CRH2系列動(dòng)車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器失效分析

張晉偉　吳剛　杜利清

【摘 要】為研究CRH2系列動(dòng)車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器的失效原因，通過(guò)動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)對(duì)橡膠緩沖器的失效狀態(tài)進(jìn)行了再現(xiàn)。試驗(yàn)表明，老化因素是造成橡膠緩沖器失效的主要原因。本文的研究結(jié)果將為橡膠緩沖器的改進(jìn)提供重要的研究依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】緩沖器；車鉤緩沖裝置；動(dòng)車組

0 概述

CRH2系列動(dòng)車組是國(guó)內(nèi)的主力動(dòng)車組車型之一，與其它動(dòng)車組車型相比，其檢修周期較短，返廠大修頻次較高，給主機(jī)企業(yè)及配套廠家?guī)?lái)了較大的生產(chǎn)壓力。若能通過(guò)技術(shù)改進(jìn)延長(zhǎng)動(dòng)車組檢修周期，將大大減輕生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)壓力。

按照現(xiàn)有技術(shù)，延長(zhǎng)CRH2系列動(dòng)車組檢修周期的最大障礙是其車鉤緩沖裝置必須在運(yùn)行120萬(wàn)公里（約3年）后返廠分解更換橡膠緩沖器。因此，研究橡膠緩沖器失效原因，對(duì)延長(zhǎng)橡膠緩沖器的使用壽命及CRH2系列動(dòng)車組的檢修周期有重要意義。

1 橡膠緩沖器功能

CRH2系列動(dòng)車組車鉤緩沖裝置用于連接動(dòng)車組車廂并吸收運(yùn)行過(guò)程中車廂間的沖擊能量，其中能量吸收元件即為橡膠緩沖器。每套車鉤緩沖裝置包含2組橡膠緩沖器，如圖1所示，橡膠緩沖器1用于吸收拉伸方向的沖擊能量，橡膠緩沖器2用于吸收壓縮方向的沖擊能量。

2 橡膠緩沖器失效原因分析

從橡膠緩沖器的檢修情況看，現(xiàn)有橡膠緩沖器報(bào)廢的主要原因是橡膠緩沖器在運(yùn)行120萬(wàn)公里（約3年）后自由高度下降，超出其最低使用限度無(wú)法繼續(xù)使用。橡膠緩沖器1和橡膠緩沖器2失效后自由高的統(tǒng)計(jì)平均值分別為152.4mm和212.2mm。

根據(jù)橡膠緩沖器的受力方式、應(yīng)用環(huán)境及橡膠材料的特性，造成橡膠緩沖器自由高度下降可能的原因主要有兩個(gè)方面，一是交變動(dòng)態(tài)拉壓載荷，二是環(huán)境因素造成的橡膠材料老化。為找到造成橡膠緩沖器自由高度下降的主要原因，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下通過(guò)動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)分別模擬橡膠緩沖器受到的交變動(dòng)態(tài)拉壓載荷及由環(huán)境因素造成的橡膠材料老化。

2.1 動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)

動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下模擬橡膠緩沖器的受力狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行最大載荷連續(xù)加載，再現(xiàn)橡膠緩沖器運(yùn)行120萬(wàn)公里后的劣化狀態(tài)，以判斷交變動(dòng)態(tài)拉壓載荷是否為造成橡膠緩沖器自由高度下降的最主要原因。

CRH2系列動(dòng)車組車鉤緩沖裝置組裝完成后的預(yù)壓力約為60kN，在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)測(cè)的最大車鉤力約為100kN。在橡膠緩沖器的動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)過(guò)程中，采用1Hz的頻率對(duì)橡膠緩沖器進(jìn)行500萬(wàn)次重復(fù)拉壓加載，每完成100萬(wàn)次加載后將橡膠緩沖器拆下靜置24h，測(cè)量并記錄其自由高。當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)分別為0萬(wàn)次、100萬(wàn)次、200萬(wàn)次、300萬(wàn)次、400萬(wàn)次、500萬(wàn)次時(shí)，橡膠緩沖器1的自由高分別為168.38mm、165.18mm、164.99mm、164.52mm、163.23mm、163.20mm；橡膠緩沖器2的自由高分別為231.80mm、230.26mm、229.91mm、228.93mm、228.52mm、228.50mm。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，橡膠緩沖器在在耐久試驗(yàn)過(guò)程中自由高度有明顯下降，但在加載300萬(wàn)次后，自由高度已趨于穩(wěn)定，且高度遠(yuǎn)大于橡膠緩沖器失效后的統(tǒng)計(jì)平均值，未能再現(xiàn)橡膠緩沖器運(yùn)行120萬(wàn)公里后的劣化狀態(tài)。

因此，交變動(dòng)態(tài)拉壓載荷不是橡膠緩沖器失效的主要原因。

2.2 熱老化試驗(yàn)

熱老化試驗(yàn)通過(guò)在高溫環(huán)境下模擬橡膠緩沖器的老化過(guò)程，記錄橡膠緩沖器自由高度的變化傾向，利用阿倫尼烏斯方程推算橡膠緩沖器自由高度達(dá)到失效統(tǒng)計(jì)平均值所需時(shí)間，判斷由環(huán)境因素造成的橡膠材料老化是否為橡膠緩沖器失效的主要原因。

橡膠緩沖器1和橡膠緩沖器2的結(jié)構(gòu)和橡膠膠料完全相同，僅自由高不同，因此本試驗(yàn)選用使用量相對(duì)較大的橡膠緩沖器2作為研究對(duì)象。

根據(jù)橡膠緩沖器實(shí)際運(yùn)用工況，熱老化試驗(yàn)時(shí)將橡膠緩沖器2安裝于試驗(yàn)工裝，通過(guò)試驗(yàn)工裝對(duì)其施加約60kN的預(yù)壓力，然后整體靜置于高溫環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)分別將3組橡膠緩沖器2置于3個(gè)高溫環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，試驗(yàn)溫度分別為50℃、70℃、100℃，試驗(yàn)時(shí)間約為1500h-2000h，在相同的時(shí)間間隔時(shí)將橡膠緩沖器取出靜置24小時(shí)后測(cè)量并記錄其自由高。

通過(guò)記錄橡膠緩沖器2在各溫度下高度變化數(shù)據(jù)，并用圖表表示50℃、70℃、100℃情況下橡膠緩沖器2自由高與老化時(shí)間關(guān)系，利用阿倫尼烏斯方程推算出橡膠緩沖器2在常溫（23℃）環(huán)境下自由高與老化時(shí)間的關(guān)系。根據(jù)阿倫尼烏斯方程推算結(jié)果，當(dāng)橡膠緩沖器在常溫（23℃）下達(dá)到212.2mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的時(shí)間約為3.1年，與橡膠緩沖器2的實(shí)際應(yīng)用情況（約3年）相符，達(dá)到了膠緩沖器運(yùn)行120萬(wàn)公里（約3年）后的劣化狀態(tài)。

因此，由環(huán)境因素造成的橡膠材料老化是橡膠緩沖器失效的主要原因。

3 結(jié)論

隨著國(guó)內(nèi)高鐵檢修技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品性能，進(jìn)一步延長(zhǎng)產(chǎn)品檢修周期將是動(dòng)車組車鉤緩沖裝置的發(fā)展方向之一。本文通過(guò)對(duì)CRH2系列動(dòng)車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器檢修數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，并采用動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)的方式對(duì)橡膠緩沖器失效原因進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，橡膠緩沖器失效（自由高度下降超標(biāo)）是動(dòng)載荷和老化因素共同作用的結(jié)果，但老化因素是造成橡膠緩沖器自由高下降超標(biāo)的主要原因。該研究結(jié)果將為后期橡膠緩沖器的改進(jìn)提供重要依據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]