橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法，包括：在不同安装压缩率以及不同温度下，对橡胶试件进行加速老化试验，分别得到橡胶试件的变形率与老化时间τ的试验曲线；采用最小二乘法确定A、K和/或α；采用最小二乘法分别确定Z和ΔE/R，；计算不同安装压缩率下贮存温度为Ts时的As值、值和Ks值；代入公式中，得到不同安装压缩率下的老化时间τ。本发明专利技术通过考虑压缩率对于橡胶密封圈贮存寿命的影响规律，使得橡胶密封圈寿命预测更为准确，通过优化设计可以提高橡胶密封圈的贮存寿命，为密封圈的寿命设计提供指导。

【技术实现步骤摘要】
橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法
本专利技术涉及弹性器件的寿命试验与评估
，特别是涉及一种橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法。
技术介绍
橡胶圈密封圈是一种截面形状为圆形的橡胶圈。橡胶密封圈是液压、气动系统中使用最广泛的一种密封件。橡胶密封圈有良好的密封性能，既可用于静密封，也可用于动密封中；不仅可单独使用，而且是许多组合式密封装置中的基本组成部分。它的使用范围很宽，如果材料选择得当，可以满足各种介质和各种运动条件的要求。目前在橡胶密封的工程应用中，密封性能设计工作及寿命分析工作还不能够很好地结合、协调进行。密封圈性能设计与寿命分析工作存在两张皮的现象，具体表现在：在橡胶密封设计中，设计师只是从性能设计的角度给出了橡胶密封圈大致的压缩率范围，而没有考虑到橡胶老化对密封圈寿命的影响问题；同时，在橡胶密封圈贮存寿命评估工作中，可靠性工程师进行了大量的橡胶密封圈的老化试验，但却不能利用试验结果准确的预测密封圈的寿命。这一方面是由于各个试验选取的密封圈失效判据差别很大，直接影响了寿命评估结果；另一方面是由于在密封圈设计过程中，压缩率的选取标准差别很大，而压缩率对橡胶密封圈的寿命影响很大，故很难将某一压缩率下的试验结果应用在实际的工程情况下。橡胶密封圈的贮存寿命不仅仅取决于橡胶的老化性能，也同样取决于橡胶密封结构的设计是否可靠、合理。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提出一种橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法，以得到真实可信的且具有很高参考价值的橡胶密封圈贮存寿命。基于上述目的，本专利技术提供的橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法包括以下步骤：在不同安装压缩率以及不同温度下，对橡胶试件进行加速老化试验，分别得到不同安装压缩率以及不同温度下橡胶试件的变形率与老化时间τ的试验曲线；根据所述加速老化试验曲线，采用最小二乘法分别确定在不同安装压缩率以及不同温度下公式P＝Ae-Kτ或者中的常数A、性能变化速率常数K和/或常数α；根据得到的不同温度下的K值，采用最小二乘法分别确定在不同安装压缩率下公式K＝Ze-ΔE/RT中的Z和ΔE/R，其中Z为频率因子，ΔE为激活能，R为气体常数；计算不同安装压缩率下贮存温度为Ts时的性能变化速率常数K的平均值其中，a1＝lnZ，b1＝-ΔE/R；计算不同安装压缩率下贮存温度为Ts时的As值；计算不同安装压缩率下贮存寿命特征参数的平均值将不同安装压缩率下计算得到的α值、As值、值和Ks值分别代入公式中，得到不同安装压缩率下的老化时间τ。可选地，计算贮存温度为Ts时的性能变化速率常数的上限值其中Sγ通过以下步骤计算得到：令X1＝1/T，Y1＝lnK，a1＝lnZ，b1＝-ΔE/R，用最小二乘法求系数a1、b1和相关系数r1；计算Y1值的标准偏差其中计算贮存温度为Ts时的性能变化速率常数的上限值较佳地，将不同安装压缩率下计算得到的α值、As值、Pl值和Ks值分别代入公式中，得到不同安装压缩率下的老化时间τ；其中，所述不同安装压缩率下贮存寿命特征参数的失效临界值Pl的计算方法为V为安装压缩率，W为最小使用压缩率。可选地，所述确定常数A和性能变化速率常数K的步骤包括：根据所述加速老化试验数据，对每个老化试验温度可获得一组老化时间τ与贮存寿命特征参数P的数据；将公式P＝Ae-Kτ或进行代数变换，令X＝τ或X＝τα；Y＝lnP；a＝lnA；b＝-K，则公式P＝Ae-Kτ或用Y＝a+bX表示；用最小二乘法求系数a、b和相关系数r，其中优选地，采用逐次逼近法确定α值，逼近准则是α值精确到小数点后两位时，使I值最小，式中：Pij为第i个老化试验温度其中，Pij为第i个老化试验温度下，第j个测试点的性能变化指标试验值；Pij为第i个老化试验温度下，第j个测试点的性能变化指标预测值。优选地，采用尝试法确定α，尝试原则是不断缩小尝试区间和间隔，α精确到小数点后两位时，值最小，式中：Pij为第i个老化试验温度其中，Pij为第i个老化试验温度下，第j个测试点的性能变化指标试验值；Pij为第i个老化试验温度下，第j个测试点的性能变化指标预测值；α一般在0～1之间，第一次设α＝0.50、0.51，分别计算其I值进行比较，如果α＝0.50时I值小，则尝试区间为0～0.50，否则为0.50～1，以次类推，至α尝试到小数点后两位时I值最小的一组解，即为最终得到的α估计值。较佳地，根据所述加速老化试验数据，对每个老化试验温度可获得一组老化温度T与常数A的数据，采用以下方法计算不同安装压缩率下贮存温度为Ts时的As值：若A与老化温度T呈线性关系，按置信度95％检查A与T线性相关系数r2，若线性相关成立，则贮存温度Ts℃下有：As＝a2+b2Ts。若A与老化温度T无线性关系，每个老化试验温度点的A值接近1或其它值，则贮存温度的As＝1或As取m个老化试验温度的平均值。可选地，所述安装压缩率选自10％～30％中的至少三个。可选地，所述试验温度选自60℃～100℃中的至少三个。可选地，所述最小使用压缩率W为8～12％。可选地，所述贮存温度Ts为293.15K～303.15K。从上面所述可以看出，本专利技术提供的橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法结合了温度应力加速老化模型和机械应力加速老化模型，得到了温度-机械双应力加速老化模型，从而得到了密封圈贮藏寿命优化设计模型。因此，本专利技术通过考虑压缩率对于橡胶密封圈贮存寿命的影响规律，使得橡胶密封圈寿命预测更为准确，通过优化设计可以提高橡胶密封圈的贮存寿命，为密封圈的寿命设计提供指导。附图说明：图1为本专利技术实施例的丁腈橡胶5176S在安装压缩率为24％下的加速老化试验曲线；图2为本专利技术实施例的丁腈橡胶5176S在安装压缩率为19％下的加速老化试验曲线；图3为本专利技术实施例的丁腈橡胶5176S在安装压缩率为14％下的加速老化试验曲线。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。作为本专利技术的一个实施例，选用丁腈橡胶5176S开展变形率加速老化试验。1、对丁腈橡胶5176S进行在不同安装压缩率以及不同温度下的加速老化试验。在本实施例中，分别测试丁腈橡胶5176S在安装压缩率为24％、19％和14％，温度为75℃、85℃和95℃下的变形率h(t)/h0，数据如表1、表2和表3所示。表1丁腈橡胶5176S加速老化试验数据(安装压缩率24％)表2丁腈橡胶5176S加速老化试验数据(安装压缩率19％)表3丁腈橡胶5176S加速老化试验数据(安装压缩率14％)根据表1、表2和表3的试验数据得到的丁腈橡胶5176S密封性能在各种试验状态下随时间的变化规律，如图1、图2和图3所示。其中，h0为橡胶试件的原高度，h(t)为橡胶试件老化时间为τ时的高度。安装压缩率是一个定值，取决于橡胶试件安装后的高度hs。2、加速老化试验数据处理方法根据长期实践经验，橡胶密封件材料老化过程中，压缩变形率ε与老化时间τ的关系可用经验公式[A.1]或公式[A.2]进行描述：P＝Ae-Kτ[A.1]式中：P为贮存寿命的特征参数，即P＝1-ε＝h(t)/h0，ε是老化时间为τ时的压缩变形率，ε＝(h0-h(t))/h0，指的是老化一定时间后，橡胶的变形h0-h(t)与初始高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：在不同安装压缩率以及不同温度下，对橡胶试件进行加速老化试验，分别得到不同安装压缩率以及不同温度下橡胶试件的变形率与老化时间τ的试验曲线；根据所述加速老化试验曲线，采用最小二乘法分别确定在不同安装压缩率以及不同温度下公式P＝Ae‑Kτ或者中的常数A、性能变化速率常数K和/或常数α；根据得到的不同温度下的K值，采用最小二乘法分别确定在不同安装压缩率下公式K＝Ze‑ΔE/RT中的Z和ΔE/R，其中Z为频率因子，ΔE为激活能，R为气体常数；计算不同安装压缩率下贮存温度为Ts时的性能变化速率常数K的平均值其中，a1＝lnZ，b1＝‑ΔE/R；计算不同安装压缩率下贮存温度为Ts时的As值；计算不同安装压缩率下贮存寿命特征参数的平均值将不同安装压缩率下计算得到的α值、As值、值和Ks值分别代入公式中，得到不同安装压缩率下的老化时间τ。

【技术特征摘要】
1.一种橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：在不同安装压缩率以及不同温度下，对橡胶试件进行加速老化试验，分别得到不同安装压缩率以及不同温度下橡胶试件的变形率与老化时间τ的试验曲线；根据所述加速老化试验曲线，采用最小二乘法分别确定在不同安装压缩率以及不同温度下公式P＝Ae-Kτ或者中的常数A、性能变化速率常数K和/或常数α；根据得到的不同温度下的K值，采用最小二乘法分别确定在不同安装压缩率下公式K＝Ze-ΔE/RT中的Z和ΔE/R，其中Z为频率因子，ΔE为激活能，R为气体常数；计算不同安装压缩率下贮存温度为Ts时的性能变化速率常数K的平均值其中，a1＝lnZ，b1＝－ΔE/R；计算贮存温度为Ts时的性能变化速率常数的上限值其中Sγ通过以下步骤计算得到：令X1＝1/T，Y1＝lnK，a1＝lnZ，b1＝－ΔE/R，用最小二乘法求系数a1、b1和相关系数r1；计算Y1值的标准偏差其中计算贮存温度为Ts时的性能变化速率常数的上限值其中，计算不同安装压缩率下贮存温度为Ts时的As值；计算不同安装压缩率下贮存寿命特征参数的平均值将不同安装压缩率下计算得到的α值、As值、Pl值和Ks值分别代入公式中，得到不同安装压缩率下的老化时间τ，其中，所述不同安装压缩率下贮存寿命特征参数的失效临界值Pl的计算方法为V为安装压缩率，W为最小使用压缩率。2.根据权利要求1所述的橡胶密封圈的贮存寿命优化设计方法，其特征在于，所述确定常数A和性能变化速率常数K的步骤包括：根据所述加速老化试验数据，对每个老化试验温度可获得一组老化时间τ与贮存寿命特征参数P的数据；将公式P＝Ae-Kτ或进行代数变换，令X＝τ或X＝τα；Y＝lnP；a＝lnA；b＝－K，则公式P＝Ae-Kτ或用Y＝a+bX表示；用最小二乘法求系数a、b和相关系数r，其中3.根据权利要求2所述的橡胶密封圈的贮存寿命优...

【专利技术属性】
技术研发人员：张生鹏，
申请(专利权)人：航天科工防御技术研究试验中心，
类型：发明
国别省市：北京;11