機車二系懸掛系統橡膠墊粘結工藝研究

朱志勇 張敬勛 張萬泉

關鍵詞：DOE;橡膠墊;粘結工藝;粘結強度

橡膠墊是機車二系懸掛系統中的重要組成部分，對機車減隔震、提高乘坐舒適性起到十分重要作用。二系懸掛橡膠墊在使用過程中，受到壓縮與多向剪切應力，橡膠體與金屬的粘結強度是橡膠墊發揮作用的決定性因素[1-3]。在實際生產過程中，膠粘劑的種類、厚度、金屬表面結構等是影響粘結強度的主要因素。目前，橡膠墊的粘結強度影響了其使用壽命。因此，為了提高橡膠與金屬粘結強度，采用DOE實驗設計[4]的思想進行探究，以期得到更優化的粘結工藝，用于指導生產。

1 實驗部分

1.1 原料與設備

①主要原料：膠黏劑，橡膠，金屬，均為自制;②主要設備：開煉機，XK550，青島環宇科技有限公司;橡膠硫化機，常州市第一橡塑設備有限公司;自動噴膠機，AJL.ZP40，蘇州安捷倫精密機械有限公司;拋丸機，Q3730，青島華盛泰拋丸機械有限公司;萬能實驗機，SHT4305，美特斯工業系統（中國）有限公司。

1.2 試樣制備與數據測試

①試樣的制備及實驗步驟。利用開煉機制備了橡膠材料并進行硫化，利用自動拋丸機對金屬表面進行處理，使用自動噴膠設備進行噴膠，然后進行粘結;②數據測試。粘結強度參照GB/T13936-92進行測定。

1.3 粘結工藝設計

經過分析，粘結工藝試驗滿足響應曲面設計的要求[4]，因此本文采用響應曲面法進行實驗設計。

1.3.1 工藝參數分析與選擇

影響橡膠與金屬粘結強度的因素比較多，主要有橡膠材料、金屬表面狀況、膠黏劑種類、膠黏劑厚度等。經過實際的跟蹤發現，采用相同的材料、相同的膠黏劑、以及相同的金屬件時，其粘結強度差異也會比較大，因此粘結工藝對粘結強度影響比較大。生產中，膠黏劑一般采用底膠和面膠配合使用，二者總厚度約為40μm，底膠和面膠的厚度差可能會影響粘結強度。因此，選擇底膠和面膠的厚度差和金屬表面結構為研究對象，保持其他因素一致，進行實驗。

1.3.2 工藝參數水平的確定

1.4 DOE實驗設計

本實驗通過minitab軟件進行2因子實驗設計，實驗方案如表2所示。

本方案中，共有13組實驗，按照表中的順序依次進行實驗。

2 結果與討論

上述13組實驗的粘結強度結果詳見表3。表中數據可以看出，不同粘結工藝條件下，橡膠墊的粘結強度差異比較大。

2.1 響應曲面回歸模型表達式

以粘結強度為響應值，利用DOE的方法進行，經擬合后的模型為：

式中：X1為厚度差;X2為鋼丸尺寸。

P值為假設檢驗的概率值，可以表征項的顯著性。表達式中各項的P值均為0.000，表明各項均顯著，模型是有效的。調整后，R-Sq（調整）為99.82%，說明模型的回歸效果比較好。

2.2 曲面圖

從圖1中可以看出，隨著膠黏劑厚度差的減小和鋼丸尺寸的下降，橡膠墊的粘結強度呈現上升趨勢，并且在圖片的左下角區域出現粘結強度的極大值。這就說明在膠黏劑厚度差越小，鋼丸尺寸越小，粘結強度越大。這就為提高粘結強度指明了方向。

結合式（1）可知，2個影響因素中，膠黏劑的厚度差對粘結強度的影響比較大，鋼丸尺寸次之。這是因為底膠和面膠之間會產生化學反應，如果厚度差異比較大，必然會使反應不充分，導致粘結強度較低，甚至與基體剝離。而鋼丸尺寸影響了金屬表面的粗糙度，相比而言，鋼丸尺寸越小，則金屬表面的粗糙度越大，有利于提高粘結強度。

2.3 實驗優化

為提高粘結強度，使用優化工具進行優化，設置鋼丸尺寸約束區間為0.6mm-1.0mm，可知當厚度差為0μm，鋼丸尺寸為0.6mm時，其粘結強度最大，最大值為7.5MPa。

2.4 實驗驗證

按照優化的粘結工藝進行驗證，實驗數據見表4。

由表4可知，粘結強度實驗值為7.4MPa，擬合值7.5MPa，二者相差0.1MPa，差異很小，說明該模型符合實際狀況。

3 結論

本文選擇底膠和面膠的厚度差和鋼丸尺寸為實驗變量，選擇粘結強度為響應值，進行DOE實驗設計，建立了粘結強度的預測模型，并經過試驗驗證了數據的可靠性和模型的合理性。結論如下：①粘結強度的大小與底膠和面膠的厚度差、鋼丸尺寸呈負相關，其中底膠和面膠的厚度差的影響比較大，鋼丸尺寸的影響次之;②經過優化，當底膠和面膠的厚度差為0μm，鋼丸尺寸為0.5mm時粘結強度最高;③通過實際實驗驗證，當底膠和面膠的厚度差為0μm，鋼丸尺寸為0.6mm時，粘結強度為7.4MPa，與預測值相差很小。

參考文獻：

[1]李學民，王千士.橡膠與金屬的粘結強度研究[J].廣西輕工業，2007（10）：21-22.

[2]陽光武，肖守訥.螺旋圓彈簧加橡膠墊的橫向剛度研究[J].鐵道車輛，2013，51（9）：1-4.

[3]王鐵英，辛亞軍.隔振橡膠墊選擇和優化軟件開發[J].建筑結構，2009，39（12）：152-155.

[4]何楨.六西格瑪管理[M].北京：中國人民大學出版社，2014.