潜水式污水泵用橡胶密封圈使用寿命研究*

2016-05-21曾宪奎郝建国褚福海焦淑莉

弹性体 2016年6期

曾宪奎，郝建国,褚福海，苗清，焦淑莉

(青岛科技大学机电工程学院，山东青岛 266061)

潜水式污水泵是一种常用的污水输送装置，其泵体与电机连成一体潜入液下工作[1]，因此对密封性有较高要求。橡胶密封圈作为污水泵的主要密封装置，其密封效果直接决定着污水泵工作的可靠性。潜水式污水泵的工作环境恶劣苛刻，外部环境因素的复杂性会导致橡胶密封圈的加速老化[2]，易使污水流入电机腔，产生安全事故。因此，建立合理可靠的密封圈使用寿命预测模型来准确预测其寿命，可以为污水泵的检修保养工作提供重要的理论依据，减少工作量。

污水泵用橡胶密封圈工作环境复杂恶劣，热、氧、水及污水中所含的弱酸、弱碱或无机盐都是促使密封圈老化的外部因素[3]。综合考虑上述因素，本论文用从污水处理厂实地采集的污水为介质进行加速老化试验，周期性地测定试样的性能变化，以时温等效原理为理论依据，结合动力学曲线法和统计学方法建立其使用寿命预测模型，并以此来评估密封圈的使用寿命。

1 实验部分

1.1 原料

三元乙丙橡胶：工业级，日本住友化学公司；炭黑N115：工业级，美国卡博特公司；硫黄：工业级，兰州环丰工业有限公司；防老剂4010NA：工业级，海安石油化工厂；氧化锌：工业级，北京化工厂；硬脂酸：工业级，北京化工厂；增塑剂A：工业级，盐城双鸿化工有限公司；促进剂NS、促进剂TMTD：工业级，上海永研化工科技有限公司；生活污水试样：在污水处理厂实地采集。

1.2 仪器设备

GT-7017-NM型热空气加速老化试验箱：中国台湾高铁检测仪器有限公司；UT-2080型电子拉力试验机：中国台湾优肯科技股份有限公司。

1.3 胶料配方

硫化胶试样配方(质量份)为：EPDM 100，炭黑N115 45，氧化锌 5，硬脂酸 1，硫黄 0.5，防老剂4010NA 3，促进剂TMTD 1.5，促进剂NS 1，增塑剂A 2。

1.4 实验原理

热空气老化试验以时温等效理论[3]为原理，通过老化箱内高温短时间的作用获得与自然条件下长时间作用相同的效果。潜水式污水泵用橡胶密封圈除了受到热与氧的老化作用外，污水中的水与无机盐、弱酸或弱碱等物质也会促使橡胶老化[5]，为了最大程度地模拟其真实的工作环境，本试验以污水为加热介质，进行加速老化试验。外部因素促使橡胶老化的宏观表现为试样物理机械性能的变化，具体的老化性能指标包括：压缩永久变形、拉伸强度、扯断伸长率等[6]，其微观作用机理为加速橡胶内部分子链之间的交联与降解等化学作用。由于扯断伸长率与密封圈的工作状态密切相关，因此选取扯断伸长率为判定老化程度的性能指标。

1.5 实验安排

本论文选取4个老化温度：343 K、353 K、363 K、373 K，分别在不同温度下进行加速老化实验。考虑到373K的温度值较高，老化作用较强，所以该温度下的试验终止时间可以比其它3个温度下的时间稍短，具体设定时间间隔为1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、7 d、9 d、12 d、15 d、19 d、24 d。其余3个试验温度下分别间隔1 d、2 d、3 d、4 d、5 d、7 d、9 d、12 d、15 d、19 d、24 d、30 d来测定试样的性能指标，每个试验点的试样数为5个。

1.6 实验方法

根据GB/T 3512—1989和GB/T 1690—2010的操作要求，按照GB/T 2941—2006制备哑铃型标准试样，并将待测试样放入装有生活污水的指定容器内，摆放均匀，根据试验预先设定的温度调节加速老化实验箱的温度，当老化箱内温度稳定后，把盛有污水和橡胶试样的容器放入加速老化试验箱，容器内的污水每隔12 h更换一次。试验时间从容器放入到加速老化箱内开始计算，在预先规定的时间节点取出试样，并将试样的表面用试纸擦拭干净，静置24 h后，按标准测定老化后的橡胶试样的扯断伸长率。

2 结果与讨论

2.1 老化寿命模型的建立

按照上述实验方法得到老化试样后，测试每个试验点5个老化试样的扯断伸长率，求取平均值，各个温度下的扯断伸长率如表1所示。

表1 不同老化温度下的扯断伸长率

本论文选取老化特性指标为P，即当老化时间为τ时试样的扯断伸长率与老化前试样的扯断伸长率的比值[7]。抽样测定未老化试样的扯断伸长率为519.10%，计算并整理各个时间节点的P值，如表2所示。

表2 老化特性指标P

由表2所示的数据做老化指标P与老化时间τ的折线图，如图1所示。

τ/d图1 各温度下试样的老化特性指标曲线

分析图1曲线可以发现，标准试样的扯断伸长率随着老化时间的增加显著下降，且呈现非线性关系。

实验的老化指标P与老化时间τ的关系符合动力学曲线公式：

P=Be-Kτα

(1)

式中：B为实验常数；K为速率常数；τ为老化时间；α为经验常数。

作为高分子材料，橡胶试样的性能变化速率常数K与老化温度T的关系符合阿累尼乌斯方程：

K=Ae-E/RT

(2)

式中：E为表观活化能，J/mol；R为气体常数，J/(K·mol)；T为老化温度，K；A为频率因子，d-1。

将式(1)与式(2)进行对数变换得式(3)与式(4)，从而使数学模型线性化：

N=a+bM

(3)

W=C+DZ

(4)

(5)

表3 各温度下的实验常数B和速率常数K

求得α后，根据表3中的数据，拟合不同温度下的logP与τ0.52，如图2所示。

τ0.52图2 logP与τ0.52的线性拟合

由图2可知不同老化温度下的τ0.52与logP近似呈线性分布。

通过r检验，计算出不同老化温度下logP与τ0.52的相关系数r，如表4所示。

表4 各温度下的线性相关系数

查HG/T 3087—2001的附录A得，置信度为99%，自由度为2时，r=0.990。而计算得到的4个实验温度下的线性相关系数的绝对值都大于0.990。经过以上两方面的分析，可得出结论：logP与τ0.52的关系式线性回归效果显著。

1/T图3 logK与的线性拟合

根据统计分析的相关知识可知，logK存在置信度为1-α下的置信区间[9]，且使用置信区间的上限作为估测值可以提高结果的准确性，其置信区间的上限为：

(6)

式中：S2为logK的标准偏差，其计算如式(7)、式(8)所示。

(7)

(8)

通过计算得S2=0.031 3，从HG/T 3087—2001的附录B中查得，当置信度为95%，自由度为2时，t为2.920。至此，将计算得到的各个参数代入式(6)中，化简得到当置信度为95%时的速率常数的数学表达式：

(9)

把式(9)代入式(1)中，得到橡胶密封圈老化特性指标P与老化温度T和使用时间τ之间的关系式：

(10)

将τ作为因变量对(10)进行变换，最终建立橡胶密封圈使用寿命τ的预测模型：

(11)

2.2 使用寿命的预测

上述使用寿命预测模型中，只要确定温度T与老化特性指标P，即可计算密封圈的使用寿命。标准JIS B2401—2005规定，生活污水类介质中的橡胶密封圈的扯断伸长率不得低于200%，本论文中测试的未老化的试样的扯断伸长率为519.10%，故可选取使用性能临界值P0为0.4，实际使用过程中，考虑到安全因素[10]，选取使用性能临界值P0为0.5；且根据在污水处理厂实地测量可知，其平均工作温度一般为30 ℃，故公式中的T可取303 K。将T与P0的值代入模型公式中，得到密封圈的使用寿命：当取老化特性指标临界值P0为0.5时，使用寿命为4.33 a。