單軌止擋橡膠開裂故障分析及改進措施

于忠建，韓俊臣，高純友

（中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062）

軌道車輛中央懸掛裝置用橫向止擋限制車輛直線運行和曲線通過時車體相對于轉(zhuǎn)向架過大的橫向位移，縱向止擋限制車體相對于轉(zhuǎn)向架過大的縱向位移，并傳遞車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力[1]。典型的止擋由橡膠、金屬板、調(diào)整墊及止擋座組成，是金屬與橡膠疊層粘合構(gòu)成的整體構(gòu)件。止擋安裝在構(gòu)架的止擋座上，與中心銷或中心銷座之間預(yù)留一定的自由間隙。金屬與橡膠是兩種不同性質(zhì)的材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能差別較大，因此，高強度的粘合意味著產(chǎn)品能獲得相對穩(wěn)定的性能。

重慶單軌3號線部分車輛轉(zhuǎn)向架橫向和縱向止擋橡膠出現(xiàn)開裂問題，經(jīng)現(xiàn)場分析確認為橫向止擋6處，縱向止擋1處。止擋橡膠開裂表現(xiàn)為橡膠與金屬板粘合處開裂及橡膠頂部開裂。本工作分析止擋橡膠開裂的原因，并提出改進措施。

1 中央懸掛裝置總體結(jié)構(gòu)

橫縱向止擋在中央懸掛裝置的安裝位置如圖1所示。無搖枕中央懸掛裝置是通過安裝在轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧作為底座直接支撐車體的[2-5]。通過由空氣彈簧、減振器、橫向止擋和高度閥裝置組成的懸掛系統(tǒng)緩沖和衰減車體的振動；通過由中心銷、中心銷座、牽引橡膠堆、牽引橡膠座和縱向止擋組成的牽引系統(tǒng)傳遞車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力（牽引力和制動力）。

圖1 橫縱向止擋在中央懸掛裝置的安裝位置

中心銷通過螺栓與車體枕梁相連，中心銷螺栓和中心銷螺母將中心銷與中心銷座連接在一起，中心銷座通過4個牽引橡膠堆與安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的兩個牽引橡膠座彈性連接，將縱向力從轉(zhuǎn)向架傳遞至車體。橫向止擋通過螺栓固定在構(gòu)架上，通過加減調(diào)整墊片，使橫向止擋與中心銷（相當(dāng)于車體）的間隙為10 mm，用于限制車體相對于轉(zhuǎn)向架的過度橫向位移。縱向止擋通過螺栓固定在構(gòu)架上，通過加減調(diào)整墊片，使縱向止擋與中心銷座（相當(dāng)于車體）的間隙為3 mm，用于限制車體相對于轉(zhuǎn)向架的過度縱向位移[6]。

2 止擋橡膠開裂原因分析

2.1 受力分析

車體與轉(zhuǎn)向架之間的載荷通過中央懸掛裝置傳遞的具體過程如下：

轉(zhuǎn)向架的三向振動→中央懸掛裝置（空氣彈簧、減振器、牽引橡膠堆等）→車體；

車體橫向擺動→中央懸掛裝置（空氣彈簧、減振器、橫向止擋、牽引橡膠堆等）→轉(zhuǎn)向架；

車體側(cè)滾運動→中央懸掛裝置（大跨距空氣彈簧等）→轉(zhuǎn)向架；

車體縱向力→中央懸掛裝置（縱向止擋、牽引橡膠堆等）→轉(zhuǎn)向架。

由以上分析可知，止擋系統(tǒng)在車輛運行過程中承擔(dān)車體與轉(zhuǎn)向架間的橫縱向交變載荷，并限制車體和轉(zhuǎn)向架間的各向變位，在長期的疲勞載荷作用下，極易發(fā)生開裂或脫膠失效情況。在受力方面，不同編組列車或不同類型轉(zhuǎn)向架的止擋橡膠因長時間接觸碰撞和擠壓導(dǎo)致受力開裂只是程度上的差異，而且差異很小，因此，受力情況可不予考慮。

2.2 線路原因分析

線路問題主要指軌道（包括軌道梁上平面和側(cè)面）不平順。重慶單軌正線曲線半徑小，坡度大，線路長，載客量大，站間距小，啟動、制動頻繁，碰撞率高。對于不同線路或不同站點，止擋橡膠因長時間接觸碰撞和擠壓導(dǎo)致受力開裂只是程度上的差異，且差異很小，因此，線路問題可不予考慮。

2.3 剛度性能分析

車輛止擋系統(tǒng)提供了一個較大的剛度。采購技術(shù)條件規(guī)定：在整個壽命期內(nèi)，產(chǎn)品剛度性能變化不得超過±15%。

取一個典型的止擋橡膠頂部開裂的樣品按照試驗大綱和圖紙的要求，重新進行剛度試驗。產(chǎn)品垂向放置，從0～10 kN加載，位移速率為20 mm·min-1，然后卸載，往復(fù)循環(huán)3次，第3個循環(huán)記錄載荷-位移數(shù)據(jù)，并繪制曲線，新舊橫向止擋剛度試驗對比曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，在長時間運行過程中，橫向止擋橡膠剛度沒有太大變化，說明產(chǎn)品剛度相對穩(wěn)定。

圖2 新舊橫向止擋橡膠剛度對比

2.4 粘合開裂故障分析

目前應(yīng)用最廣和最有效的金屬與橡膠粘合方法為熱硫化粘合工藝。該方法首先對金屬進行表面處理，然后涂敷膠粘劑，再把橡膠貼合在金屬上，加熱加壓進行硫化，實現(xiàn)粘合[7]。因此，從膠料性能、金屬骨架表面處理、粘合工藝等方面對粘合開裂故障進行分析。

2.4.1 膠料質(zhì)量

將現(xiàn)車止擋使用的膠料制成產(chǎn)品部件，委托橡膠制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心根據(jù)TB/T 2843—2015《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》對膠料物理性能進行檢測。檢測結(jié)果表明，產(chǎn)品的硬度、拉伸強度、拉斷伸長率、金屬與橡膠粘合強度和脆性溫度等均滿足標(biāo)準要求。

2.4.2 金屬骨架的表面處理

金屬骨架表面處理方法大致可以分為機械法和化學(xué)法，表面處理使工件的外表面或形狀發(fā)生變化，從而獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工作表面的機械性能得到改善，增大金屬與涂層之間的附著力，延長涂膜的耐久性。止擋橡膠骨架表面處理采取槍式手工噴砂的方式，經(jīng)分析個別部件噴砂力度不夠或不均勻，金屬表面粗糙度不夠，影響后續(xù)粘合質(zhì)量。

2.4.3 金屬骨架的脫脂處理

金屬骨架在噴砂后，需通過脫脂處理清洗金屬表面的油脂。常用的脫脂方法包括有機溶劑脫脂法、化學(xué)脫脂法、乳液脫脂法、電解脫脂法和超聲波脫脂法等。止擋橡膠骨架采取有機溶劑脫脂的方式，脫脂后放入老化箱進行干燥處理。經(jīng)分析個別部件脫脂不徹底，或因脫脂溶劑用量過大或放置時間太久，導(dǎo)致空氣中的水分凝聚在金屬表面，影響后續(xù)粘合質(zhì)量。

2.4.4 金屬骨架涂膠

金屬骨架采用底膠-面膠雙涂層體系，兩次涂膠間隔為20 min，底膠必須徹底干燥后才能涂面膠，否則與金屬粘合性較差的面膠會融入底膠，滲透至金屬-底膠結(jié)合處，造成橡膠-金屬粘合不牢固[8]。骨架烘干后放到模具內(nèi)，24 h內(nèi)進行注膠。經(jīng)分析個別部件兩次涂膠的時間間隔不夠或涂層太厚，影響后續(xù)粘合質(zhì)量。

2.5 橡膠頂部開裂故障分析

經(jīng)分析頂部開裂是由于止擋橡膠為首批硫化部件，個別硫化溫度誤差導(dǎo)致模具預(yù)熱不足，或因注膠時間過長，導(dǎo)致先期注入的膠料發(fā)生交聯(lián)后形成隔熱層，影響后續(xù)注入膠料的分子鏈反應(yīng)所致。

3 改進措施

通過對影響止擋橡膠開裂的受力及線路情況、剛度對比以及原料品質(zhì)、金屬骨架表面處理等生產(chǎn)過程和加工工藝等因素的分析，得出以下結(jié)論，并提出改進措施。

（1）出于安全考慮，為不影響車輛安全運營，立即對橡膠開裂甚至脫膠的橫向止擋和縱向止擋進行更換。后續(xù)對變形、開裂、鼓包、氣孔、脫膠等缺陷的止擋系統(tǒng)也須更換。

（2）為確保產(chǎn)品質(zhì)量，在混煉時，結(jié)合氯丁橡膠耐老化性能好和阻燃的特性，改進工藝，添加2～3份補強劑。建立庫管員責(zé)任制，保證原料合規(guī)使用，要求每批次膠料都出具檢測報告。

（3）加大金屬骨架表面機械噴砂力度，人為增加表面粗糙度。避免骨架脫脂不徹底或在空氣中放置太久，導(dǎo)致粘合表面凝聚水分。嚴格控制底涂和面涂的工藝和質(zhì)量，兩次涂膠間隔時間確保在20 min左右。建立技工質(zhì)量崗位責(zé)任制，按加工的產(chǎn)品型號及序號實行檔案化管理。

（4）膠料硫化前要有一定的存放時間，確保膠料中各種添加劑達到真正的分子鏈結(jié)合，嚴格控制硫化溫度，定期檢查硫化溫度控制機。

（5）改進加工工藝，根據(jù)氯丁橡膠分子鏈反應(yīng)活躍、交聯(lián)速度快的特點，改進模具結(jié)構(gòu)，由原來的4 mm注膠孔擴大為6 mm注膠孔，提高注膠速度，縮短注膠時間，保證整個部件交聯(lián)反應(yīng)均衡。在設(shè)備初始運行時，充分調(diào)試，首次注膠硫化的部件不作為合格產(chǎn)品供貨使用。

（6）加強質(zhì)量管理控制體系，嚴格質(zhì)量標(biāo)準及產(chǎn)品質(zhì)量責(zé)任制，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

通過單軌止擋橡膠開裂原因分析并實施相應(yīng)改進措施，有效解決了止擋橡膠的開裂問題。