的橡胶分子链。图3的(a)中，为将橡胶密封件装入机构后初始的分子链示意图，H₀为橡胶密封件原始截面高度，H₁为橡胶密封件在装入机构后初始的截面高度，刚装入机构的橡胶密封件受到的接触应力为F(0)。图3的(b)中，为装入机构后的橡胶密封件经过t时间后的分子链示意图，此时，橡胶密封件的截面高度为H(t)，F(t)表示橡胶密封件在装入机构经过t时间后受到的接触应力。

对橡胶密封件的弹性模量K(t)的变化状况进行建模。由橡胶弹性分子理论可以知道，在橡胶密封件退化过程中，与橡胶弹性的有关的分子链既有断裂又有交联，本发明中提出橡胶分子链的断裂速度V_d(t)和分子链的交联速度V_a(t)两个物理量，通过这两个物理量可以得到橡胶密封件的弹性模量的变化公式如下：

K(t)＝K_d[N-V_d(t)t]+K_aV_a(t)t    （1）

式中，N为初始分子个数，K_d为初始分子弹性系数，K_a为交联分子弹性系数，t表示橡胶密封件装入机构的时间。

对橡胶密封件的接触应力F(t)的变化状况进行建模。在橡胶退化过程中，有旧的分子键断裂，同时还有新的分子键生成。新生成的分子键相比于旧键长度较短，因此，在橡胶密封件未从机构中取出时，新生成的分子链不存在弹力作用。得到橡胶密封件的接触应力F(t)的表达式为：

F(t)＝(H₀-H₁)[N-V_d(t)t]K_d    （2）

式中，H₀为橡胶密封件原始截面高度，H₁为橡胶密封件装入机构中的初始截面高度。

橡胶分子链的断裂速度V_d(t)和分子链的交联速度V_a(t)，均是影响橡胶密封件退化的关键因素。这两个物理量都是与贮存环境的温度、气体常数、退化材料表面活化能及退化时间有关的。

由于橡胶密封件在退化过程中分子结构的变化，当从机构中取出时，橡胶密封件的截面高度必然无法恢复到原来的状态。由橡胶密封件高度与弹性模量和接触应力的关系，可以得到如下表达式：

$H\left(t\right)=H_1+\frac{F\left(t\right)}{K\left(t\right)}---\left(3\right)$

式中，H(t)为橡胶密封件装入机构t时间退化后的截面高度，H₁为橡胶密封件在装入机构中的初始截面高度，F(t)为橡胶密封件在退化过程中的接触应力，K(t)为退化过程中橡胶密封件的弹性模量。

通过以上三个公式（1）～（3），可以很容易地推导出橡胶密封件的接触应力与橡胶密封件的截面高度之间的关系，从而得到接触应力F(t)与压缩永久变形率ε之间的关系。

由于实际橡胶密封件早期的接触力退化，是以蠕变效应为主，因此需要对F(t)进行修正，将常数项K_d修正为

因此接触应力模型为：

$F\left(t\right)=(H_0-H_1)[N-V_d\left(t\right)t](c_1+c_2{e}^{-\frac{t}{\mathrm{\&eta;}}})---\left(4\right)$

式中，c₁是橡胶稳态弹性系数，c₂是橡胶蠕变弹性系数，η是橡胶蠕变特征时间。

通过上面推导，说明了橡胶密封件在机构中的接触应力的变化可以表征其本身的性能退化情况。因此，本发明提供了一种基于接触应力的橡胶密封件性能退化监测方法，具体包括步骤1～步骤4，并通过试验对本发明方法进行验证。

步骤1，在橡胶密封件装入的机构上设置压力传感器的安装位置。如图6所示的机构，在上板上设计有若干传感器安装孔。

步骤2，将橡胶密封件和压力传感器装入机构中。压力传感器安装在传感器座中，将传感器座安装到机构设置的安装位置上，压力传感器的传力杆接触橡胶密封件的表面。

步骤3，利用压力传感器测量橡胶密封件装入机构t时间后的接触应力F(t)。

由于F(t)的变化是缓慢的，因此需要采集系统长时间工作，达到几年的工作时间。目前的采集系统大都是高功耗短时间的采集系统，并不能满足对橡胶密封件长时间监测的需求。本发明基于间歇式工作，如图4所示，以降低平均功耗。

如图5所示，本发明实施例中，当每10分钟一个的工作周期到来时，外设电源打开，控制器MSP430F449控制压力传感器采集数据一次。压力信号经过仪表放大器AD622放大后，通过MSP430F449的ADC（模拟数字转换）转化为数字量后，显示在液晶屏上，并写入SD卡中，之后控制器MSP430F449关闭外设供电并进入休眠模式，等待下一个工作周期的到来。通过所述采集方式，降低了系统的平均功耗，采用此方法的采集系统使用2000mA的锂电池能工作2个月。图中，FT232为USB转串口接口，实现控制器MSP430F449和外部设备的数据通信。

将橡胶密封件装入图6的安装机构中。图6是监测试验采用的安装机构。安装机构是由上板和下板组成，模拟了橡胶密封件在实际机构中的压缩情况。上板上有传感器安装孔用于安装传感器座，而压力传感器装在传感器座中。再由传力杆将橡胶密封面的接触力传递到传感器上，从而实现接触力的测量。再将压力传感器接入图5的采集系统中，本发明实施例在两个测试点A和B处采集数据，获取到如图7所示的数据曲线。

图7上方的1条曲线为温度曲线，下方的2条曲线为两个测试点A、B的接触应力曲线。放大图7中的局部如图8所示，下方2条曲线中，虚线为温度曲线，实线为测试点A的接触力曲线。结果表明，由于传感器存在温漂，使得接触应力的测量值随温度波动。因此需要采用如下公式修正温漂：

F(t)＝F_D(t)-k(T-T₀)    （5）

式中，F(t)为实际橡胶密封件的接触应力，F_D(t)为压力传感器测量的橡胶密封件的接触应力，k为温漂系数，T是当前温度，T₀是标定温度。

温漂的局部修正后的测试点A的接触力如图8中上方的曲线。整体修正结果如图9所示，其中下方两条波动的实线是两个测试点A、B的接触应力经过温度修正的监测曲线，明显地呈现出接触应力松弛的趋势，同时在预紧初期松弛适度较快。

步骤4，通过机构设计提供的密封件失效判据F，与检查到得接触力F(t)进行比较，当F(t)<F时判定橡胶密封件失效。

密封件失效判据F为规定的橡胶密封件在机构中受到最大接触应力值，或者根据橡胶密封件在机构中性能退化极限状态对应获取的值。

图9中波动的虚线的是温度曲线，由于是放置于自然环境下，所以温度曲线以天为周期呈现波动，其幅值为3-5℃。光滑的虚线为通过公式4理论模型得到的仿真曲线，与监测结果有很好的一致性。因此可以说明接触应力是一个可以实时表征橡胶密封件性能退化的物理量，比永久变形率精确，而且便于实时测量。可以通过监测橡胶密封件在机构中接触应力的变化状况来监测橡胶密封件的性能退化情况，因此，本发明说明的基于接触应力的橡胶密封件性能退化监测方法是一种有效的监测方法。

Claims (1)

1.一种基于接触应力的橡胶密封件性能退化监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，在橡胶密封件装入的机构上设置压力传感器的安装位置；

步骤2，将橡胶密封件和压力传感器装入机构中；所述的压力传感器安装在传感器座中，将传感器座安装到机构设置的安装位置上，压力传感器的传力杆接触橡胶密封件的表面；

步骤3，利用压力传感器测量橡胶密封件装入机构t时间后的接触应力F(t)；

在测量时采用间歇式工作方式，在工作周期到来时，打开外设电源，控制器控制压力传感器采集橡胶密封件受到的接触应力，采集到的接触应力信号通过放大和模拟数字转换后，输出并保存；

设压力传感器在t时刻测量得到的橡胶密封件的接触应力为F_D(t)，对F_D(t)进行温漂修正，得到实际橡胶密封件的接触应力F(t)＝F_D(t)-k(T-T₀)；其中，k为温漂系数，T是当前温度，T₀是标定温度；

步骤4，通过机构设计提供的密封件失效判据F，与检查得到的接触力F(t)进行比较，当F(t)<F时，判定橡胶密封件失效。

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