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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V 型橡膠彈簧安裝于軸箱和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間，每 個(gè)輪對(duì)軸箱使用兩個(gè)V 形橡膠彈簧，它們將轉(zhuǎn)向架與輪對(duì)軸箱連接起來(lái)并承擔(dān)輪對(duì)導(dǎo)向作用，用于傳遞輪對(duì)的牽引力和制動(dòng)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(duì)主要減震性能的補(bǔ)充。對(duì)橡膠V型彈簧的疲勞壽命研究表明，試驗(yàn)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(yàn)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(dòng)次數(shù)為2×106相當(dāng)于實(shí)際運(yùn)行7×104公里，基本能驗(yàn)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(yàn)公式及化學(xué)反應(yīng)過(guò)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(lái)預(yù)測(cè)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(shí)，雖然剛度增加，但仍可工作一定時(shí)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(shí)，變 形值為4.35mm，為總高度的 6.21%，即以此計(jì)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(shí)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(guò) 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(yàn)所需時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)表2。
表 2 使用壽命與不同溫度下劣化試驗(yàn)所需時(shí)間(小時(shí)) 
總之，國(guó)內(nèi)在橡膠減振制品研制開(kāi)發(fā)方面的手段還比較落后，仍停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段。有 些制品的抗疲勞設(shè)計(jì)仍使用常規(guī)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法；有些制品只對(duì)可能的幾個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)或危險(xiǎn)截面使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，以計(jì)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(guò)程序加載的疲勞試驗(yàn)作為產(chǎn)品壽命合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果，有些通過(guò)了檢驗(yàn)的制品在使用過(guò)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(jià)值，造成了浪費(fèi)。這說(shuō)明常規(guī)的抗疲勞設(shè)計(jì)方法在產(chǎn)品的壽命估算和產(chǎn)品抗疲勞設(shè)計(jì)方面都存在不足。
3 國(guó)外研究進(jìn)展
近年來(lái)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)橡膠減振制品的強(qiáng)度設(shè)計(jì)已由依據(jù)靜強(qiáng)度和無(wú)限壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到了定量壽命設(shè)計(jì)，抗 疲勞設(shè)計(jì)中使用了“一體化耐久管理”的方法，疲勞試驗(yàn)已經(jīng)采用隨機(jī)載荷譜或道路譜加載進(jìn)行。因?yàn)?，用程序載荷譜加載的疲勞試驗(yàn)一般只能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行合格檢驗(yàn)或產(chǎn)品的性能對(duì)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(duì)構(gòu)件壽命的影響。能夠較為真實(shí)的模擬構(gòu)件所承受的載荷,使所得的試驗(yàn)壽命能夠真實(shí)地反映運(yùn)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(diǎn)的應(yīng)變譜，所以，現(xiàn)代的疲勞試驗(yàn)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(guó)外可以對(duì)采集的應(yīng)變譜進(jìn)行編輯，使編輯前后的信號(hào)產(chǎn)生的損傷分布基本一致，即真實(shí)的反映了使用壽命，又縮短了疲勞試驗(yàn)時(shí)間。而國(guó)內(nèi)大多數(shù)的疲勞試驗(yàn)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(hào)或者用“等效”的常幅載荷信號(hào)來(lái)加載疲勞試驗(yàn)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(shí)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(yàn)，其它還可用于多通道。
德國(guó)的 Eckwerth 對(duì)機(jī)車車輛用橡膠件的壽命試驗(yàn)進(jìn)行了研究 [9] 。他以 ICE2 的高速轉(zhuǎn)向架輪對(duì)轉(zhuǎn)向裝置的導(dǎo)向套為例，采用將道路譜信號(hào)編輯處理后變換成試驗(yàn)臺(tái)的控制信號(hào)的方法，對(duì)其進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)研究。他認(rèn)為估算壽命的可靠性還不能與近似實(shí)際的結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)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(yàn)臺(tái)壽命試驗(yàn)的結(jié)論始終取決于所用負(fù)荷數(shù)據(jù)的質(zhì)量。
德國(guó)的 CONTITECH 公司、英國(guó)的 LORD公司等均具有對(duì)橡膠減振制品進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)的能力，但對(duì)外公開(kāi)發(fā)表的資料較少。日本的畦田利夫等對(duì)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(yùn)行中承受復(fù)雜的振動(dòng)載荷，部分是在太陽(yáng)暴曬等惡劣條件下使用的，迫切需要實(shí)現(xiàn)壽命最大化。通過(guò)對(duì)氣囊橡膠試片的人工加速老化試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)實(shí)際使用的空氣彈簧的實(shí)用性能及氣囊物理性能的老化度的測(cè)試，可靠的評(píng)價(jià)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(guó)外橡膠減振制品壽命試驗(yàn)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：①始終用計(jì)算預(yù)估的概念來(lái)改善和補(bǔ)充經(jīng)驗(yàn)得出的工作強(qiáng)度；② 原則上壽命試驗(yàn)必須以測(cè)量結(jié)果為依據(jù)，測(cè) 量結(jié)果應(yīng)盡可能代表實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。而且無(wú)論如何必須知道試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)和線路試驗(yàn)走行公里數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；③通過(guò)開(kāi)發(fā)和有效地簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)描述，力求進(jìn)一步減少試驗(yàn)時(shí)間；④力求今后的損壞等效試驗(yàn)由多軸向試驗(yàn)變換為單軸向試驗(yàn)；⑤ 供貨商與機(jī)車車輛廠共同根據(jù)嚴(yán)格的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，提供標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)用負(fù)荷集合。
4 結(jié)語(yǔ)
我國(guó)對(duì)橡膠減振制品的研制起步較晚，沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研究，應(yīng)用規(guī)模及技術(shù)水平與國(guó)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(duì) 橡膠減振制品進(jìn)行疲勞壽命定量預(yù)測(cè)的要求會(huì)愈加急迫，我 們必須盡快引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)手段，包括使用軟件來(lái)仿真計(jì)算虛擬產(chǎn)品的抗疲勞設(shè)計(jì)，以提高壽命預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。
參考文獻(xiàn)
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評(píng)論