軌道工程車用一系橡膠彈簧熱空氣加速老化法壽命預(yù)估

陳 濤，魏凱耀，馬利珍

(洛陽(yáng)雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

軌道工程車用一系橡膠彈簧是由外套、隔板、芯軸等金屬件與橡膠通過(guò)膠黏劑硫化黏接組成的結(jié)構(gòu)件，主要起到支承、減振作用，是車輛一系懸掛具有合適縱向和橫向定位剛度的關(guān)鍵部件[1]。在垂直方向上，一系橡膠彈簧給列車提供彈性支撐；在橫向和縱向上，主要給車體提供柔性連接和彈性定位作用。一系橡膠彈簧的壽命長(zhǎng)短關(guān)乎到工程車的使用安全問(wèn)題，所以預(yù)測(cè)一系橡膠彈簧的壽命對(duì)其使用具有現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義[2-3]。

一系橡膠彈簧的核心結(jié)構(gòu)是由具有黏彈性的橡膠材料制成，正常使用的情況下，一系橡膠彈簧的老化破壞只發(fā)生在橡膠部分，所以如果能對(duì)一系彈簧橡膠部分的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，就可以預(yù)測(cè)出一系橡膠彈簧的壽命。長(zhǎng)期貯存法和加速老化法是常用的兩種橡膠材料壽命預(yù)測(cè)方法[4]。長(zhǎng)期貯存法就是讓橡膠制品長(zhǎng)期貯存停放，定期對(duì)其特定性能進(jìn)行檢測(cè)，然后根據(jù)制品性能變化進(jìn)行推導(dǎo)來(lái)預(yù)測(cè)制品壽命，這種方法雖然結(jié)果較為準(zhǔn)確，但需長(zhǎng)期貯存停放，存在測(cè)試周期長(zhǎng)、管理成本高等問(wèn)題。加速老化法是根據(jù)時(shí)溫等效原理，采用人工加速老化，短期內(nèi)測(cè)試多個(gè)不同老化條件下的性能指標(biāo)，得出性能隨老化時(shí)間變化關(guān)系，運(yùn)用Arrhenius方程外推至正常條件下的性能變化來(lái)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)[5-6]。采用加速老化方法預(yù)測(cè)橡膠制品的貯存壽命不僅實(shí)驗(yàn)周期短，而且結(jié)果也可靠。大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫加速老化方法預(yù)測(cè)的橡膠制品壽命與實(shí)測(cè)的結(jié)果是一致的[7-8]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

軌道工程車用一系橡膠彈簧：自產(chǎn)。

1.2 儀器及設(shè)備

WGL-30B型電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；MTS322-100kN型電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)：美國(guó)MTS系統(tǒng)公司。

1.3 性能測(cè)試

定載荷下的尺寸按照TB/T 2843—2015進(jìn)行測(cè)試，具體方法為:首先，實(shí)驗(yàn)前將所有實(shí)驗(yàn)部件和設(shè)備在(23±2)℃的環(huán)境中靜置至少24 h。對(duì)試樣加載4個(gè)載荷為0～13 kN的周期循環(huán)，前3個(gè)循環(huán)每個(gè)循環(huán)時(shí)間為50 s，第4個(gè)循環(huán)時(shí)間為100 s，在第4個(gè)循環(huán)的卸載區(qū)段，當(dāng)載荷達(dá)到11.04 kN時(shí)，停留并保持10 s之后，測(cè)量定載荷11.04 kN下的尺寸變化。

1.4 加速老化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB/T 20028—2005標(biāo)準(zhǔn)以及參考其他橡膠材料熱空氣加速老化所選老化溫度，選取本實(shí)驗(yàn)的熱空氣老化溫度為50 ℃、70 ℃和90 ℃。本實(shí)驗(yàn)試樣數(shù)量為3個(gè)，分別測(cè)試3個(gè)試樣在(23±2) ℃下的定載荷下的尺寸。然后將試樣分別安裝到相同的試驗(yàn)工裝中，借助電液伺服試驗(yàn)機(jī)和緊固螺絲，控制一系橡膠彈簧所受壓力為11.04 kN左右，然后分別放入3個(gè)相同型號(hào)的的熱空氣老化箱中，老化箱溫度分別為50 ℃、70 ℃和90 ℃。性能老化測(cè)試時(shí)間點(diǎn)為從開(kāi)始進(jìn)箱至第1 d、第2 d、第4 d、第8 d、第14 d，共5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，老化總時(shí)間為14 d。

老化箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間作為老化起始時(shí)間，老化時(shí)間達(dá)到相應(yīng)要求時(shí)間后，從老化箱中取出實(shí)驗(yàn)工裝，拆下螺絲取出試樣，將實(shí)驗(yàn)工裝放回老化箱中繼續(xù)保溫。試樣停放2 h完全冷卻后進(jìn)行定載荷下的尺寸性能測(cè)試，測(cè)試完成后將試樣重新安裝到實(shí)驗(yàn)工裝中，借助電液伺服試驗(yàn)機(jī)和緊固螺絲控制一系橡膠彈簧所受壓力為11.04 kN左右,當(dāng)老化箱溫度重新達(dá)到設(shè)定的老化溫度時(shí)，老化時(shí)間繼續(xù)計(jì)時(shí)，待老化時(shí)間達(dá)到下一要求老化時(shí)間后再次取出試樣，停放2 h完全冷卻后測(cè)試試樣定載荷下的尺寸，如此重復(fù)，老化時(shí)間進(jìn)行累計(jì)，直至全部老化實(shí)驗(yàn)完成。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中記錄下3個(gè)試樣在不同老化溫度下不同老化時(shí)間后的定載荷下的尺寸。

2 加速老化壽命評(píng)價(jià)方法

根據(jù)GB/T 20028—2005要求，使用一個(gè)廠家生產(chǎn)的相同型號(hào)的老化箱對(duì)試樣進(jìn)行人工加速老化，然后跟蹤測(cè)試試驗(yàn)樣品在不同老化溫度下不同老化時(shí)間的特定性能，將性能測(cè)試結(jié)果代入Arrhenius方程，擬合出不同老化溫度下性能和時(shí)間的關(guān)系方程，對(duì)得到的方程系數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，便可以得出壽命與溫度的關(guān)系方程，以此計(jì)算出常溫下橡膠制品的壽命。本實(shí)驗(yàn)采用預(yù)測(cè)結(jié)果最為可靠的動(dòng)力學(xué)曲線直線化法，通過(guò)對(duì)方程兩邊取對(duì)數(shù)將坐標(biāo)變換，使曲線關(guān)系轉(zhuǎn)化為直線關(guān)系，求出不同老化溫度下的速率常數(shù)K值，然后運(yùn)用Arrhenius方程外推求導(dǎo)出常溫下的速率常數(shù)K值，以推導(dǎo)出一系橡膠彈簧的壽命與溫度方程，從而計(jì)算出常溫下一系橡膠彈簧的使用壽命[9-10]。

定載荷下的尺寸、動(dòng)剛度、阻尼特性、靜態(tài)蠕變性能、靜態(tài)應(yīng)力松弛性能等都可以作為一系橡膠彈簧的評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是哪個(gè)作為一系橡膠彈簧壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)最為合適，還需考慮使用工況和加速老化實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，兩者接近最為適宜。一系橡膠彈簧安裝在工程車車體與輥輪之間，工程車運(yùn)行時(shí)，一系橡膠彈簧不僅受到車體和所載工具、設(shè)備的壓縮，同時(shí)受到列車運(yùn)行引起的持續(xù)振動(dòng)，使用工況比較復(fù)雜[11]。因加速老化實(shí)驗(yàn)是模擬制品在受壓工況下的性能變化，考慮到工況環(huán)境，眾多指標(biāo)中定載荷下的尺寸與實(shí)際工況最為接近，故以定載荷下的尺寸作為特性指標(biāo)[12]。本實(shí)驗(yàn)將一系橡膠彈簧的常溫定載荷下的尺寸變化率作為關(guān)鍵考核指標(biāo)。

老化時(shí)間τ和老化特性指標(biāo)P之間的關(guān)系可用經(jīng)驗(yàn)公式(1)描述。

P=Ae-Kτα

(1)

式中：P為老化進(jìn)行到老化時(shí)間τ時(shí)定載荷下的尺寸保持率，%；τ為老化時(shí)間，d；A為無(wú)量綱常數(shù)；α為老化反應(yīng)時(shí)間指數(shù)，也是無(wú)量綱常數(shù)，0<α≤1；K是與熱力學(xué)溫度有關(guān)的老化反應(yīng)速度常數(shù)，K與熱力學(xué)溫度的關(guān)系服從Arrhenius方程。

(2)

式中：Z為頻率因子，d-1；E為表觀活化能，J/(K·mol)；R為氣體常數(shù)，J/mol；T為熱力學(xué)溫度，K。

將式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)換算后就可以得到式(3)。

lnP=-Kτα+lnA

(3)

定義Y=lnP，X=τα，a=-K，b=lnA，可以得到式(4)。

Y=aX+b

(4)

根據(jù)不同老化溫度下一系橡膠彈簧的定載荷下的尺寸保持率的測(cè)試結(jié)果，就可以計(jì)算出老化時(shí)間與定載荷下的尺寸保持率的關(guān)系變化曲線。分析X和Y的曲線相關(guān)程度，如果X和Y的曲線相關(guān)程度為線性關(guān)系，那么α=1；如果X和Y的曲線相關(guān)程度不是線性關(guān)系，那么令0<α<1，對(duì)式(4)進(jìn)行相關(guān)擬合，就可以得出參數(shù)a和b的值,進(jìn)而可以得出A值，將各個(gè)老化溫度下的A值平均即可求出式(1)中的A值。

對(duì)公式(2)兩邊取對(duì)數(shù)，可得：

(5)

3 結(jié)果與討論

3.1 老化實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

不同老化溫度、不同老化時(shí)間下一系橡膠彈簧定載荷下的尺寸如表1所示。

表1 不同老化溫度和時(shí)間的一系橡膠彈簧定載荷下的尺寸

以老化時(shí)間為橫軸，定載荷下的尺寸保持率為縱軸，繪制一系橡膠彈簧在不同溫度下老化程度曲線，如圖1所示。

老化時(shí)間/d圖1 不同溫度下一系橡膠彈簧老化程度曲線

由圖1可知，溫度越高，一系橡膠彈簧定載荷下的尺寸保持率下降越快，老化越嚴(yán)重，這符合時(shí)溫等效原理。觀察關(guān)系曲線可知Y和X呈非線性關(guān)系，那么α的取值應(yīng)在0～1內(nèi)，應(yīng)采用逼近準(zhǔn)則對(duì)α進(jìn)行估值。逼近的標(biāo)準(zhǔn)是令α估值精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位時(shí)，式(6)的I值最小。

(6)

根據(jù)逼近準(zhǔn)則，利用數(shù)學(xué)軟件試算α值，計(jì)算得出當(dāng)α=0.49時(shí)，I值最小。

在α=0.49時(shí)對(duì)式(4)進(jìn)行線性擬合，利用最小二乘法求出擬合參數(shù)a和b的值。各個(gè)溫度下的擬合參數(shù)a、b以及K的值如表2所示。

表2 線性擬合結(jié)果

根據(jù)各個(gè)溫度下的b值計(jì)算可以得出A的估值：

Y1=a1X1+b1

(7)

根據(jù)表3中不同溫度下的參數(shù)K值,制圖并進(jìn)行線性擬合，利用最小二乘法得出a1=-2 238.69，b1=1.975 98，擬合曲線圖如圖2所示。

1/T圖2 線性擬合圖

根據(jù)得出的a1和b1值可以得出熱力學(xué)溫度與速度變化常數(shù)K的關(guān)系表達(dá)式(8)，從而可以得到任一溫度下的速度變化常數(shù)K值。

(8)

將以上所得結(jié)果代入式(1)，從而得到式(9)。

(9)

3.2 壽命預(yù)估

一系橡膠彈簧的使用環(huán)境通常為常溫25 ℃，故將25 ℃溫度值代入式(9)得到25 ℃下一系橡膠彈簧定載荷下尺寸保持率的老化曲線，如圖3所示。

時(shí)間/年圖3 25 ℃下一系橡膠彈簧老化曲線圖

一系橡膠彈簧的設(shè)計(jì)要求為在使用壽命周期內(nèi)定載荷下的尺寸下降不得超過(guò)20%，故以定載荷下的尺寸保持率80%為一系橡膠彈簧的失效點(diǎn)，將25 ℃溫度值和80%定載荷下的尺寸保持率代入式(9)中，可以預(yù)測(cè)出25 ℃使用環(huán)境下一系橡膠彈簧的老化壽命約為10.7年，滿足6年使用壽命的設(shè)計(jì)要求。

3.3 振動(dòng)對(duì)一系橡膠彈簧性能的影響

本實(shí)驗(yàn)所使用的試驗(yàn)工裝只是模擬了一系橡膠彈簧運(yùn)行時(shí)的定載荷工況，沒(méi)有模擬車輛運(yùn)行的持續(xù)振動(dòng)工況，而持續(xù)振動(dòng)對(duì)加速老化的影響可能造成預(yù)測(cè)結(jié)果失準(zhǔn)[13]。為驗(yàn)證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)一步研究持續(xù)振動(dòng)對(duì)一系橡膠彈簧性能的影響，仍以試樣定載荷下的尺寸為特性指標(biāo)。

疲勞實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)前將所有實(shí)驗(yàn)部件和設(shè)備在(23±2)℃的環(huán)境中靜置至少24 h。先測(cè)定一系橡膠彈簧試樣的初始定載荷下的尺寸，然后對(duì)試樣施加7.7～14.4 kN的垂向周期載荷，加載頻率為(4±1)Hz，循環(huán)次數(shù)為200萬(wàn)次。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)產(chǎn)品表面溫度超過(guò)40 ℃時(shí)進(jìn)行風(fēng)冷處理。疲勞周期加載完成后將一系橡膠彈簧試樣置于(23±2) ℃的室內(nèi)環(huán)境中24 h以上，再次測(cè)定試樣定載荷下的尺寸。

測(cè)試結(jié)果顯示一系橡膠彈簧定載荷下的尺寸變化率為0.45%。由此可見(jiàn)，持續(xù)振動(dòng)對(duì)特性指標(biāo)定載荷下尺寸的影響很小，加速老化結(jié)果依然可靠。

4 結(jié) 論

(1)溫度對(duì)一系橡膠彈簧性能影響較大，溫度越高，老化越嚴(yán)重，性能下降越快。

(2)工程車運(yùn)行時(shí)引起的持續(xù)振動(dòng)對(duì)一系橡膠彈簧定載荷下尺寸的影響較小。

(3)25 ℃使用環(huán)境下一系橡膠彈簧的老化壽命約為10.7年。