橡胶隔振器老化寿命的预测

1、橡胶隔振器老化寿命的预测石 菲1,2，童宗鹏2，龚丽琴2，柳贡民1，朱卫华3（1 哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，哈尔滨150001 ; 2 中国船舶重工集团公司 第711研究所，上海200011; 3.海军驻大同地区军事代表室，大同037036 ）摘 要：橡胶材料一旦发生老化，橡胶隔振器的刚度和阻尼参数将会逐渐偏离设计值，隔振器的隔 振抗冲性能也即受到直接影响通过对橡胶材料加速老化试验方法的研究，找到了适合橡胶隔振器的老化 寿命定量评估方法这种方法可在工程设计和应用中对橡胶隔振器进行寿命预估，从而保证舰船设备的安 全性和隔振器使用的经济性.关键词：隔振器；橡胶；加速老化试验；老化寿命；寿

2、命预估中图分类号：TB535+.1文献标识码：A 文章编号：1000-6982 （2009） 04-0038-03Prediction of aging life for rubber vibration isolatorSHI Fei1,2, TONG Zong-peng, GONG Li-qin2, LIU Gongmin1, ZHU Wei-hu(1. College of Power and Energy Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. No.711 ResearchInstitu

3、te, Shanghai 200011, China; 3. Naval Representative Office in Datong, Datong 037036, China)Abstract: When the rubber is agi ng, the stiffness and damp ing of the rubber absorber becomes cha nging, the vibrati on isolati on and an ti-shock capability also be in flue need. By way of accelerated agi ng

4、 tests, the aging life estimation method is worked out, by which the life of rubber absorber can be predicted. As a result, the shipboard equipme nts can work more safely and the absorber can be used more econo mically.Key words: vibrati on isolator; ru bber; accelerated agi ng test; aging life; lif

5、e predict ion39 © 1 *>*>4-2012 China Academic Journal Electronic ?ubijihing House. Al righh reserved,h畑:/冷讣39 © 1 *>*>4-2012 China Academic Journal Electronic ?ubijihing House. Al righh reserved,h畑:/冷讣0引言橡胶隔振器是舰船动力装置广泛采用的隔振元 件，作为橡胶隔振器的关键部件，橡胶材料一旦发生 老化，隔振器的刚度和阻尼参数将会逐渐偏离设计值， 其隔振抗

6、冲性能也即受到直接影响因此，为了对橡 胶隔振器进行定期维护和替换，保证舰船设备的安全 性和隔振器使用的经济性，合理预测橡胶隔振器的老 化寿命，已成为橡胶隔振器工程设计和应用中一项急 需解决的问题.1国内外加速老化试验研究自然条件下橡胶材料的老化通常需要几年的时 间，因此自然老化试验周期比较长，不符合一般工程 的需要.现阶段，国内外橡胶材料老化研究中常用的方 法是加速老化试验方法2.根据具体试验方法的不同， 又分为：烘箱加速老化试验、氧弹加速老化试验、空 气弹加速老化试验、人工气候加速老化试验、湿热老收稿日期：2008-10-24；修回日期：2008-11-18作者简介：石菲（1980-），女，

7、在读博士，轮机工程专业.38 化试验、臭氧加速老化试验、烟雾腐蚀试验和人工抗 霉试验等.其中，烘箱加速老化试验和湿热老化试验是 最常用的加速老化试验方法.20世纪20年代，Gerr烘箱问世，产生了热空气 加速老化试验方法.这种方法是将试验样品悬挂在给 定条件的热老化试验箱内，并周期性地检查和测定试 样的外观性能变化，从而评定其耐热性的一种方法. 利用这种方法，还可测量各种防老剂性能及估算某些 高分子材料的贮存期和使用寿命.加速老化遵循的原 则是：当加速老化的外部因素为最大值时，老化的物 理化学过程应与在真实的贮存和试验条件下所进行的 过程相同.它规定将材料暴露于不少于3个比实际使 用或贮存温度

8、更高的温度下，测量某一选定性能.当材 料性能下降到某一给定指标时，作为材料的老化终点， 从而得出每个温度下的热寿命，达到对材料的热老化 性能材料的热老化性能进行评估的目的.也可由此外 推计算实际使用或贮存温度条件下的性能变化和材料寿命3,4.国外曾有人设想利用反应机理和分子结构参 数模拟橡胶的贮存和使用条件，直接将计算机作为一 个老化箱进行老化试验，但目前还没有成功的案例.我国于20世纪80年代初将橡胶的烘箱加速老化 试验方法标准化，制定了 GB/T 17782-199硫化橡胶 压力空气热老化试验方法、GB/T 3512-200硫化橡 胶或热塑性橡胶一热空气加速老化和耐热试验等.20 世纪80

9、年代，上海橡胶制品研究所曾采用热空气加速 老化的试验方法，对公路桥使用17年、铁路桥使用 10年及室内存放17年的板式橡胶支座进行物理机械 性能测试.研究发现，支座使用初期老化速度快，随着 时间增加，老化速度减缓，并趋于平稳，而且支座表 层老化速度大于内层.2橡胶材料老化性能的基本理论在一定温度范围内，热空气加速老化与仓库贮存 条件下的变质机理相同即通过热加速橡胶材料的交 联、降解等化学变化，宏观上表现为橡胶材料的物理 机械性能变化，如拉伸强度、扯断伸长率、压缩永久 变形等5.这些性能随老化时间的延长呈一定规律变 化.同时，这些性能的变化速率又与温度的高低存在紧 密联系.下面用一系列的公式来表

10、述各物理量之间的 相互关系6:首先，橡胶材料性能老化程度P在拉伸性能试验 中表示任一时间的拉伸强度和拉断伸长率与老化前的 计算得到刍得到不同温度下试样的永久变形随老化时 间的变化曲线观察丫和X的线性相关性，若丫和X呈线 性关系，则a=1;否则，根据相关性，在0<a<1内取 值.然后根据试验结果对公式（5）进行拟合，可以得 到拟合参数b和a,然后根据各温度下的a值求平均，即 可出A= ea .对方程（3）两边求对数，得到：In K=-?!+l nZ（6）R T同理可通过参数拟合计算得出某温度下的| |K值.将A=ea和K值代入方程（2）,可以绘制该温度 下的老化变形曲线，根据该曲线，

11、参考限定的永久变 形量，即可以得到橡胶材料在该温度下的老化寿命.3实例分析以某型橡胶隔振器为例，已知该隔振器橡胶材料 限定的永久变形量为15%，需通过热空气加速老化试 验，对其进行40C、50C和60C三种温度下的老化寿 命预测.首先备置一系列哑铃状橡胶试样，将其分为三组， 分别进行40C、60C和120C下的老化试验试样经过 夹具固定后，即可放入高低温试验箱，然后设置试验 温度在每种试验温度下，根据老化时间分批取出试 样，本试验选取的老化时间为2d, 4d, 8d, 26d, 48,每 个试验点的试样数量不少于3件.试验状态见图1.39 © 1 *>*>4-2012 C

12、hina Academic Journal Electronic ?ubijihing House. Al righh reserved,h畑:/冷讣拉伸强度或拉断伸长率的比值，在压缩永久变形或拉 伸永久变形试验中为（1-）其中，为永久变形率._ Ho£ 一 HoHt X100%Hj老化程度P与老化时间T勺关系为：P= Ae-KT（2）而与温度有关的性能变化速度常数K与热力学温 度的关系符合阿累尼乌斯方程：图1隔振器橡胶材料试片的老化试验K = ZeERT39 © 1 *>*>4-2012 China Academic Journal Electronic ?u

13、bijihing House. Al righh reserved,h畑:/冷讣以上三式中：Ho为试样原始高度，mm； H为试样 老化后的高度，mm; Hj为夹具的限值高度，mm; A 为常数；为老化时间，d; a为常数，0<aE; Z为频 率因子，d-1; E为表观活化能，JK-1?nol-1; R为气体 常数，Jol-1; T为绝对温度，K.对式（2）两边求对数，可以得到：ln P = - K T + ln A（4）定义：Y=1nP, X一T, a=1rA, b一 -K,则可得： 丫一 bX+a（5）在试验中，可根据测得的Ho、Ht Hj通过式（1）在设定的温度下，试样达到其老化时间

14、后取出， 然后按照GB/T 2941橡胶试样环境调节和试验的标 准温度、湿度及时间进行一定时间的环境调节，再 测量其长度并记录试验数据.将试验数据Ho、Ht Hj代入式（1）,计算试样的 永久变形率£,整理后得到不同温度下橡胶试样老化程 度曲线（图2）.观察Y和X的线性相关性，若Y和X呈线性关系, 则a=1 ,由试验数据可以判断Y和X不存在线性关系, 因此在0 <a<1内取值，对a在逼近准则下进行尝试计39 © 1 *>*>4-2012 China Academic Journal Electronic ?ubijihing House. Al ri

15、ghh reserved,h畑:/冷讣39 © 1 *>*>4-2012 China Academic Journal Electronic ?ubijihing House. Al righh reserved,h畑:/冷讣算，可得a=0.45,对公式（5）进行线性拟合，得到拟 合曲线（见图3）以及参数b和a的值（见表1）.根据式（8）和式（9）得到该橡胶隔振器在40 C、50C和60 C下的老化寿命分别为10.18年、4.68年和2.56年.率形变久永500.0-0.2)1 -0.4-0.6-0.8图2不同温度下橡胶试样老化程度曲线40 C试验值的线性拟合60 C试验

16、值的线性拟合120C试验值的线性拟合> 40 C试验值* 60 C试验值* 120C试验值温度/Cb aK40 -0.0052-0.002580.005260 -0.01019-0.009760.01019120 -0.18!9130.1385650.189131 23 4 50.45T图3 ln（1- 9与老化时间T45的线性拟合 表1线性拟合结果根据各温度下的a值求平均，然后计算A的值，有: A = ea = g-0.0025& 0.00976+0.138565）/3 =042973 定义Y1=1nK，X1=1/T可以将式（6）简化成：Y = biX1 + a1（7）根据表1

17、所列不同温度下的参数K值，可以绘制 图4，并对式（7）进行参数拟合，得到b-5528.51, 31= 12.37708从而得到K的表达式（8），进而可以求 得任一工作温度下的K值.1-5528.51+12.37708K = e T（8）将以上求得的各值代入式（2），可得到表达式（9）: k 0.451- £=1.042973（9）该项试验需要预测40C、50C和60 C三种温度下 的隔振器老化寿命预测，因此可根据式（8）和式（9） 绘制出40C、50C和60C下的老化变形曲线（见图5）.而该橡胶材料限定的永久变形量为15%,也可以4030201005101520 25 30时间/a率

18、形变久永I : I40 C50 C60 C图5不同温度下的老化永久变形曲线4结论通过热空气加速老化试验得到的各试验温度和老 化时间下橡胶试样的永久变形率，经过一系列相关数 学方法，推导出橡胶材料的永久变形率和其存储温度、 存储时间的关系表达式，以确定橡胶隔振器在特定环 境下的永久变形即老化状况，形成一种橡胶减振器的 老化寿命定量评估方法.参考文献：1 Eckwerth, P.and E.Neitzel. Life Endurance Testing for Rubber Springs. ZEVrail Glas, 2002, 126 (4): 156-163.2 Alan N. Gent. Engineering with Rubber-How to DesignndRubber ComponentsM. 2 Edition. Carl Hanser Verlag, 2001.3 ASTM D 1349-93. Standard Practice for Rubber: Standard Temperatures for TestingS. 1993.4 ASTM D 865-9