疲勞試驗在橡膠減振制品壽命預(yù)測中的應(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，疲勞試驗并不要求制品直到疲勞破壞時才終止試驗，即當(dāng)試驗進行到一定次數(shù)后，對制品進行性能檢驗，如滿足要求，即認(rèn)為壽命達到設(shè)計要求。橡膠材料的彈性模量在使用過程中會不斷下降，往往在發(fā)生破壞前，其強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制品的剛度進行檢驗，以掌握失效程度。靜剛度的損失率計算公式為：
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，因此橡膠產(chǎn)品在使用過一段時間后，在其受力方向會產(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行安全，因此，為了確保整車高度的均衡性與安全性，必須對橡膠減振制品進行疲勞試驗后的自由高檢測。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，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)品的高度會下降。由于產(chǎn)品是用于機車車輛的一系懸掛，因此車體和車鉤的高度也會隨之下降，從而影響前后車輛的連接。對于此種情況，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，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、振動頻率、膠料配方以及散熱條件等有關(guān)。有研究表明，對于橡膠材料，當(dāng) 表面溫升大于 20℃時，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，會使內(nèi)部的溫度上升，這種現(xiàn)象隨振動頻率的加大而愈加嚴(yán)重。因此，大多數(shù)橡膠材料疲勞試驗的頻率均控制在 0.5Hz 左右，但試驗頻率應(yīng)取何值才能達到既節(jié)省時間又不會發(fā)生過高溫升，在橡膠減振制品試驗標(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合、要求、經(jīng)試驗方可確定。
2 國內(nèi)研究進展
國內(nèi)在壽命預(yù)測研究領(lǐng)域，對 金屬類線性材料制品研究比較成熟，而 對橡膠或橡膠－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收都是通過做程序載荷譜加載的疲勞試驗來確定。如 TB/T2843-1997，TB/T2589-1995，TB/T2841-1997，GB/T13061-91 等標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗方法。太原重型機械工程學(xué)院的孫大剛對大型履帶式拖拉機鏈輪橡膠減振器疲勞試驗程序載荷譜進行了研究 [1] 。該程序載荷譜的載荷分為 8 級，并把試驗載荷按低-高-低的次序進行排列，同時把總程序分成20 個子程序進行循環(huán)，每 個子程序的循環(huán)次數(shù)為 105(總疲勞試驗次數(shù)為2×106)。為了加快試驗進程，對試驗程序進行了提高試驗頻率、加大載荷幅值的強化程序。較大載荷下(≥53KN)的振動頻率為 0.5Hz，較小載荷下( 53KN)的 振動頻率可以加快至( 1~3)Hz。當(dāng)把各級載荷均擴大了 42%后，總疲勞次數(shù)為強化前的 1/10，即 2×10 5次，大大縮短了試驗時間。
無錫中策的吳亞軍對橡膠減振器疲勞壽命與模具設(shè)計的關(guān)系進行了研究 [2] ，分析了橡膠模壓注孔開設(shè)位置對產(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，并盡可能使得各個型腔同時得到充滿。
鐵科院金化所的毛鯤鵬對DF11型機車用橡膠球關(guān)節(jié)進行了研究 [3] 。通過對膠料的配方試驗和產(chǎn)品的動靜態(tài)試驗的全面研究，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強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結(jié)果表明，壓縫時的靜剛度比不壓縫時的靜剛度小了2KN/mm。疲勞試驗表明，采用正弦波，18Hz，最大和最小載荷分別為 42.5KN 和 10KN 的試驗條件下，疲勞次數(shù)210 萬次的橡膠球關(guān)節(jié)可以實際運行 40 萬公里，疲勞次數(shù)超過 620 萬次的橡膠球關(guān)節(jié)可以實際運行 100 萬公里，滿足了鐵道部一個大修期的使用要求。表1 為兩種球關(guān)節(jié)疲勞試驗結(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℃
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