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疲勞試驗在橡膠減振制品壽命預測中的應用
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時(shí)間：2013-06-08
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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橡膠減振制品具有制品彈性參數可調、可以衰減和吸收高頻振動(dòng)和噪聲、沖擊剛度大于動(dòng)剛度和靜剛度以及體積小、重量輕、免維護等優(yōu)點(diǎn)，故可以取代傳統金屬彈簧和摩擦阻尼裝置。國外此類(lèi)產(chǎn)品的應用非常廣泛，但在國內還處于引進(jìn)與仿制階段。由于，橡膠減振制品通常是在周期應力狀態(tài)下使用的，所以，橡膠減振制品的耐疲勞特性與其使用壽命密切相關(guān)。最可靠的辦法是在實(shí)際使用條件下對實(shí)物進(jìn)行評價(jià)，但這需要較長(cháng)的試驗時(shí)間和昂貴的費用。目前，預測橡膠減振制品疲勞壽命方法有虛擬分析和疲勞試驗，而使用軟件來(lái)仿真計算產(chǎn)品的使用壽命，并不能代替疲勞試驗，產(chǎn)品疲勞可靠性最終要通過(guò)疲勞試驗來(lái)檢驗。因此，如何準確的通過(guò)疲勞試驗來(lái)預測橡膠減振制品的疲勞壽命，對于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、節省資金，最終研制出性能滿(mǎn)足使用要求的高技術(shù)含量的產(chǎn)品有重要意義。
1 橡膠減振制品疲勞失效的判斷準則
1.1 制品靜剛度損失率
橡膠減振制品是國內外目前應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(xiàn)的特點(diǎn)為在循環(huán)次數超過(guò)10 7 次后，曲線(xiàn)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(shí)才終止試驗，即當試驗進(jìn)行到一定次數后，對制品進(jìn)行性能檢驗，如滿(mǎn)足要求，即認為壽命達到設計要求。橡膠材料的彈性模量在使用過(guò)程中會(huì )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(guò)程中對制品的剛度進(jìn)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(diǎn)，因此橡膠產(chǎn)品在使用過(guò)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(guò)大將直接影響車(chē)輛的運行安全，因此，為了確保整車(chē)高度的均衡性與安全性，必須對橡膠減振制品進(jìn)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使用，但當永久變形影響產(chǎn)品與其它部件的連接時(shí)，則應采取措施，加以調整。比如火車(chē)一系金屬－橡膠復合錐形彈簧，當產(chǎn)品發(fā)生蠕變，產(chǎn)品的高度會(huì )下降。由于產(chǎn)品是用于機車(chē)車(chē)輛的一系懸掛，因此車(chē)體和車(chē)鉤的高度也會(huì )隨之下降，從而影響前后車(chē)輛的連接。對于此種情況，必須加調整墊片，以調整產(chǎn)品的高度。當調整墊片不足以調整時(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?chē)乐赜绊懼破返钠趬勖?，而溫度過(guò)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，對于橡膠材料，當 表面溫升大于 20℃時(shí)，材料開(kāi)始破壞。
橡膠是導熱性差的材料，當生成的熱量高于散發(fā)的熱量時(shí)，會(huì )使內部的溫度上升，這種現象隨振動(dòng)頻率的加大而愈加嚴重。因此，大多數橡膠材料疲勞試驗的頻率均控制在 0.5Hz 左右，但試驗頻率應取何值才能達到既節省時(shí)間又不會(huì )發(fā)生過(guò)高溫升，在橡膠減振制品試驗標準中均無(wú)具體規定，需根據橡膠減振制品的使用場(chǎng)合、要求、經(jīng)試驗方可確定。
2 國內研究進(jìn)展
國內在壽命預測研究領(lǐng)域，對 金屬類(lèi)線(xiàn)性材料制品研究比較成熟，而 對橡膠或橡膠－金屬相結合的非線(xiàn)性類(lèi)制品研究還剛起步。
目前，鐵道車(chē)輛用減振降噪部件的驗收都是通過(guò)做程序載荷譜加載的疲勞試驗來(lái)確定。如 TB/T2843-1997，TB/T2589-1995，TB/T2841-1997，GB/T13061-91 等標準所規定的試驗方法。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(jìn)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(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)次數為 105(總疲勞試驗次數為2×106)。為了加快試驗進(jìn)程，對試驗程序進(jìn)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(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。當把各級載荷均擴大了 42%后，總疲勞次數為強化前的 1/10，即 2×10 5次，大大縮短了試驗時(shí)間。
無(wú)錫中策的吳亞軍對橡膠減振器疲勞壽命與模具設計的關(guān)系進(jìn)行了研究 [2] ，分析了橡膠模壓注孔開(kāi)設位置對產(chǎn)品粘接、疲勞性能產(chǎn)生影響的原因，認為壓注孔的開(kāi)設應盡量減少型腔內膠料流經(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(mǎn)。
鐵科院金化所的毛鯤鵬對DF11型機車(chē)用橡膠球關(guān)節進(jìn)行了研究 [3] 。通過(guò)對膠料的配方試驗和產(chǎn)品的動(dòng)靜態(tài)試驗的全面研究，發(fā)現膠料的壓縮疲勞生熱性能直接影響到橡膠球關(guān)節的使用壽命，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)節三瓣之間的縫隙對制品的靜剛度有較大影響，比 較將銷(xiāo)軸直接壓到縫隙上和一整瓣處的試驗結果表明，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210 萬(wàn)次的橡膠球關(guān)節可以實(shí)際運行 40 萬(wàn)公里，疲勞次數超過(guò) 620 萬(wàn)次的橡膠球關(guān)節可以實(shí)際運行 100 萬(wàn)公里，滿(mǎn)足了鐵道部一個(gè)大修期的使用要求。表1 為兩種球關(guān)節疲勞試驗結果。其 中2#的使用壽命為40 萬(wàn)公里。
表 1 為兩種球關(guān)節疲勞試驗結果
疲勞次數/萬(wàn)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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