楊寧芳，陳春飛

（中國(guó)電子科學(xué)研究院，北京 100041）

引言

橡膠具有高彈性和粘彈性，彈性變形大、模量小[1,2]，常用于制作減振組件，具有良好的減振、隔音、緩沖性能，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)械、汽車(chē)、飛機(jī)及其他航空器[3-6]，也越來(lái)越多地在機(jī)載平臺(tái)的任務(wù)電子系統(tǒng)使用，用于電子設(shè)備的隔振緩沖。在機(jī)載環(huán)境中，橡膠減振器需承受惡劣的機(jī)械、氣候環(huán)境條件，其可靠性和安全性是重中之重。因此，預(yù)測(cè)、估算橡膠減振器的使用壽命尤為關(guān)鍵。

1 機(jī)架減振系統(tǒng)

機(jī)架減振采用10個(gè)減振器組成減振系統(tǒng)，底部6個(gè)，頂部4個(gè)。機(jī)架自重37 kg，最大載荷200 kg，10個(gè)減振器均為帶初始應(yīng)力安裝。該機(jī)架用于某特種飛機(jī)的任務(wù)系統(tǒng)。載荷在機(jī)架內(nèi)的分布如圖1所示。

2 加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 失效機(jī)理

減振器在應(yīng)用中承受著振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境，溫度、濕熱、低氣壓等氣候環(huán)境以及油污、紫外線等有害因素的影響。其中橡膠是主要失效組件。橡膠組件的失效主要表現(xiàn)為橡膠表面裂紋、色變、發(fā)脆、變硬等老化效應(yīng)以及機(jī)械性能降低、阻尼下降等疲勞效應(yīng)的綜合因素加和。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

橡膠減振器的壽命包括疲勞壽命和老化壽命兩個(gè)方面，且二者無(wú)明顯的界面。因此，在加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，兩方面均要充分考慮。

2.2.1 加速老化試驗(yàn)

橡膠加速老化試驗(yàn)方法一般有濕熱老化試驗(yàn)和烘箱加速老化試驗(yàn)。烘箱加速老化試驗(yàn)最為省時(shí)和便捷。本文論述的橡膠減振器壽命加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用烘箱加速老化試驗(yàn)。

烘箱加速老化試驗(yàn)方法，將試驗(yàn)樣品放置于熱老化試驗(yàn)箱內(nèi)（給定試驗(yàn)條件），并定期檢查和測(cè)定試驗(yàn)樣品的外觀以及性能變化情況，從而評(píng)估其耐熱性能。

烘箱加速老化試驗(yàn)原則：當(dāng)加速老化的外部因素為最大值時(shí)，老化的理、化過(guò)程應(yīng)與在真實(shí)的貯存和使用條件下所進(jìn)行的過(guò)程相同。它規(guī)定將材料暴露于三個(gè)比實(shí)際使用或貯存溫度更高的溫度下，測(cè)量某一選定性能。當(dāng)材料性能下降到某一給定指標(biāo)時(shí)，作為材料的老化終點(diǎn)，從而得出每個(gè)溫度下的熱壽命，達(dá)到對(duì)材料的熱老化性能進(jìn)行評(píng)估的目的，并由此外推計(jì)算實(shí)際使用或貯存溫度條件下的性能變化和材料壽命。

2.2.2 疲勞試驗(yàn)

理論上，用1×106次循環(huán)作為疲勞曲線線性部分的最大循環(huán)數(shù)來(lái)計(jì)算橡膠減振器的疲勞特性。從對(duì)橡膠材料的疲勞曲線研究表明，即使循環(huán)次數(shù)達(dá)到1×107以上，也不一定會(huì)有像黑色金屬一樣，有水平走向的、在此應(yīng)力下永遠(yuǎn)不會(huì)疲勞的應(yīng)力。由于橡膠減振器的固有頻率較低，考核疲勞特性的時(shí)間要求長(zhǎng)，在工程應(yīng)用中周期難以接受，通常采用載荷加速的方法。

橡膠是高分子材料，受到振動(dòng)時(shí)，橡膠內(nèi)部會(huì)因相互摩擦、纏繞產(chǎn)生熱能，而膠體本身是熱的不良導(dǎo)體，當(dāng)產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)的熱量時(shí)，導(dǎo)致其內(nèi)部的溫度升高，且此情況會(huì)隨著振動(dòng)頻率的升高愈來(lái)愈嚴(yán)重。當(dāng)內(nèi)部的溫度高于臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)熱軟化。因此橡膠材料疲勞試驗(yàn)的頻率點(diǎn)均設(shè)置在0.6 Hz左右。然而試驗(yàn)頻率究竟如何取值，既節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間又避免發(fā)生熱軟化，目前在防振橡膠相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中尚無(wú)具體規(guī)定，通常依據(jù)橡膠減振器的使用場(chǎng)合和使用要求確定。

3 試驗(yàn)方案

3.1 老化試驗(yàn)方案

1)材料老化數(shù)學(xué)模型

橡膠在老化過(guò)程中，性能變化指標(biāo)P與老化時(shí)間τ的關(guān)系滿足關(guān)系式（1）。

式中：

P—性能變化指標(biāo)，在此為壓縮永久變形；

τ—老化時(shí)間，d；

k—與溫度有關(guān)的性能變化速率；

圖1 減振器系統(tǒng)布局及載荷分布圖

A—常數(shù)，即初始性能；

α—時(shí)間指數(shù)。

2）貯存壽命外推模型：

性能變化速率k與老化溫度T的關(guān)系滿足阿累尼烏斯（Arrhenius）方程（2）：

式中：

T—絕對(duì)溫度，K；

E—表現(xiàn)活化能，J.mol-1；

Z—頻率因子，d-1；

R—?dú)怏w常數(shù)，J.K-1.mol-1。

3）計(jì)算方法

①擬合材料性能與老化時(shí)間的關(guān)系：

對(duì)橡膠材料的老化試驗(yàn)，可獲取材料性能與老化時(shí)間的數(shù)據(jù)，按關(guān)系式（1）可確定各試驗(yàn)溫度下的材料性能老化速率（k值）。

②外推貯存溫度下的材料性能與貯存時(shí)間關(guān)系:

根據(jù)各加速老化試驗(yàn)溫度下的材料老化速率（k值），按關(guān)系式（2），并以區(qū)間估值的上限值外推貯存溫度下的老化速率，可由此獲得貯存溫度下材料性能與貯存時(shí)間的關(guān)系。

③根據(jù)材料性能邊界條件評(píng)估減振器壽命：

通過(guò)減振器的功能試驗(yàn)，確定材料滿足制品功能的性能邊界條件（壓縮永久變形邊界條件），并依據(jù)材料性能與貯存時(shí)間的關(guān)系式，獲得制品相應(yīng)的貯存壽命。

④貯存溫度的確定

減振器貯存溫度擬采取等效溫度。

3.2 老化試驗(yàn)流程

將機(jī)架減振器系統(tǒng)簡(jiǎn)化為一個(gè)減振器的單自由度系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，將減振器的總承載237 kg（機(jī)架自重37 kg+最大載荷200 kg）平均分配至10個(gè)減振器，即每個(gè)減振器承載23.7 kg，做貯存壽命試驗(yàn)，讓減振器在承載狀態(tài)下進(jìn)行老化試驗(yàn)，評(píng)估減振器在產(chǎn)品負(fù)載狀態(tài)和給定運(yùn)行環(huán)境條件下的貯存壽命。

1）試樣安裝：每個(gè)減振器配重23.7 kg，采用單自由度系統(tǒng)。

2）測(cè)試

①按照GJB 92.1-86《熱空氣老化法測(cè)定硫化橡膠貯存性能導(dǎo)則（試驗(yàn)規(guī)程）》的要求，根據(jù)減振器橡膠材料的耐溫特征，按表1確定5個(gè)加速試驗(yàn)溫度點(diǎn)。

②減振器橡膠材料試樣和減振器取樣周期按表2確定。

③試驗(yàn)周期可根據(jù)加速老化試驗(yàn)過(guò)程中橡膠材料試樣和減振器的性能數(shù)據(jù)變化情況作相應(yīng)調(diào)整。

3）試樣檢查：加速老化試驗(yàn)需考核減振器橡膠材料的性能，包括阻尼性能和壓縮回彈性能，在規(guī)定的加速老化試驗(yàn)周期內(nèi)，檢測(cè)減振器的性能。

4）性能檢測(cè)的測(cè)試方法

性能檢測(cè)的測(cè)試方法按相應(yīng)的國(guó)標(biāo)或國(guó)軍標(biāo)要求進(jìn)行，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如下：

GJB 981-1990 《粘彈阻尼材料強(qiáng)迫非共振型動(dòng)態(tài)測(cè)試方法》；

GB 1683-1981 《硫化橡膠恒定形變壓縮永久變形的測(cè)定方法》；

GB/T 531-1999 《硫化橡膠紹爾A硬度試驗(yàn)方法》；

GB/T 528-1998 《硫化橡膠和熱塑橡膠拉伸性能的測(cè)定》。

5）試驗(yàn)設(shè)備及儀器

加速老化試驗(yàn)：高溫試驗(yàn)箱；

耐環(huán)境試驗(yàn)：高低溫濕熱環(huán)境試驗(yàn)箱；

壓縮回彈性能測(cè)試：測(cè)厚儀；

材料粘彈性測(cè)試：粘彈譜儀；

材料常規(guī)物理性能測(cè)試：拉力試驗(yàn)機(jī)；

表1 減振器橡膠材料加速老化試驗(yàn)抽樣方案

表2 減振器橡膠材料試樣和減振器取樣周期

減振器振動(dòng)試驗(yàn)：振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)。

6）試驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程按圖2減振器加速老化試驗(yàn)流程進(jìn)行。

7）性能試驗(yàn)的合格判斷依據(jù)

減振器的性能振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果是確定相應(yīng)材料性能邊界條件的依據(jù)，并且只有在減振器的各項(xiàng)性能滿足技術(shù)要求的前提下，才能確定相應(yīng)材料的性能邊界條件。若減振器在加速老化試驗(yàn)后，部分性能或某種性能不能滿足要求，則需減振器的設(shè)計(jì)者與試驗(yàn)方共同分析，判斷減振器不滿足要求是否與材料的老化有關(guān)。通過(guò)分析，如果能將減振器不能滿足性能要求的問(wèn)題與材料老化的因素分離，則仍可以確定材料性能的邊界條件；如果不能分離，則需要補(bǔ)充減振器的性能試驗(yàn)，補(bǔ)充試驗(yàn)的具體條件由減振器的設(shè)計(jì)者確定。

3.3 疲勞試驗(yàn)方案

3.3.1 溫度加速方案

對(duì)于橡膠減振器，常溫下，當(dāng)頻率f≤0.5 Hz時(shí)，材料表面溫度和環(huán)境溫度一致，當(dāng)頻率f≥0.5 Hz時(shí)，溫度達(dá)到某特定值后處于平衡狀態(tài)，如圖3所示。

在環(huán)境溫度20 ℃，當(dāng)溫升ΔT≥25 ℃時(shí)，橡膠材料開(kāi)始被破壞，考慮到隔離時(shí)間的滯后現(xiàn)象，取溫升ΔT≤25 ℃。從圖3可見(jiàn)，取3 Hz的頻率比較合適。

圖2 減振器加速老化試驗(yàn)流程圖

圖3 不同頻率的循環(huán)次數(shù)與溫度關(guān)系圖

對(duì)于機(jī)載環(huán)境使用的橡膠減振器，基于安全考慮，需要進(jìn)行更加嚴(yán)格的考核，因此使用與金屬減振器同樣的循環(huán)次數(shù)1×107作為考核要求，這樣選用3 Hz的頻率，考核時(shí)間需要926 h（計(jì)38.6天），試驗(yàn)時(shí)間太長(zhǎng)。本方案，將橡膠減振器放在高低溫濕熱振動(dòng)綜合試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行，以橡膠減振器試驗(yàn)時(shí)的溫度T≤47 C°為原則，求出能進(jìn)行的最高頻率，以此來(lái)壓縮試驗(yàn)時(shí)間。

3.3.2 負(fù)載加速方案

負(fù)載加速方案，即增加橡膠減振器負(fù)載進(jìn)行加速試驗(yàn)。

橡膠減振器的S-N曲線，lgP（最大承載）坐標(biāo)的斜率是在一定范圍內(nèi)的常數(shù)。直觀起見(jiàn)，將圖4（a）變成圖4（b）的形式，可得出關(guān)系式（3）。

式中：

N1和N2—強(qiáng)化前和強(qiáng)化后的循環(huán)數(shù)；

P1和P2—強(qiáng)化前和強(qiáng)化后的載荷。

進(jìn)一步有關(guān)系式（4）：

再令：λ=P2/P1

從關(guān)系式（5）可以得出，只要掌握斜率k及選用合適的載荷比，便可達(dá)到加速的目的。通過(guò)對(duì)多種橡膠減振器分析和計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，k值在6～7之間，通常取值k=6.5。如取增加值λ=42 %（工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)）未見(jiàn)屈服現(xiàn)象，也未見(jiàn)橡膠減振器溫度明顯上升。將k值與λ值代入關(guān)系式（5），則：

N2=N1·λ-k=1×107×1.42-6.5=1×10-6

這樣，時(shí)間可壓縮到原來(lái)的10 %。

注：

①橡膠減振器的疲勞試驗(yàn)一般只在垂直方向進(jìn)行；

②疲勞試驗(yàn)一般采用單自由度系統(tǒng)進(jìn)行更準(zhǔn)確；

③環(huán)境試驗(yàn)用的加速度值一般是加嚴(yán)的，通常為實(shí)際環(huán)境的3～5倍，因此，進(jìn)行疲勞試驗(yàn)可采用實(shí)際環(huán)境值進(jìn)行，不影響得出的壽命試驗(yàn)結(jié)論。

4 失效判據(jù)

橡膠減振器的失效形式通常有兩種：功能性失效和破壞性失效。

4.1 功能性失效

1）應(yīng)力松弛及蠕變失效

應(yīng)力松弛是指在應(yīng)變恒定的條件下，隨時(shí)間的延長(zhǎng)應(yīng)力下降的現(xiàn)象。橡膠屬于高分子材料，高分子材料發(fā)生應(yīng)力松弛是由于分子間相互流動(dòng)的結(jié)果。蠕變是指在恒定應(yīng)力的作用下，材料的應(yīng)變隨時(shí)間增加而逐漸增大的現(xiàn)象。橡膠減振器屬于大承載的剪切型橡膠減振元件，在承載過(guò)程中，這種不斷增加的蠕變會(huì)使減振器結(jié)構(gòu)在承載過(guò)程中的設(shè)計(jì)高度無(wú)法得到保證而失效。

2）剛度失效

剛度失效是指橡膠減振器的橡膠元件由于橡膠在老化或疲勞過(guò)程中分子鏈降解而使其剛度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致減振器不能承載初始載荷而導(dǎo)致失效。

3）穩(wěn)定性失效

穩(wěn)定性失效是指橡膠減振器在其承載過(guò)程中，位移不再隨載荷的增加而增加，而是出現(xiàn)位移增加但載荷減少的不正?，F(xiàn)象。與其他功能性失效的形式不同，穩(wěn)定性失效時(shí)減振器結(jié)構(gòu)本身沒(méi)有出現(xiàn)變化，橡膠材料也沒(méi)有產(chǎn)生降解或交聯(lián)等分子鏈重組問(wèn)題，只是在特定的載荷位移下失去承載功能。對(duì)于機(jī)架的減振器系統(tǒng)而言，因由多個(gè)減振器組成，并且設(shè)計(jì)成頂部、底部的安裝方式，在不發(fā)生其他功能性失效的前提下，穩(wěn)定性失效可以不做考核。

圖4 橡膠材料的S-N

4.2 破壞性失效

橡膠元件的破壞性失效主要為疲勞失效、極限失效和粘接失效。鑒于減振器的結(jié)構(gòu)特征和生產(chǎn)工藝性，在此不考慮極限失效和粘接失效，僅考慮疲勞失效。減振器的疲勞是指減振器應(yīng)用工況中，橡膠元件在動(dòng)態(tài)拉升、壓縮、扭曲以及剪切力作用下，膠料的物理性能和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的現(xiàn)象。疲勞破壞是指橡膠減振器在動(dòng)態(tài)應(yīng)力或應(yīng)變作用下隨著疲勞過(guò)程的持續(xù)導(dǎo)致材料破壞的過(guò)程，而這種破壞行為是橡膠元件在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，從最初較高的應(yīng)力或應(yīng)變局部點(diǎn)開(kāi)始，形成損傷裂紋并逐漸擴(kuò)展，達(dá)到臨界值并最終導(dǎo)致破壞。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的橡膠減振器壽命加速試驗(yàn)方法和試驗(yàn)流程，在某型機(jī)架減振系統(tǒng)中應(yīng)用，極大地縮短了試驗(yàn)時(shí)間，降低了試驗(yàn)成本。并且，可根據(jù)加速老化試驗(yàn)過(guò)程中，材料試樣和減振器試樣的性能數(shù)據(jù)變化情況，作出相應(yīng)地試驗(yàn)調(diào)整，及時(shí)給出減振器的估算壽命。