车门密封胶条力学性能衰变分析

杨泰隆 葛鹏翼 陈元丽 肖衡

摘  要：按照国家标准的规定，检测自然条件使用的密封胶条样品的硬度和拉伸性能（拉伸强度、拉断伸长率），从自然老化的角度分析了密封胶条老化前后力学性能变化规律，从性能保持率的角度分析了密封胶条的劣化程度，最后基于密封胶条拉断伸长率的数据，构建了6阶拉格朗日插值多项式，对车门密封胶条使用寿命进行了预测，结果显示其使用寿命是185个月。

关键词：车门;密封胶条;自然老化;力学性能;寿命预测

中图分类号：U465    文献标识码：A    文章编号：1005-2550（2020）01-0073-05

Destruction Analysis of Mechanical Properties of

Door Sealing Strips

YANG Tai-long1，GE Peng-yi1，CHEN Yuan-li1，XIAO Heng2

Abstract：  According to the national standards. The change of mechanical properties of sealing strips before and after aging was analyzed from the perspective of natural aging， and the deterioration degree of the sealant strip is analyzed from the angle of performance retention rate. Finally， based on the data of the elongation at break of the sealant strip， the service life of urban rail vehicle door sealant strip is predicted with a six square Lagrange interpolation polynomial， the results show that the service life is 185 months.

Key Words：  car door ; sealant strip; natural aging; mechanical properties; life prediction

前言

车门密封胶条具有密封、缓冲、降噪、防护等作用，在服役过程受中，受热、光、水分、氧等环境因素的综合作用会发生老化[1]。其力学性能会逐渐下降，引起密封效果下降，车门噪声上升，影响乘车的安全性和舒适性，导致其丧失使用价值[2-5]。因此，准确掌握密车门封胶胶条（以下简称封胶胶条）的使用状态，确定密封胶条使用年限有重要意义，可以提升密封胶条维护效率同时降低维护成本。

本文以三元乙丙橡胶（EPDM）材料的密封胶条为研究对象，收集了自然条件使用下、不同时间节点的南京和上海两地的车辆密封胶条的新件和旧件样品，检测其力学性能，获得密封胶条自然老化前后的力学性能数据，以此掌握密封胶条力学性能的劣化规律，为解决密封胶条服役过程中的维修和寿命评估等问题提供依据[6]。

1    力学性能检测

1.1   密封胶条样品收集

收集上海和南京两地区不同使用时间更换下来的密封胶条旧件若干条，对这些密封胶条进行编码，样品统计如表1和表2所示：

1.2   硬度检测

参照国标GB T27568-2011 [7]对车辆密封胶条性能的检测规定，执行GB/T 531.1-2008《硫化橡胶或热塑性橡胶压入硬度试验方法。第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）》[8]，以保证检测过程的规范性。使用裁刀将密封胶条样品切割成标准试样，使用ZY-14硬度计进行检测，如图1所示。在试样表面不同位置进行5次测量，取中值为最终检测结果。

1.3   拉伸性能检测

依据文献7的规定，拉伸性能包括拉伸强度和拉断伸长率，均执行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》[9]，使用裁刀将密封胶条样品切割成哑铃试样，每组3个样品，如图2所示。使用ZY-3微机控制电子式万能试验机进行检测，如图3所示。

拉伸强度和拉断伸长率的数值需要通过公式计算，三个样本需要计算三次，取计算结果的中值为最终检测结果，计算公式如下：

（1）拉伸强度TS计算公式如下，单位MPa：

（1）

式中，Fm为记录的最大应力，单位为牛（N），W为裁刀狭窄部分的宽度，单位为毫米（mm），t为试验长度部分的厚度，单位为毫米（mm）。

（2）拉断伸长率Eb计算公式如下，單位%：

（2）

式中，L0为初始试验长度，单位为毫米（mm），Lb为断裂时的试验长度，单位为毫米（mm）。

2    检测结果及分析

2.1   性能保持率

密封胶条的劣化程度可以用性能保持率进行描述，本文依据密封胶条力学性能变化的一般规律，提出性能保持率的计算方法：

（3）

式中， 为密封胶条的新品拉伸性能数值， 为密封胶条旧件拉伸性能数值，i = 1，2，3…。

2.2   南京地区密封胶条力学性能分析

将南京地区密封胶条硬度、拉伸强度和拉断伸长率检测结果填入表3和表4，并计算出性能保持率。

依据表3中数据，绘制力学性能随使用时间变化的曲线图，如图4所示：

对于南京地区的密封胶条，其最大使用时间跨度为99个月，从图4（a）可以看出，密封胶条的硬度随使用时间的延长而增大，在使用时间52个月到99个月期间，硬度增加幅度很小，这表明硬度性能随使用时间的延续，并不会一直增大，而是趋于稳定状态，进而表明该配方下的密封胶条在抗硬度老化方面已经取得显著成效。从图4（b）可以看出，密封胶条的拉伸强度随使用时间的延长而减小，但是对于3号样品，拉伸强度数值出现了陡增的情况，违背了一般规律，属于异常数据，可能是由于橡胶材料本身大变形、强非线性的特性而引起了检测误差，可以使用插值法予以修正。从图4（c）可以看出，密封胶条的拉断伸长率随使用时间增加而减小，呈线性减小趋势，无异常数据。

从性能保持率的角度分析，从表3在同一使用时间拉断伸长率保持率的数值最小，表明拉断伸长率性能劣化最明显，是上述三个力学性能中最易失效的一个性能，因此可以用拉断伸长率性能对密封胶条的使用寿命进行预测，亦验证了GB/T 20028-2005《硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度》[10]建议选取拉断伸长率性能为指标进行寿命预测的合理性。参照文献[10]以性能保持率0.5为临界值，从表3可以看出其性能保持率均大于0.5，说明使用99个月的密封胶条仍可继续使用。

2.3   上海地区密封胶条力学性能分析

对于上海地区的密封胶条，其最大使用时间跨度为177个月，从图5（a）可以看出，密封胶条的硬度随使用时间的延长而增大，在使用时间127个月到177个月期间，硬度增加幅度很小，趋于稳定状态，进而表明该配方下的密封胶条在抗硬度老化方面已经取得显著成效。从图5（b）可以看出，密封胶条的拉伸强度随使用时间的延长而减小，如南京的数据一样，拉伸强度数值也出现了异常的数据，从图5（c）可以看出，密封胶条的拉断伸长率随使用时间增加而减小，呈线性减小趋势，减小的幅度小于南京地区，无异常数据。以性能保持率0.5为临界值，从表4可以看出其性能保持率均大于0.5，说明使用177个月的密封胶条仍可继续使用。

南京和上海两地密封胶条的使用时间差距很大，两地的密封胶条的各力学性能的劣化趋势完全相同，说明密封胶条的劣化有规律可循，即硬度数值随时间的延续而增大，拉伸性能数值随时间的延续而减小。

3    寿命预测

拉断伸长率是橡胶抵抗拉伸破坏极限的力学性能指标，可以表征密封胶条寿命[11-12]。因此，本文选择拉断伸长率作为密封胶条寿命预测的力学性能指标。南京和上海地区的密封胶条样本各有4组数据，由于数据偏少，寿命预测结果相对模糊。考虑到南京和上海同属华东地区，气候条件相似，如表6所示，环境因素对密封胶条老化作用相当，因此将两地区的密封胶条拉断伸长率数据结合，进行寿命预测。

基于拉断伸长率的7组数据：（0，460）、（52，372）、（69，334）、（99，278）、（127，269）、（136，263）、（177，236），绘出拉断伸长率随使用时间的变化趋势图，如图7所示，可以看出拉断伸长率是随使用时间呈递减趋势，前期衰减幅度较大，后期放缓，说明密封胶条的劣化速度减慢了。

此7组数据无异常，数据点较多，适合构建公式，并根据文献10建议选取拉断伸长率为指标进行寿命预测，本文记 为使用时间， 为拉断伸长率，构建多项式函数，对密封胶条的寿命进行预测。Lagrange插值法可以给出一个恰好穿过二维平面上若干个已知点的多项式函数，在工程中应用广泛[11]。n次Lagrange插值多项式的公式为：

（4）

式中，                          ，i， j=0，1，2…n

根据公式 4，基于上述 7 组数据，利用数据分析软件Origin得到 6 阶多项式公式为：

（5）

当取拉断伸长率保持率临界值为0.5时，即Y（x） =230%，利用Origin软件计算出x =185，即以拉断伸长率为指标、230%为临界值进行寿命预测，可以得出车门密封胶条自然条件下的使用时间是185个月。对于插值法来说，数据点越多，预测结果越精确。本文为利用较多的数据，将南京和上海两地数据统一分析，未考虑两地车辆运行状况的差异，如若能获得同一地区较多密封胶条的样本，这对寿命预测十分有益。

4    结论

（1）从南京和上海两地密封胶条的力学性能数据可以看出，密封胶条的劣化趋势有规律可循，即硬度数值随时间的延续而增大，拉伸性能数值随时间的延续而减小。

（2）从性能保持率的角度可以看出，拉断伸长率性能劣化速度最快，拉伸强度劣化速度次之，硬度的劣化不明显，所以选择拉断伸长率为寿命预测指标最合理。

（3）以拉断伸长率为预测指标、性能保持率0.5为临界值，基于南京和上海两地的密封胶条拉断伸长率数据，采用6阶Lagrange插值多项式对密封胶条的使用寿命进行了预测，结果显示，在自然条件下使用的密封胶条使用寿命是185个月。

参考文献：

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[3]王思静，熊金平，左禹. 橡胶老化特征及防护技术研究进展[J]. 合成材料老化与应用，2009，38（3）：41-46.

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[7]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB /T27568-2011，轨道交通车辆门窗橡胶密封条[S]. 北京：中国标准出版社，2011.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 531.1-2008，硫化橡膠或热塑性橡胶压入硬度试验方法第1部分：邵氏硬度计法（邵尔硬度）[S]. 北京：中国标准出版社，2006.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. 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[S].

北京：中国标准出版社，2009.

[10]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T20028-2005，硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度 [S]. 北京：中国标准出版社，2005.

[11]方强. 橡胶的老化现象及防老化措施[J]. 科技创新导报，2012（11）：69-69.

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