动车组制动系统用橡胶密封垫使用寿命预测

2016-07-27曾宪奎张宗廷郝建国

橡胶工业 2016年11期

曾宪奎，刘威，吕冲，张宗廷，郝建国

（青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061）

橡胶密封垫是动车组制动系统中的关键零部件，其性能直接影响动车组制动系统的可靠性和安全性。橡胶在使用过程中会产生老化，出现变脆、变硬等现象，甚至失去弹性和密封性能[1]，因此对动车组制动系统用橡胶密封垫的使用寿命进行预测，确定其合理的保养和更换期限非常重要。

本工作根据橡胶密封垫在动车组制动系统中的工作条件，采用热空气加速老化试验方法，对橡胶密封垫的使用寿命进行预测。

1 实验

1.1 试验样品

以丁腈橡胶为主体材料自制的动车组制动系统用橡胶密封垫。

1.2 试验原理

橡胶是一种非线性材料，在热与氧的作用下，性能随时间的延长有一定的变化规律。橡胶老化程度P（老化性能指标）随老化时间（τ）的变化可用动力学曲线描述，其动力学公式经修正后得到P与τ的二元数学公式[2]：

式中B——试验常数；

K——速率常数；

α——经验常数。

K与老化温度服从阿累尼乌斯公式[3]：

式中E——表观活化能，J·mol-1；

R——气体常数，J·（K·mol）-1；

T——老化温度，K；

A——频率因子，d-1。

将公式（1）与（2）进行对数变换，使数学模型线性化，通过最小二乘法确立下式：

式中，Pij为第i个老化温度下第j个测试点性能指标的试验值；为第i个老化温度下，第j个测试点性能指标的预测值。

求出待估参数与各温度下的速率常数，进而确定正常工作温度下橡胶的老化寿命预测模型。

1.3 试验方法

首先按照GB/T 3512—2001《橡胶热空气老化试验方法》，将标准试样呈自由状态悬挂于老化试验箱内，同时开始计算老化时间，达到规定时间间隔后将试样取出，再按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》测试老化后试样的拉伸强度。

选择333，343，353，363和373 K五个温度进行热空气加速老化试验，分别间隔0.5，1，2，3，4，5，7，9，12，16，20，25和32 d测定试样的老化性能参数，每个试验点测定5次。

2 结果与讨论

2.1 老化时间和温度对P的影响

P为试样老化后与老化前拉伸强度的比值[4]。测定各老化温度下的拉伸强度，经计算得到各老化温度下的P与τ的关系曲线如图1所示。从图1可以看出，随着老化时间的延长和老化温度的升高，试样的性能越来越差。

图1 各温度下试样的P-τ关系曲线

2.2 参数的计算

确定各温度下的P后，采用逐次逼近法，求得α=0.63时，I=0.013 951 2，为最小[5]。采用线性回归法计算各温度下的B和K、B的估计量B^、标准差S及lgK的标准偏差S2等参数，计算过程借助MATLAB软件完成。K和B的计算结果见表1。

表1 各温度下的K和B

由此得到主要数据的计算值：lgA5.840 1，

2.3 线性关系的验证

2.3.1 lgP与τ0.63的关系

作各温度下的lgP对τ0.63的拟合曲线，如图2所示。从图2可以看出，不同温度下，每个τ0.63与lgP所对应的点近似呈线性分布。

图2 lg P与τ0.63的线性拟合曲线

通过最小二乘法可计算出不同温度下lgP与τ0.63关系式的相关因数（r），计算过程借助于MATLAB软件完成，计算得333，343，353，363和373 K下的r分别为－0.998 29，－0.998 93，－0.996 05，－0.998 05和－0.997 65。

从HG/T 3087—2001的附录A中查得，当置信度为99%、自由度为3时，检验表中r=0.959。由于不同温度下的r的绝对值均大于0.959，因此可验证lgP与τ0.63的关系式线性回归效果显著。

2.3.2 lgK与1/T的关系

作各温度下lgK对1/T的拟合曲线，如图3所示。从图3可以看出，每个1/T与lgK所对应的点近似呈线性分布，由线性回归法计算得到lgK与1/T关系式的r为－0.990 38，r大于检验表值0.959。

图3 lg K与1/T的线性拟合曲线

以上分析可验证lgK与1/T的关系式线性回归效果显著。

2.4 预测模型的建立

根据统计分析，lgK在置信度1～α下存在置信区间[6]，为了使预测结果更准确，将置信区间上限值作为预测值，lgK的置信区间上限如下：

2.5 预测模型的修正

通过理论预测值与实测值的对比，对上述预测模型进行修正。首先分别测定在动车组制动系统中使用过1，1.5，2，2.5，3，3.5，4，4.5和5 a的密封垫样品的老化程度P1（实测值），其中每个测定点取5个样品，取其平均值。再通过预测模型分别推出不同使用时间的老化程度P2（理论值)，其中T取正常工作温度298 K。计算出理论值与实测值之间的偏差ΔP。P1和P2与τ的关系曲线如图4所示。计算得出ΔP的平均值Δ为0.02。