疲勞試驗(yàn)在橡膠減振制品壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用
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1 橡膠減振制品疲勞失效的判斷準(zhǔn)則
1.1 制品靜剛度損失率
橡膠減振制品是國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用最為廣泛的減振降噪裝置，在軌道交通中占總量的 90％以上(按產(chǎn)值計(jì)算)，主要起承載、懸掛、牽引、隔振和緩沖的作用，所以剛度是橡膠減振制品的關(guān)鍵特性之一。橡膠減振制品的疲勞曲線的特點(diǎn)為在循環(huán)次數(shù)超過10 7 次后，曲線也并不一定水平，所以，疲勞試驗(yàn)并不要求制品直到疲勞破壞時(shí)才終止試驗(yàn)，即當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到一定次數(shù)后，對(duì)制品進(jìn)行性能檢驗(yàn)，如滿足要求，即認(rèn)為壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求。橡膠材料的彈性模量在使用過程中會(huì)不斷下降，往往在發(fā)生破壞前，其強(qiáng)度就已降到不足以承受額定載荷的程度，因此，必須在疲勞使用過程中對(duì)制品的剛度進(jìn)行檢驗(yàn)，以掌握失效程度。靜剛度的損失率計(jì)算公式為：
ΔK=[(K2-K1)/K1]×100%
式中ΔK 為靜剛度損失率；K1、K2 分別為疲勞前后的靜剛度值。
1.2 制品變形量
蠕變是橡膠產(chǎn)品的特點(diǎn)，因此橡膠產(chǎn)品在使用過一段時(shí)間后，在其受力方向會(huì)產(chǎn)生永久變形，從而改變產(chǎn)品的部分尺寸。若產(chǎn)品的蠕變量過大將直接影響車輛的運(yùn)行安全，因此，為了確保整車高度的均衡性與安全性，必須對(duì)橡膠減振制品進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后的自由高檢測(cè)。在不影響產(chǎn)品使用性能的前提下，任何橡膠產(chǎn)品都允許在有一定的永久變形的情況下繼續(xù)使用，但當(dāng)永久變形影響產(chǎn)品與其它部件的連接時(shí)，則應(yīng)采取措施，加以調(diào)整。比如火車一系金屬－橡膠復(fù)合錐形彈簧，當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生蠕變，產(chǎn)品的高度會(huì)下降。由于產(chǎn)品是用于機(jī)車車輛的一系懸掛，因此車體和車鉤的高度也會(huì)隨之下降，從而影響前后車輛的連接。對(duì)于此種情況，必須加調(diào)整墊片，以調(diào)整產(chǎn)品的高度。當(dāng)調(diào)整墊片不足以調(diào)整時(shí)，必須更換產(chǎn)品。
1.3 橡膠材料的溫升
橡膠材料的耐疲勞性能嚴(yán)重影響制品的疲勞壽命，而溫度過高是橡膠發(fā)生破壞的重要因素。溫升與載荷幅值、振動(dòng)頻率、膠料配方以及散熱條件等有關(guān)。有研究表明，對(duì)于橡膠材料，當(dāng) 表面溫升大于 20℃時(shí)，材料開始破壞。
橡膠是導(dǎo)熱性差的材料，當(dāng)生成的熱量高于散發(fā)的熱量時(shí)，會(huì)使內(nèi)部的溫度上升，這種現(xiàn)象隨振動(dòng)頻率的加大而愈加嚴(yán)重。因此，大多數(shù)橡膠材料疲勞試驗(yàn)的頻率均控制在 0.5Hz 左右，但試驗(yàn)頻率應(yīng)取何值才能達(dá)到既節(jié)省時(shí)間又不會(huì)發(fā)生過高溫升，在橡膠減振制品試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中均無具體規(guī)定，需根據(jù)橡膠減振制品的使用場(chǎng)合、要求、經(jīng)試驗(yàn)方可確定。
2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
國(guó)內(nèi)在壽命預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域，對(duì) 金屬類線性材料制品研究比較成熟，而 對(duì)橡膠或橡膠－金屬相結(jié)合的非線性類制品研究還剛起步。
目前，鐵道車輛用減振降噪部件的驗(yàn)收都是通過做程序載荷譜加載的疲勞試驗(yàn)來確定。如 TB/T2843-1997，TB/T2589-1995，TB/T2841-1997，GB/T13061-91 等標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗(yàn)方法。太原重型機(jī)械工程學(xué)院的孫大剛對(duì)大型履帶式拖拉機(jī)鏈輪橡膠減振器疲勞試驗(yàn)程序載荷譜進(jìn)行了研究 [1] 。該程序載荷譜的載荷分為 8 級(jí)，并把試驗(yàn)載荷按低-高-低的次序進(jìn)行排列，同時(shí)把總程序分成20 個(gè)子程序進(jìn)行循環(huán)，每 個(gè)子程序的循環(huán)次數(shù)為 105(總疲勞試驗(yàn)次數(shù)為2×106)。為了加快試驗(yàn)進(jìn)程，對(duì)試驗(yàn)程序進(jìn)行了提高試驗(yàn)頻率、加大載荷幅值的強(qiáng)化程序。較大載荷下(≥53KN)的振動(dòng)頻率為 0.5Hz，較小載荷下( 53KN)的 振動(dòng)頻率可以加快至( 1~3)Hz。當(dāng)把各級(jí)載荷均擴(kuò)大了 42%后，總疲勞次數(shù)為強(qiáng)化前的 1/10，即 2×10 5次，大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間。
無錫中策的吳亞軍對(duì)橡膠減振器疲勞壽命與模具設(shè)計(jì)的關(guān)系進(jìn)行了研究 [2] ，分析了橡膠模壓注孔開設(shè)位置對(duì)產(chǎn)品粘接、疲勞性能產(chǎn)生影響的原因，認(rèn)為壓注孔的開設(shè)應(yīng)盡量減少型腔內(nèi)膠料流經(jīng)關(guān)鍵部位處的流動(dòng)量，即盡量減少關(guān)鍵部位的膠粘劑流失，并盡可能使得各個(gè)型腔同時(shí)得到充滿。
鐵科院金化所的毛鯤鵬對(duì)DF11型機(jī)車用橡膠球關(guān)節(jié)進(jìn)行了研究 [3] 。通過對(duì)膠料的配方試驗(yàn)和產(chǎn)品的動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)的全面研究，發(fā)現(xiàn)膠料的壓縮疲勞生熱性能直接影響到橡膠球關(guān)節(jié)的使用壽命，采用合適的硫化體系和補(bǔ)強(qiáng)體系可以獲得很好的耐疲勞性能。另外，橡膠球關(guān)節(jié)三瓣之間的縫隙對(duì)制品的靜剛度有較大影響，比 較將銷軸直接壓到縫隙上和一整瓣處的試驗(yàn)結(jié)果表明，壓縫時(shí)的靜剛度比不壓縫時(shí)的靜剛度小了2KN/mm。疲勞試驗(yàn)表明，采用正弦波，18Hz，最大和最小載荷分別為 42.5KN 和 10KN 的試驗(yàn)條件下，疲勞次數(shù)210 萬次的橡膠球關(guān)節(jié)可以實(shí)際運(yùn)行 40 萬公里，疲勞次數(shù)超過 620 萬次的橡膠球關(guān)節(jié)可以實(shí)際運(yùn)行 100 萬公里，滿足了鐵道部一個(gè)大修期的使用要求。表1 為兩種球關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)結(jié)果。其 中2#的使用壽命為40 萬公里。
表 1 為兩種球關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)結(jié)果
疲勞次數(shù)/萬次 1# 2#
38.47 正常 正常
59.01 正常 正常
135.88 正常 正常
216 正常 受壓處橡膠下方脫出外圈3mm
286 正常 受壓處橡膠下方脫出外圈10mm
295.83 正常，受壓處橡膠溫度36℃ 受壓處橡膠溫度39℃
352 正常，受壓處橡膠溫度36℃ 脫出25mm，橡膠溫度39℃
433 正常，受壓處橡膠溫度36℃ 脫出30mm，橡膠溫度39℃
495 正常，受壓處橡膠溫度36℃ 脫出32mm，橡膠溫度39℃
582 正常，受壓處橡膠溫度36℃ 脫出34mm，橡膠溫度39℃
624 脫出2mm，橡膠溫度39℃ 脫出35mm，橡膠溫度39℃
740 脫出3mm，橡膠溫度39℃ 脫出36mm，橡膠溫度39℃
799 脫出3mm，橡膠溫度39℃ 脫出38mm，橡膠溫度39℃
890 脫出4mm，橡膠溫度39℃ 脫出40mm，橡膠溫度39℃
946 脫出5mm，橡膠溫度39℃ 脫出41mm，橡膠溫度39℃
1081 脫出6mm，橡膠溫度39℃ 脫出43mm，橡膠溫度39℃
評(píng)論