CN104568603A - 橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法。步骤是：试验条件选取与试样制备，性能参数测试与曲线绘制，仿真高温加速测试与寿命预估；试验条件选取与试样制备时，确定试验条件：测试参数、试样规格、温度取值、测试次数、取样时间间隔；性能参数测试与曲线绘制时，通过系列温度永久变形测试，制作永久变形主曲线，获取加速系数；仿真高温加速测试与寿命预估时，试样置于密封结构，选择加速温度和加速系数，经高温加速试验确定高温加速失效时间，按加速系数计算预估寿命。它用永久变形主曲线确定加速系数，用实际工况的加速试验确定失效时间，本发明具有操作方便、试验安全、数据准确和分析可靠的优点。

Description

橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物产品正常工作的无故障工作时间评价技术，具体地说是一种橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法。

背景技术

中国化工标准HG/T3087-2001《静密封橡胶零件贮存期快速测定方法》规范了传统密封橡胶件的寿命评估方法。它采用高温加速老化试验方法，利用“化学反应速率常数随温度变化关系”的经验公式描述材料永久变形与时间的关系。该经验公式所述方法的缺陷包括：存在应用局限性，经验参数统计分析繁琐，永久变形临界值的工程取值不严谨，以高温数据外推常温状态变化速率具有不确定性。

发明内容

本发明的目的是要提供一种橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法，它能够简单直观地进行数据处理，有效避开了材料永久变形临界值的确定，可靠避免了高温外推常温的不确定性问题。

本发明的技术方案是：

设计一种橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法，包括下列步骤：试验条件选取与试样制备，性能参数测试与曲线绘制，仿真高温加速测试与寿命预估；在试验条件选取与试样制备阶段，参照标准选取试验条件，包括：测试参数、试样规格、温度取值、测试次数、取样时间间隔；在性能参数测试与曲线绘制阶段，通过参考温度和系列加速温度的永久变形测试，采用曲线平移法制作永久变形主曲线，获取加速系数；在仿真高温加速测试与寿命预估阶段，将试样置于密封结构中，选择加速温度，确定加速系数，进行高温加速试验，通过定期取样和失效检测，确定高温加速失效时间，参照加速系数，根据公式计算预估寿命。

在试验条件选取与试样制备阶段，参照标准，确定材料变形测试压缩率和试样规格；根据产品常温贮存温度要求确定参考温度，在参考温度之上，按一定的温度间隔取值，确定加速温度；加速温度不少于4个，各温度下取样测试次数不少于4次，取样时间为对数等间隔；试样规格为φ10mm×10mm圆柱体。

在性能参数测试与曲线绘制阶段，按照确定的试验条件，进行参考温度和系列加速温度试样压缩永久变形测试；得到各温度下永久变形-时间双对数曲线，以参考温度下永久变形-时间双对数曲线为基准，进行曲线平移，得到永久变形-折合时间双对数曲线，即永久变形主曲线；记录系列加速温度下永久变形-时间双对数曲线的平移距离，得到距离与加速温度关系曲线，据此计算得到加速温度相对于参考温度的加速系数。

在仿真高温加速测试与寿命预估阶段，将试样置于密封结构中，根据试验工况，从永久变形测试加速温度中选择合适的加速试验温度，确定相应加速系数，对密封结构进行高温加速老化；定期取出密封结构，冷却至参考温度，按照技术要求进行失效检测，确定是否失效；如果检测到失效，则以失效前的一个取样时间为高温加速失效时间，并以此作为试样高温加速贮存寿命，参照加速系数，根据公式计算预估寿命。

本发明的有益技术效果是：由于在试验条件选取与试样制备阶段，参照标准选取的试验条件包括测试参数、试样规格、温度取值、测试次数、取样时间间隔，因而试验目标明确、方法科学。同时由于在性能参数测试与曲线绘制阶段，进行包含常温贮存条件的系列温度参数检测、通过曲线绘制与曲线处理，获取加速系数，因而避免了外推常温状态的不确定性。另外由于在仿真高温加速测试与寿命预估阶段，在产品实际装配状态下进行试验，按照产品技术要求判定是否失效，而不需要通过材料永久变形临界值来判定失效，避免了确定临界值的人为因素，评估结果更加严谨可靠。本发明还具有操作方便、试验安全、数据准确和分析可靠的优点。

附图说明

图1是不同温度下测定的永久变形c与取样时间t的变形与时间双对数曲线图。

图2是密封圈材料高温老化永久形变与时间关系的永久变形主曲线图。

图1中，横坐标为高温老化时间的自然对数，时间单位为天；纵坐标为永久变形的自然对数，永久变形取百分数。

图2中，横坐标为常温折合时间的自然对数，时间单位为天；纵坐标为永久变形的自然对数，永久变形取百分数。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

燃气装置日常贮存温度20℃，技术指标要求在0.40MPa、10min内下不发生泄漏。该装置连接部位由O型密封圈密封，密封圈由硅橡胶材料制成。通过试验预估该密封圈在装配状态下的使用寿命。

步骤一，试验条件选取与试样制备。

参照标准选取试验条件，包括：测试参数、试样规格、温度取值、测试次数、取样时间间隔。操作过程是：参照标准，确定材料变形测试压缩率和试样规格；根据产品常温贮存温度要求确定参考温度，在参考温度之上，按一定的温度间隔取值，确定加速温度；加速温度不少于4个，各温度下取样测试次数不少于4次，取样时间为对数等间隔；试样规格为φ10mm×10mm圆柱体。

参照中国标准GB-T7759-1996《硫化橡胶、热塑性橡胶常温、高温和低温下压缩永久变形测定》，以及评估试样的日常贮存温度，确定变形测试压缩率为25%，参考温度20℃，压缩永久变形测试加速温度为175℃、150℃、125℃、100℃、80℃、60℃、40℃和20℃，试样规格为φ10mm×10mm圆柱体，每个温度安排5个子样。

步骤二，性能参数测试与曲线绘制。

在性能参数测试与曲线绘制阶段，通过参考温度和系列加速温度的永久变形测试，采用曲线平移法制作永久变形主曲线，获取加速系数。操作过程是：按照确定的试验条件，进行参考温度和系列加速温度试样压缩永久变形测试；得到各温度下永久变形-时间双对数曲线，以参考温度为基准，进行曲线平移，得到永久变形-折合时间双对数曲线，即永久变形主曲线；记录系列加速温度下永久变形-时间双对数曲线的平移距离，得到距离与加速温度关系曲线，据此计算得到加速温度相对于参考温度的加速系数。

按照中国标准GB-T7759-1996《硫化橡胶、热塑性橡胶常温、高温和低温下压缩永久变形测定》，将试样装在压缩永久变形工装，分别放入预先设定温度的试验箱进行试验，按照对数时间间隔取样，在参考温度下测出试样每次取出恢复后高度ht，根据下式求得永久变形c：

$\frac{h_0-h_t}{h_0-h_l}\×100\%$

式中h₀为试样初始高度，h_l为限制器高度，即试样处于压缩状态的高度。

以5个子样的平均值作为该温度下、该取样点的永久变形值。测试数据见表1。将不同温度下测定c与t的关系绘制成变形与时间双对数曲线如图1。以20℃为参考温度T_s，通过平移，将各温度下c-t的双对数曲线连接成一条平滑的永久变形主曲线如图2。各温度曲线的平移距离lna_T见表2。根据lna_T求得各加速试验温度T相对于T_s的加速系数也列于表2。

表1密封圈胶片高温加速老化取样时间安排（d）

表2各加速温度lncvslnt曲线的平移因子ln(aT)

步骤三，仿真高温加速测试与寿命预估。

将试样置于密封结构中，选择加速温度，确定加速系数，进行高温加速试验，通过定期取样进行失效检测，确定高温加速失效时间，参照加速系数，根据公式计算预估寿命。操作过程是：将试样置于密封结构中，根据试验工况选择加速试验温度，确定相应加速系数，对密封结构进行高温加速老化；定期取出密封结构，冷却至参考温度，按照技术要求进行失效检测，确定是否失效；如果检测到失效，则以失效前的一个取样时间为高温加速失效时间，并以此作为试样高温加速贮存寿命，参照加速系数，根据公式计算预估寿命。

选择100℃作为试样的加速试验温度，按照试样实际的装配状态，将试样装入密封结构，放入100℃的试验箱进行加速试验。定期取样，冷却到20℃后，按照产品技术要求，进行气密性检验，在密封结构内充压0.40MPa，以肥皂水涂抹接缝，10min内发生泄漏判为失效。试验结果见表3，表3中，符号“√”表示合格，加速老化时间扣除了取样检测时间。

表3密封结构100℃加速老化试验结果

由表3可见，6个参试的平行子样在56天内均未失效，63天开始陆续出现失效，可以做出简单的判断，即100℃下密封件使用寿命大于56天。根据表2中100℃的加速系数按照下式求得密封件在T_s下的预估寿命τ：

$\mathrm{\τ}=\frac{{\mathrm{\τ}}_a}{a_{T_a}}=56*93.7=5247\left(d\right)\≈14.3\left(a\right)$

即该密封件20℃环境下使用寿命大于14年。

还可以根据试样的失效时间分布，按照通行的方法进行统计分析，给出一定可靠度下的使用寿命。

Claims (4)

1.一种橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法，包括下列步骤：试验条件选取与试样制备，性能参数测试与曲线绘制，仿真高温加速测试与寿命预估，其特征在于：在试验条件选取与试样制备阶段，参照标准选取试验条件，包括：测试参数、试样规格、温度取值、测试次数、取样时间间隔；在性能参数测试与曲线绘制阶段，通过参考温度和系列加速温度的永久变形测试，采用曲线平移法制作永久变形主曲线，获取加速系数；在仿真高温加速测试与寿命预估阶段，将试样置于密封结构中，选择加速温度，确定加速系数，进行高温加速试验，通过定期取样和失效检测，确定高温加速失效时间，参照加速系数，根据公式计算预估寿命。

2.根据权利要求1所述的橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法，其特征是：在试验条件选取与试样制备阶段，参照标准，确定材料变形测试压缩率和试样规格；根据产品常温贮存温度要求确定参考温度，在参考温度之上，按一定的温度间隔取值，确定加速温度；加速温度不少于4个，各温度下取样测试次数不少于4次，取样时间为对数等间隔；试样规格为φ10mm×10mm圆柱体。

3.根据权利要求1所述的橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法，其特征是：在性能参数测试与曲线绘制阶段，按照确定的试验条件，进行参考温度和系列加速温度试样压缩永久变形测试；得到各温度下永久变形-时间双对数曲线，以参考温度曲线为基准，进行曲线平移，得到永久变形-折合时间双对数曲线，即永久变形主曲线；记录系列加速温度下永久变形-时间双对数曲线的平移距离，得到距离与加速温度关系曲线，据此计算得到加速温度相对于参考温度的加速系数。

4.根据权利要求1所述的橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法，其特征是：在仿真高温加速测试与寿命预估阶段，将试样置于密封结构中，根据试验工况选择加速试验温度，确定相应加速系数，对密封结构进行高温加速老化；定期取出密封结构，冷却至参考温度，按照技术要求进行失效检测，确定是否失效；如果检测到失效，则以失效前的一个取样时间为高温加速失效时间，并以此作为试样高温加速贮存寿命，参照加速系数，根据公式计算预估寿命。