疲劳试验在橡胶减振制品寿命预测中的应用 - 文章

疲劳试验在橡胶减振制品寿命预测中的应用

作者：王进左国兵

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摘要：橡胶减振制品同时具有承载和缓和冲击的作用，由于体积小、重量轻、免维护等优点，故可以取代传统的金属弹簧和摩擦阻尼装置。橡胶减振制品的耐疲劳特性严重影响其使用寿命，本文综述了橡胶减振制品疲劳失效的判断准则和疲劳试验在使用寿命预测中的应用，以及国内外在橡胶减振制品寿命预测方面的研究进展。
关键词：橡胶减振制品；疲劳失效；寿命预测

橡胶减振制品具有制品弹性参数可调、可以衰减和吸收高频振动和噪声、冲击刚度大于动刚度和静刚度以及体积小、重量轻、免维护等优点，故可以取代传统金属弹簧和摩擦阻尼装置。国外此类产品的应用非常广泛，但在国内还处于引进与仿制阶段。由于，橡胶减振制品通常是在周期应力状态下使用的，所以，橡胶减振制品的耐疲劳特性与其使用寿命密切相关。最可靠的办法是在实际使用条件下对实物进行评价，但这需要较长的试验时间和昂贵的费用。目前，预测橡胶减振制品疲劳寿命方法有虚拟分析和疲劳试验，而使用软件来仿真计算产品的使用寿命，并不能代替疲劳试验，产品疲劳可靠性最终要通过疲劳试验来检验。因此，如何准确的通过疲劳试验来预测橡胶减振制品的疲劳寿命，对于缩短产品开发周期、节省资金，最终研制出性能满足使用要求的高技术含量的产品有重要意义。

1 橡胶减振制品疲劳失效的判断准则

1.1 制品静刚度损失率

橡胶减振制品是国内外目前应用最为广泛的减振降噪装置，在轨道交通中占总量的 90％以上(按产值计算)，主要起承载、悬挂、牵引、隔振和缓冲的作用，所以刚度是橡胶减振制品的关键特性之一。橡胶减振制品的疲劳曲线的特点为在循环次数超过10 7 次后，曲线也并不一定水平，所以，疲劳试验并不要求制品直到疲劳破坏时才终止试验，即当试验进行到一定次数后，对制品进行性能检验，如满足要求，即认为寿命达到设计要求。橡胶材料的弹性模量在使用过程中会不断下降，往往在发生破坏前，其强度就已降到不足以承受额定载荷的程度，因此，必须在疲劳使用过程中对制品的刚度进行检验，以掌握失效程度。静刚度的损失率计算公式为：

ΔK=[(K2-K1)/K1]×100%

式中ΔK 为静刚度损失率；K1、K2 分别为疲劳前后的静刚度值。

1.2 制品变形量

蠕变是橡胶产品的特点，因此橡胶产品在使用过一段时间后，在其受力方向会产生永久变形，从而改变产品的部分尺寸。若产品的蠕变量过大将直接影响车辆的运行安全，因此，为了确保整车高度的均衡性与安全性，必须对橡胶减振制品进行疲劳试验后的自由高检测。在不影响产品使用性能的前提下，任何橡胶产品都允许在有一定的永久变形的情况下继续使用，但当永久变形影响产品与其它部件的连接时，则应采取措施，加以调整。比如火车一系金属－橡胶复合锥形弹簧，当产品发生蠕变，产品的高度会下降。由于产品是用于机车车辆的一系悬挂，因此车体和车钩的高度也会随之下降，从而影响前后车辆的连接。对于此种情况，必须加调整垫片，以调整产品的高度。当调整垫片不足以调整时，必须更换产品。

1.3 橡胶材料的温升

橡胶材料的耐疲劳性能严重影响制品的疲劳寿命，而温度过高是橡胶发生破坏的重要因素。温升与载荷幅值、振动频率、胶料配方以及散热条件等有关。有研究表明，对于橡胶材料，当表面温升大于 20℃时，材料开始破坏。

橡胶是导热性差的材料，当生成的热量高于散发的热量时，会使内部的温度上升，这种现象随振动频率的加大而愈加严重。因此，大多数橡胶材料疲劳试验的频率均控制在 0.5Hz 左右，但试验频率应取何值才能达到既节省时间又不会发生过高温升，在橡胶减振制品试验标准中均无具体规定，需根据橡胶减振制品的使用场合、要求、经试验方可确定。

2 国内研究进展

国内在寿命预测研究领域，对金属类线性材料制品研究比较成熟，而对橡胶或橡胶－金属相结合的非线性类制品研究还刚起步。

目前，铁道车辆用减振降噪部件的验收都是通过做程序载荷谱加载的疲劳试验来确定。如 TB/T2843-1997，TB/T2589-1995，TB/T2841-1997，GB/T13061-91 等标准所规定的试验方法。太原重型机械工程学院的孙大刚对大型履带式拖拉机链轮橡胶减振器疲劳试验程序载荷谱进行了研究 [1] 。该程序载荷谱的载荷分为 8 级，并把试验载荷按低-高-低的次序进行排列，同时把总程序分成20 个子程序进行循环，每个子程序的循环次数为 10⁵(总疲劳试验次数为2×10⁶)。为了加快试验进程，对试验程序进行了提高试验频率、加大载荷幅值的强化程序。较大载荷下(≥53KN)的振动频率为 0.5Hz，较小载荷下( <53KN)的振动频率可以加快至( 1~3)Hz。当把各级载荷均扩大了 42%后，总疲劳次数为强化前的 1/10，即 2×10 ⁵次，大大缩短了试验时间。

无锡中策的吴亚军对橡胶减振器疲劳寿命与模具设计的关系进行了研究 [2] ，分析了橡胶模压注孔开设位置对产品粘接、疲劳性能产生影响的原因，认为压注孔的开设应尽量减少型腔内胶料流经关键部位处的流动量，即尽量减少关键部位的胶粘剂流失，并尽可能使得各个型腔同时得到充满。

铁科院金化所的毛鲲鹏对DF11型机车用橡胶球关节进行了研究 [3] 。通过对胶料的配方试验和产品的动静态试验的全面研究，发现胶料的压缩疲劳生热性能直接影响到橡胶球关节的使用寿命，采用合适的硫化体系和补强体系可以获得很好的耐疲劳性能。另外，橡胶球关节三瓣之间的缝隙对制品的静刚度有较大影响，比较将销轴直接压到缝隙上和一整瓣处的试验结果表明，压缝时的静刚度比不压缝时的静刚度小了2KN/mm。疲劳试验表明，采用正弦波，18Hz，最大和最小载荷分别为 42.5KN 和 10KN 的试验条件下，疲劳次数210 万次的橡胶球关节可以实际运行 40 万公里，疲劳次数超过 620 万次的橡胶球关节可以实际运行 100 万公里，满足了铁道部一个大修期的使用要求。表1 为两种球关节疲劳试验结果。其中2#的使用寿命为40 万公里。

表 1 为两种球关节疲劳试验结果
疲劳次数/万次 1# 2#
38.47 正常正常
59.01 正常正常
135.88 正常正常
216 正常受压处橡胶下方脱出外圈3mm
286 正常受压处橡胶下方脱出外圈10mm
295.83 正常，受压处橡胶温度36℃ 受压处橡胶温度39℃
352 正常，受压处橡胶温度36℃ 脱出25mm，橡胶温度39℃
433 正常，受压处橡胶温度36℃ 脱出30mm，橡胶温度39℃
495 正常，受压处橡胶温度36℃ 脱出32mm，橡胶温度39℃
582 正常，受压处橡胶温度36℃ 脱出34mm，橡胶温度39℃
624 脱出2mm，橡胶温度39℃ 脱出35mm，橡胶温度39℃
740 脱出3mm，橡胶温度39℃ 脱出36mm，橡胶温度39℃
799 脱出3mm，橡胶温度39℃ 脱出38mm，橡胶温度39℃
890 脱出4mm，橡胶温度39℃ 脱出40mm，橡胶温度39℃
946 脱出5mm，橡胶温度39℃ 脱出41mm，橡胶温度39℃
1081 脱出6mm，橡胶温度39℃ 脱出43mm，橡胶温度39℃

V 型橡胶弹簧安装于轴箱和转向架构架之间，每个轮对轴箱使用两个V 形橡胶弹簧，它们将转向架与轮对轴箱连接起来并承担轮对导向作用，用于传递轮对的牵引力和制动力；并在垂直方向给车体以弹性支撑；在列车的纵向和横向提供柔性连接和限位的作用，是对主要减震性能的补充。对橡胶V型弹簧的疲劳寿命研究表明，试验的频率和交变载荷的均值是影响其疲劳寿命的主要因素 [4] 。疲劳试验的频率为 2Hz，载荷均值为 V 型弹簧的额定工作载荷的条件下，振动次数为2×10⁶相当于实际运行7×10⁴公里，基本能验证出 V 型弹簧的抗疲劳性能。目前，一般认为，V 型弹簧的刚度变化率在-10%~10%之间是满足使用要求的。

铁岭橡胶工业研究所的史艳玲等根据橡胶恒定压缩永久变形的经验公式及化学反应过程中反应速度常数与温度的关系服从阿仑尼乌斯方程，用不同温度下橡胶减振块胶料的恒定压缩永久变形的变化规律来预测橡胶减振块使用寿命 [5] 。N R 橡胶减振块的压缩永久变形量不大于总高度的(6~7)%时，虽然刚度增加，但仍可工作一定时间。该减振块的工作变形量为 14.5mm，因此当其压缩永久变形量为30%时，变形值为4.35mm，为总高度的 6.21%，即以此计算，在等效温度 25℃下，压缩永久变形值为 4.35mm(工作变形 30%)的时间为 3.2 年。

基础隔振叠层橡胶支座是建筑结构地震防护的一种新方法，要求其使用寿命不小于上部结构的使用年限，也就是超过 50 年。许斌等采用热空气老化的方法研究了橡胶支座的使用寿命 [6] ，产品的使用寿命与不同温度下劣化试验所需时间的关系见表2。

表 2 使用寿命与不同温度下劣化试验所需时间(小时)

另外，通过比较 80℃下劣化现象对橡胶支座产品和橡胶试片的水平刚度的影响，发现由于橡胶支座产品中钢板使橡胶大面积与空气隔离，提高了橡胶的使用寿命。

总之，国内在橡胶减振制品研制开发方面的手段还比较落后，仍停留在经验设计和静强度设计阶段。有些制品的抗疲劳设计仍使用常规的无限寿命设计方法；有些制品只对可能的几个危险点或危险截面使用经验公式进行疲劳强度校核，以计算所得的安全系数不小于许用的安全系数作疲劳强度的判据，以通过程序加载的疲劳试验作为产品寿命合格的判断标准。结果，有些通过了检验的制品在使用过程中发生了疲劳失效，造成了严重的经济损失。有些产品并未失效就根据维修规程早早的进行了更换，未充分发挥产品的使用价值，造成了浪费。这说明常规的抗疲劳设计方法在产品的寿命估算和产品抗疲劳设计方面都存在不足。

3 国外研究进展

近年来，国外发达国家对橡胶减振制品的强度设计已由依据静强度和无限寿命设计发展到了定量寿命设计，抗疲劳设计中使用了“一体化耐久管理”的方法，疲劳试验已经采用随机载荷谱或道路谱加载进行。因为，用程序载荷谱加载的疲劳试验一般只能够对产品进行合格检验或产品的性能对比，不能够真正用于研究产品的寿命。采用随机载荷谱或道路谱就能消除程序载荷谱高低载荷的加载次序和各加载位置载荷相位差对构件寿命的影响。能够较为真实的模拟构件所承受的载荷,使所得的试验寿命能够真实地反映运行寿命 [7，8] 。由于不能直接采集到制品的随机载荷谱，只能采集到制品上某些点的应变谱，所以，现代的疲劳试验控制系统以这些应变谱为控制参量，迭代产生用于加载的载荷谱，精度一般在 5%以内。并且，国外可以对采集的应变谱进行编辑，使编辑前后的信号产生的损伤分布基本一致，即真实的反映了使用寿命，又缩短了疲劳试验时间。而国内大多数的疲劳试验还采用程序载荷谱，即使有的采用了道路谱，也不能合理的进行编辑，只是用线形放大载荷信号或者用“等效”的常幅载荷信号来加载疲劳试验的做法，不能准确的反映使用寿命。

疲劳编辑的方法主要有：时域内的疲劳编辑、频域内的疲劳编辑、直方图编辑、设置循环幅门槛值、峰谷值抽取、设置 SWT 损伤门槛值等。其中，设置 SWT 损伤门槛值和直方图编辑只能用于单通道的疲劳试验，其它还可用于多通道。

德国的 Eckwerth 对机车车辆用橡胶件的寿命试验进行了研究 [9] 。他以 ICE2 的高速转向架轮对转向装置的导向套为例，采用将道路谱信号编辑处理后变换成试验台的控制信号的方法，对其进行了寿命预测研究。他认为估算寿命的可靠性还不能与近似实际的结构件试验相媲美的主要原因是橡胶件有许多影响工作强度特性的参数。试验台寿命试验的结论始终取决于所用负荷数据的质量。

德国的 CONTITECH 公司、英国的 LORD公司等均具有对橡胶减振制品进行寿命预测的能力，但对外公开发表的资料较少。日本的畦田利夫等对车辆的减振部件空气弹簧的使用寿命进行了研究 [10]。空气弹簧在车辆运行中承受复杂的振动载荷，部分是在太阳暴晒等恶劣条件下使用的，迫切需要实现寿命最大化。通过对气囊橡胶试片的人工加速老化试验，同时对实际使用的空气弹簧的实用性能及气囊物理性能的老化度的测试，可靠的评价了其使用寿命，确认了气囊老化的因素，即以交变应力为基础，再以热、紫外线等的氧化老化的复合，其中紫外线比热的影响要严重的多。

总之，国外橡胶减振制品寿命试验的主要发展趋势是：①始终用计算预估的概念来改善和补充经验得出的工作强度；② 原则上寿命试验必须以测量结果为依据，测量结果应尽可能代表实际应力状态。而且无论如何必须知道试验台试验和线路试验走行公里数之间的对应关系；③通过开发和有效地简化数学描述，力求进一步减少试验时间；④力求今后的损坏等效试验由多轴向试验变换为单轴向试验；⑤ 供货商与机车车辆厂共同根据严格的现场测量，提供标准的试验用负荷集合。

4 结语

我国对橡胶减振制品的研制起步较晚，没有进行过系统的开发和研究，应用规模及技术水平与国外相比还有较大差距。随着橡胶减振制品工程应用的日益广泛，对橡胶减振制品进行疲劳寿命定量预测的要求会愈加急迫，我们必须尽快引进国外先进的技术手段，包括使用软件来仿真计算虚拟产品的抗疲劳设计，以提高寿命预测的准确性。

参考文献
[1] 孙大刚，诸文农，王永彬等。橡胶减振器疲劳试验程序载荷谱的编制[J]，筑路机械与施工机械化，1997，67(14)：1114
[2] 吴亚军。橡胶减振器疲劳寿命与模具设计的关系[J]，特种橡胶制品，2001，3(22)：35-36
[3] 毛鲲鹏，邹定强，杨维坚。DF11 型机车用橡胶球关节的研制[J]，内燃机车，2002，9(343)：14
[4] 王雄兵，王旭永。橡胶弹性元件的试验及数据分析[J]，电力机车与城轨车辆，2003，4(26)：56-59
[5] 史艳玲，王占华，刘育国。自装卸挂车减振块使用寿命的预测[J]，特种橡胶制品，2003，4(24)：4345
[6] 许斌，唐家祥。基础隔振叠层橡胶支座耐久性试验研究[J]，工程抗震，4：41-44
[7] 刘德刚，林春虎。国外疲劳研究及应用领域的新发展[J]，铁道车辆，2001，9(39)：11-12
[8] Eckwerth P.(德)机车车辆橡胶件的寿命试验，变流技术与电力牵引，2003
[9] Ian M,Austen(英)，加速疲劳试验的疲劳编辑技术[J]，中国机械工程，1998，9(11):27－30
[10] 畦田利夫(日本)。铁道车辆用空气弹簧耐久性评价[J]，国外铁道车辆，2002，1(39)：36-41

作者简介：王进(1972)，
女，山东青岛人，高分子化学与物理专业博士，高级工程师，株洲时代新材料科技股份有限公司检测中心主任，从事高分子材料及其制品的研究与测试工作。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/7/2006)


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