疲勞試驗在橡膠減振制品壽命預(yù)測中的應(yīng)用
加入技術(shù)交流群
V 型橡膠彈簧安裝于軸箱和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間，每 個輪對軸箱使用兩個V 形橡膠彈簧，它們將轉(zhuǎn)向架與輪對軸箱連接起來并承擔(dān)輪對導(dǎo)向作用，用于傳遞輪對的牽引力和制動力；并在垂直方向給車體以彈性支撐；在列車的縱向和橫向提供柔性連接和限位的作用，是對主要減震性能的補充。對橡膠V型彈簧的疲勞壽命研究表明，試驗的頻率和交變載荷的均值是影響其疲勞壽命的主要因素 [4] 。疲勞試驗的頻率為 2Hz，載荷均值為 V 型彈簧的額定工作載荷的條件下，振動次數(shù)為2×106相當(dāng)于實際運行7×104公里，基本能驗證出 V 型彈簧的抗疲勞性能。目前，一般認(rèn)為，V 型彈簧的剛度變化率在-10%~10%之間是滿足使用要求的。
鐵嶺橡膠工業(yè)研究所的史艷玲等根據(jù)橡膠恒定壓縮永久變形的經(jīng)驗公式及化學(xué)反應(yīng)過程中反應(yīng)速度常數(shù)與溫度的關(guān)系服從阿侖尼烏斯方程，用不同溫度下橡膠減振塊膠料的恒定壓縮永久變形的變化規(guī)律來預(yù)測橡膠減振塊使用壽命 [5] 。N R 橡膠減振塊的壓縮永久變形量不大于總高度的(6~7)%時，雖然剛度增加，但仍可工作一定時間。該減振塊的工作變形量為 14.5mm，因 此當(dāng)其壓縮永久變形量為30%時，變 形值為4.35mm，為總高度的 6.21%，即以此計算，在等效溫度 25℃下，壓縮永久變形值為 4.35mm(工作變形 30%)的時間為 3.2 年。
基礎(chǔ)隔振疊層橡膠支座是建筑結(jié)構(gòu)地震防護(hù)的一種新方法，要求其使用壽命不小于上部結(jié)構(gòu)的使用年限，也就是超過 50 年。許斌等采用熱空氣老化的方法研究了橡膠支座的使用壽命 [6] ，產(chǎn)品的使用壽命與不同溫度下劣化試驗所需時間的關(guān)系見表2。
表 2 使用壽命與不同溫度下劣化試驗所需時間(小時) 
總之，國內(nèi)在橡膠減振制品研制開發(fā)方面的手段還比較落后，仍停留在經(jīng)驗設(shè)計和靜強(qiáng)度設(shè)計階段。有 些制品的抗疲勞設(shè)計仍使用常規(guī)的無限壽命設(shè)計方法；有些制品只對可能的幾個危險點或危險截面使用經(jīng)驗公式進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，以計算所得的安全系數(shù)不小于許用的安全系數(shù)作疲勞強(qiáng)度的判據(jù)，以通過程序加載的疲勞試驗作為產(chǎn)品壽命合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果，有些通過了檢驗的制品在使用過程中發(fā)生了疲勞失效，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。有些產(chǎn)品并未失效就根據(jù)維修規(guī)程早早的進(jìn)行了更換，未充分發(fā)揮產(chǎn)品的使用價值，造成了浪費。這說明常規(guī)的抗疲勞設(shè)計方法在產(chǎn)品的壽命估算和產(chǎn)品抗疲勞設(shè)計方面都存在不足。
3 國外研究進(jìn)展
近年來，國外發(fā)達(dá)國家對橡膠減振制品的強(qiáng)度設(shè)計已由依據(jù)靜強(qiáng)度和無限壽命設(shè)計發(fā)展到了定量壽命設(shè)計，抗 疲勞設(shè)計中使用了“一體化耐久管理”的方法，疲勞試驗已經(jīng)采用隨機(jī)載荷譜或道路譜加載進(jìn)行。因為，用程序載荷譜加載的疲勞試驗一般只能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行合格檢驗或產(chǎn)品的性能對比，不能夠真正用于研究產(chǎn)品的壽命。采 用隨機(jī)載荷譜或道路譜就能消除程序載荷譜高低載荷的加載次序和各加載位置載荷相位差對構(gòu)件壽命的影響。能夠較為真實的模擬構(gòu)件所承受的載荷,使所得的試驗壽命能夠真實地反映運行壽命 [7，8] 。由于不能直接采集到制品的隨機(jī)載荷譜，只能采集到制品上某些點的應(yīng)變譜，所以，現(xiàn)代的疲勞試驗控制系統(tǒng)以這些應(yīng)變譜為控制參量，迭代產(chǎn)生用于加載的載荷譜，精 度一般在 5%以內(nèi)。并且，國外可以對采集的應(yīng)變譜進(jìn)行編輯，使編輯前后的信號產(chǎn)生的損傷分布基本一致，即真實的反映了使用壽命，又縮短了疲勞試驗時間。而國內(nèi)大多數(shù)的疲勞試驗還采用程序載荷譜，即使有的采用了道路譜，也不能合理的進(jìn)行編輯，只是用線形放大載荷信號或者用“等效”的常幅載荷信號來加載疲勞試驗的做法，不能準(zhǔn)確的反映使用壽命。
疲勞編輯的方法主要有：時域內(nèi)的疲勞編輯、頻域內(nèi)的疲勞編輯、直方圖編輯、設(shè)置循環(huán)幅門檻值、峰谷值抽取、設(shè)置 SWT 損傷門檻值等。其中，設(shè)置 SWT 損傷門檻值和直方圖編輯只能用于單通道的疲勞試驗，其它還可用于多通道。
德國的 Eckwerth 對機(jī)車車輛用橡膠件的壽命試驗進(jìn)行了研究 [9] 。他以 ICE2 的高速轉(zhuǎn)向架輪對轉(zhuǎn)向裝置的導(dǎo)向套為例，采用將道路譜信號編輯處理后變換成試驗臺的控制信號的方法，對其進(jìn)行了壽命預(yù)測研究。他認(rèn)為估算壽命的可靠性還不能與近似實際的結(jié)構(gòu)件試驗相媲美的主要原因是橡膠件有許多影響工作強(qiáng)度特性的參數(shù)。試驗臺壽命試驗的結(jié)論始終取決于所用負(fù)荷數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
德國的 CONTITECH 公司、英國的 LORD公司等均具有對橡膠減振制品進(jìn)行壽命預(yù)測的能力，但對外公開發(fā)表的資料較少。日本的畦田利夫等對車輛的減振部件空氣彈簧的使用壽命進(jìn)行了研究 [10]。 空 氣彈簧在車輛運行中承受復(fù)雜的振動載荷，部分是在太陽暴曬等惡劣條件下使用的，迫切需要實現(xiàn)壽命最大化。通過對氣囊橡膠試片的人工加速老化試驗，同時對實際使用的空氣彈簧的實用性能及氣囊物理性能的老化度的測試，可靠的評價了其使用壽命，確 認(rèn)了氣囊老化的因素，即以交變應(yīng)力為基礎(chǔ)，再以熱、紫外線等的氧化老化的復(fù)合，其 中紫外線比熱的影響要嚴(yán)重的多。
總之，國外橡膠減振制品壽命試驗的主要發(fā)展趨勢是：①始終用計算預(yù)估的概念來改善和補充經(jīng)驗得出的工作強(qiáng)度；② 原則上壽命試驗必須以測量結(jié)果為依據(jù)，測 量結(jié)果應(yīng)盡可能代表實際應(yīng)力狀態(tài)。而且無論如何必須知道試驗臺試驗和線路試驗走行公里數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系；③通過開發(fā)和有效地簡化數(shù)學(xué)描述，力求進(jìn)一步減少試驗時間；④力求今后的損壞等效試驗由多軸向試驗變換為單軸向試驗；⑤ 供貨商與機(jī)車車輛廠共同根據(jù)嚴(yán)格的現(xiàn)場測量，提供標(biāo)準(zhǔn)的試驗用負(fù)荷集合。
4 結(jié)語
我國對橡膠減振制品的研制起步較晚，沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的開發(fā)和研究，應(yīng)用規(guī)模及技術(shù)水平與國外相比還有較大差距。隨著橡膠減振制品工程應(yīng)用的日益廣泛，對 橡膠減振制品進(jìn)行疲勞壽命定量預(yù)測的要求會愈加急迫，我 們必須盡快引進(jìn)國外先進(jìn)的技術(shù)手段，包括使用軟件來仿真計算虛擬產(chǎn)品的抗疲勞設(shè)計，以提高壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫大剛，諸文農(nóng)，王永彬等。橡膠減振器疲勞試驗程序載荷譜的編制[J]，筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，1997，67(14)：1114
[2] 吳亞軍。橡膠減振器疲勞壽命與模具設(shè)計的關(guān)系[J]，特種橡膠制品，2001，3(22)：35-36
[3] 毛鯤鵬，鄒定強(qiáng)，楊維堅。DF11 型機(jī)車用橡膠球關(guān)節(jié)的研制[J]，內(nèi)燃機(jī)車，2002，9(343)：14
[4] 王雄兵，王旭永。橡膠彈性元件的試驗及數(shù)據(jù)分析[J]，電力機(jī)車與城軌車輛，2003，4(26)：56-59
[5] 史艷玲，王占華，劉育國。自裝卸掛車減振塊使用壽命的預(yù)測[J]，特種橡膠制品，2003，4(24)：4345
[6] 許斌，唐家祥。基礎(chǔ)隔振疊層橡膠支座耐久性試驗研究[J]，工程抗震，4：41-44
[7] 劉德剛，林 春虎。國 外疲勞研究及應(yīng)用領(lǐng)域的新發(fā)展[J]，鐵道車輛，2001，9(39)：11-12
[8] Eckwerth P.(德)機(jī)車車輛橡膠件的壽命試驗，變流技術(shù)與電力牽引，2003
[9] Ian M,Austen(英)，加速疲勞試驗的疲勞編輯技術(shù)[J]，中國機(jī)械工程，1998，9(11):27－30
[10] 畦田利夫(日本)。鐵 道車輛用空氣彈簧耐久性評價[J]，國外鐵道車輛，2002，1(39)：36-41
評論