O形圈密封寿命预测技术研究进展

摘要：  O形圈密封在设备生产中起着重要的作用，对其的寿命预测尤为重要，决定了装备的可靠性、维护的难易程度和维护成本。文章主要介绍了O形圈寿命预测技术的方法，以及各种方法的优缺点。对预测技术的发展的梳理，为O形圈密封寿命的研究提供理论依据和参考。

关键字：  O形圈；密封寿命；老化；预测技术

O形圈密封具有结构简单，密封可靠，摩擦力小，容易制造且造价低廉，在设计，制造和选型方面拥有比较完善的技术标准和成熟的经验这些优点。所以，O形圈密封被广泛的应用于压力设备，液压与气动机械中。

O形圈的材料是橡胶，主要的种类有丁晴橡胶，氟橡胶和硅橡胶以及其他的橡胶材料。橡胶具有良好的弹性和回弹性，适当的硬度，较好的耐磨性和适当的机械强度。这些性质使得O形密封圈满足密封条件。O形密封圈是一种挤压密封元件，其密封原理是通过弹性O形元件的挤压变形, 在密封接触面上产生接触压力, 当接触压力大于内密封介质压力时起到密封作用。

密封在设备和机械中起着十分重要的作用，密封的失效往往会产生严重的后果，小则致密封介质的泄露，大则致使重大安全事故，造成人员安全和财产损失。所以，要及时避免密封失效的发生。因此，密封失效的时间预测是亟待解决的。O形圈的密封失效的定义：被密封的介质通过密封部件并造成下列情况之一者，则认为密封失效。

1. 从密封系统中泄露的介质量超标。

2. 密封系统的压力降低的值超标。

3. 加入密封系统的阻塞流体或缓冲流体的量超标。

O形圈密封的失效的主要原因是O形圈硬化而失去弹性，接触力减弱使得密封接触面间存在渗漏和O形圈的断裂破损。造成O形圈的这种现象的出现的原因主要是橡胶的老化，接触面间的磨损以及密封结构设计和O形圈选型的不当。所以，我们研究的就是对O形圈的工作环境的模拟推算出O形圈正常情况下的寿命。

1  线性关系法

该寿命推算法是一种经典的寿命预测方法，是Dakin与1948年首次提出。此法是在橡胶性能变化的临界值P以下，建立贮存期t与温度T间的关系式，在一定的温度下，P与t服从公式：

                                  ……………………(1)

式中　

Po为老化前的性能值, Pe为性能的临界值, U为活化能, A和R为常数。式（1）的含义是：各老化试验温度下材料的性能达到临界值时，时间的对数Iogt与温度的倒数1/T呈线性关系。Dakin 最初推导式是从假定P 随t 变化服从一级反应规律出发的, 长时间曾误以为只有满足这个条件式（1）才能成立, 实际上不管是零级反应, 二级反应或任意级反应等都可得到式（1）。实践表明式（1）对橡胶及其制品的老化也是适用的。此法不需要确定p = f ( t ) 的函数形式,简单可靠, 但有一最大缺点, 就是在每一加速老化温度下p 的变化都需要达到临界值之后, 这样就大大延长了试验周期, 从而导致后来其它预测方法的产生。

公式可推导为点斜式：

          ………………(2)

通过材料性能试验找到某一高温下达到临界值的时间t1, 即得到一点, 再利用其它近代物化分析技术测定活化能得到斜率b, 即可得到式(2) , 这就是所谓点斜法。在电气绝缘材料领域内已经建立标准方法, 一些研究者试图引入橡胶老化。此法的建立应有一个前提, 就是用近代物化分析方法测得的活化能与用物理机械性能老化试验测得的活化能相同。实际上这个前提是不能成立, 因为橡胶材料的活化能不是一个定值, 同一材料同一性能老化试验, 在不同的温度范围内可以得到不同的活化能, 即使同一材料老化试验, 用不同性能指标测定可以得到不同的活化能,活化能相差是很大的, 彼此不能代替。物化分析方法例如差示扫描量热法试验通常都是在摄氏几百度高温下进行的, 测得的活化能与所谓功能试验测得的活化能完全是两回事, 因此点斜法对橡胶材料而言是行不通的。

2  动力学曲线直线化法

该方法先通过坐标变换将描述P随t的变化的动力曲线变成直线，求出各试验温度下的反应速度k；然后利用阿累尼乌斯方程外推出指定温度下的速度常数k，建立某一温度下的性能变化方程。此法弥补了线性关系费时的缺点，但动力学公式的选取一定要合适，不然预测的结果不准确。通常用指数方程来描述P-t动力学公式，最简单的反应公式：

                                          ………………(3)

因为在很多情况下，作出的关系图并不是一条直线，所以有许多修正公式相继被提出。其中经典被广泛应用的是：

                                      ……………(4)

式(4)能很好地拟合初始阶段的数据，结果更为精确。指数使其适用的性能参数变化范围更大,更具一般性。

3  P-t-T数学模型法

P-t一T数学模型法又称三元数学模型法,随着电子计算机和数学模型法的广泛使用,探寻p=f(t,T)的具体函数表达式也引起了人们的重视。数学模型的构成大多采用P=f(t)的动力学方程,以反应速度常数k为纽带与阿累尼乌斯方程结合起来,得到P=f(t,T)的表达式。提出的三元模型为：

        ……………(5)

式(5)中B、B0、B1和B2为模型参数。此模型正确的描述了老化性能P 的变化与老化温度T 和老化时间t 三者之间关系, 可充分利用试验信息和计算机技术, 提高了预测的精确性和可靠性, 在机理相同的温度范围内可预测任一温度下任一时间时的性能值; 反之也可预测在任一温度下达到一定性能值的时间。试验证实:压缩永久变形、压缩应力松弛和扯断伸长率等橡胶性能参数都适用于式（5）,所以用式(5)处理上述性能参数也是恰当的。P-T-t 三元数学模型法在近年O形圈寿命定量计算中得到不少应用, 是一种具有发展前景的方法。常

4  统计方法推算法

该方法就是用数学统计的方法处理动力方程式P=Aexp（-kt）得出的数据。计算出每个老化试验的性能变化速度常数k；然后进行线性方程的置信界限的计算、贮存温度Qs的性能变化速度常数上限值Ks的计算；最终求出贮存温度Qs下,不同贮存时间下的O形圈橡胶性能变化指标的平均值p。通过线性回归和最小二乘法求出动力学方程和阿累尼乌斯方程中各个参数的最佳估计值,最终得出寿命预测值。该方法不仅可以准确预测出橡胶寿命,且计算过程能用计算机编程完成,大大提高了数据处理的效率和准确性。但是它对试验数据的数量和质量都有很严格的要求,数据太少时线性回归拟合不成立的可能性会很大。但是总地来说,统计方法推算法还是一种较为理想的寿命预测方法。

还有很多的计算模型，德国Parker密封元件公司利用有限元分析（FEA）方法对密封材料进行寿命预测，这种方法根据成型后的橡胶密封材料进行应力，接触压力和形变分析其密封性能，并给出橡胶的老化趋势。还有基于修正的阿累尼乌斯方程预测模型，变量折合法等方法。

总结

O形圈密封寿命的预测技术在不断的发展，不断地改进已有试验方法和模型的不足。在预测技术的改进中不断采用新的技术手段和理论，如用到核磁共振（NMR）技术来研究橡胶垫片的微观结构、能够用有限元分析（FEA）分析橡胶垫片的应力、使用MATLAB软件建立模型和处理复杂的数据。

预测技术的发展实际上就是在解决试验周期、要求和方法可靠性之间的矛盾：Dakin寿命推算法简单可靠，但试验耗时太长；动力学曲线直线法弥补Dakin寿命推算法耗时长的缺点，但动力学方程式的选择使得该方法的不可靠性。所以，P-t-T数学模型法蕴含了其他各种预测方法，而统计方法准确性非常高，但对试验要求很高。从O形圈密封寿命的预测技术的发展来看，预测技术会越来精确、稳定、方便以满足不同条件下O形圈的寿命推算。

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