基于壽命特征分析的橡膠減振墊加速壽命試驗研究

明志茂，楊靜，趙可淪，徐立立

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

前言

轉(zhuǎn)向架蛇形運動以及輪軌的沖擊是動車組產(chǎn)生振動的主要原因，動車組上需要配置各種減振器或減振裝置才能衰減或抑制不斷增長的振動，從而保持動車組平穩(wěn)運行，因此，減振器或減振裝置是動車組最重要的零部件之一[1,2]。除動車底部軸向減振器外，動車組車廂內(nèi)部也配置了相應的減振器，以座椅為例，在座椅安裝位置，為了乘客乘車的舒適性，安裝了橡膠減振墊，對座椅的減振、降噪有著至關(guān)重要的作用，其性能的好壞關(guān)系著整個列車運行中乘客的舒適性和安全性[3]。但是，在動車運行中，隨著運行年限及里程的增加，橡膠減振墊將會逐漸出現(xiàn)疲勞破壞、永久變形和橡膠材料老化等問題，從而造成其減振性能下降，影響乘客乘坐的安全性和舒適性。為保證乘客乘坐的安全性、舒適性以及橡膠減振墊的經(jīng)濟性，通過試驗手段，合理的預測橡膠減振墊壽命，已成為橡膠減振墊工程設(shè)計及應用的關(guān)鍵問題[4]。目前，橡膠材料的研究多停留在疲勞破壞，使用仿真和疲勞試驗相結(jié)合的方法進行研究[5-9]。針對某動車組座椅橡膠減振墊處于五級修階段這一現(xiàn)狀，能否繼續(xù)使用該座椅橡膠減振墊到下一個檢修階段，尚無理論支撐。本文在研究座椅橡膠減振墊失效模式及失效機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合橡膠減振墊的實際安裝工況，對新品橡膠減振墊與五級修橡膠減振墊進行性能摸底測試，從而得到其壽命特征參數(shù)，在此基礎(chǔ)上開展加速壽命試驗，從而評估得到五級修橡膠減振墊的剩余壽命以及新品橡膠減振墊的實際使用壽命。

1 橡膠減振墊組成及失效機理

1.1 橡膠減振墊的組成及工作原理

橡膠減振墊[10]由三部分組成，如下所示：

1）支座：采用鑄鋁材質(zhì)制造，主要將橡膠減振器的各部件加以集成，并與座椅固定。

2）橡膠墊：由大橡膠墊和小橡膠墊組成，材質(zhì)為硅橡膠，采用阻尼橡膠，強化橡膠的作用，使該減振器在一定的溫度范圍及振動頻率內(nèi)均可以實現(xiàn)有效阻尼，從而滿足減振降噪的需求。

3）安裝扣蓋：采用不銹鋼材質(zhì)制造，主要是固定橡膠墊。

橡膠減振墊的形貌見圖1所示，原理圖如圖2所示，橡膠減振墊由安裝扣蓋、橡膠減振墊、支座組成，橡膠減振墊可以簡化等效為彈簧，橡膠減振墊在動車運行過程中，受到橫向和縱向力的作用，通過安裝扣蓋傳遞到橡膠件上，橡膠件由于有一定的彈性，可以等效為彈簧，其工作原理為安裝扣蓋受到橫向和縱向作用力的共同或單獨作用下，傳遞給橡膠減振墊，橡膠減振墊進行了減振降噪后，傳遞到支座，從而實現(xiàn)其功能。

圖1 橡膠減振墊正面外觀形貌

圖2 膠減振墊原理圖

1.2 橡膠減振墊失效模式及失效機理

橡膠減振墊的減振及降噪性能主要體現(xiàn)在橡膠墊的性能[11,12]，橡膠墊的由于其橡膠的固有屬性及使用特性，其失效模式主要有老化和壓縮永久變形。

1.2.1 橡膠墊老化

橡膠墊由于密封在安裝扣蓋里面，整體環(huán)境相對封閉，其在動車組檢修時，尤其在夏天，溫度較高，導致橡膠墊的溫度遠遠高于安裝扣蓋的溫度，與此同時，座椅對其施加一定的作用力，加速其老化，從而導致橡膠墊由于持續(xù)老化而失效。

1.2.2 橡膠墊壓縮永久變形

橡膠墊在一定的載荷及溫度作用下，橡膠墊受到一種或多種力的作用從而產(chǎn)生壓縮變形，經(jīng)反復作用后，易導致橡膠墊產(chǎn)生壓縮永久變形，進一步導致其性能降低，最終導致橡膠墊的減振及降噪功能喪失。

2 壽命特征參數(shù)確定及加速老化試驗設(shè)計

2.1 壽命特征參數(shù)確定

由于造成橡膠墊的失效主要為老化和壓縮永久變形，結(jié)合橡膠墊的使用環(huán)境以及橡膠的固有特性，對其性能參數(shù)硬度和壓縮性形變進行驗證，并挑選出壽命特征參數(shù)。

2.1.1 垂直載荷測試

對橡膠減振墊施加垂直載荷，速率為（500±50）mm/min，直至3 400 N，試驗前后，檢查橡膠減振墊是否產(chǎn)生壓縮性位移或不可恢復位移或破壞。試驗數(shù)據(jù)表明新品在3 400 N時未出現(xiàn)不可恢復變形，且硬度基本保持不變，為70 HRC，如圖3所示。

圖3 試驗后未見不可恢復形變及破壞

2.1.2 水平載荷測試

對橡膠減振墊施加水平載荷，速率為（500±50）mm/min，直至3 400 N，在3 250 N發(fā)現(xiàn)橡膠減振墊出現(xiàn)凸起和凹起現(xiàn)象，如圖4所示，呈現(xiàn)不可恢復形變，硬度值保持基本不變，為70 HRC。

圖4 橡膠減振墊出現(xiàn)凸起和凹起情況

通過數(shù)據(jù)表明，壓縮變形是橡膠減振墊墊的壽命特征參數(shù)，而硬度由于測試值無變化，不作為壽命特征參數(shù)，與此同時，由于乘客坐在座椅上，主要施加的為垂直應力，因此，在加速壽命試驗中以垂直載荷作為試驗應力，特征參數(shù)為壓縮變形。

2.2 加速壽命試驗

結(jié)合橡膠減振墊的失效模式，參考GB/T 2689-1981 《恒定應力壽命試驗和加速壽命試驗方法總則》，設(shè)計三組不同的溫度應力50 ℃、75 ℃、100 ℃，試驗時間為21 d，對橡膠減振墊施加垂直載荷230 N，并測試其壓縮變形參數(shù)，測試后，觀察其是否存在退化現(xiàn)象。

3 壽命評估

3.1 橡膠減振墊壽命分布模型

根據(jù)GB/T 20028-2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》可知，橡膠減振墊的壽命可以用阿累尼烏斯模型進行評估，其關(guān)系式如下：

老化性能指標參數(shù)Y與時間t之間的關(guān)系，可以用下列公式描述：

為簡化計算，對兩邊進行對數(shù)化處理，簡化后見式（2）所示。

式中：

P—老化性能指標參數(shù)，%；

A—系數(shù)；

k—與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)，d-1；

其中K=Be-E/RT；

B—常數(shù)；

T—溫度；

E—激活能；

R—摩爾氣體常數(shù)；

τ—老化時間，d。

由標準可知，以原始性能變化到50 %作為臨界值來估算設(shè)備的使用壽命，即P=0.5。

3.2 橡膠減振墊試驗數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過試驗實施及數(shù)據(jù)收集處理后，五級修橡膠減振墊性能參數(shù)k與A值的關(guān)系見表1所示，五級修橡膠減振墊性能參數(shù)k與T值的關(guān)系見表2所示，線性擬合結(jié)果見表3所示，對應的關(guān)系圖見圖5、圖6。新品橡膠減振墊性能參數(shù)k與A值的關(guān)系見表4所示，新品橡膠減振墊性能參數(shù)k與T值的關(guān)系見表5所示，線性擬合結(jié)果見表6所示，對應的關(guān)系圖見圖7、圖8。

圖6 五級修小橡膠墊ln k與1/T的線性擬合

圖7 新品大橡膠墊ln k與1/T的線性擬合

圖8 新品小橡膠墊ln k與1/T的線性擬合

表1 五級修橡膠墊性能參數(shù)k與A值

表2 五級修橡膠墊性能參數(shù)k與溫度T

表3 五級修橡膠墊的線性擬合結(jié)果

表4 新品橡膠墊性能參數(shù)k與A值

表5 新品橡膠墊性能參數(shù)k與溫度T值

表6 新品橡膠墊的線性擬合結(jié)果

3.3 橡膠減振墊壽命

根據(jù)3.2節(jié)擬合結(jié)果，結(jié)合各參數(shù)及公式P=Ae-kτ和k=Be-E/RT，可得出在任一溫度下樣品的性能參數(shù)k與壽命τ的通用公式。

1）五級修橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評估公式

五級修大橡膠墊性能參數(shù)k與壽命τ評估公式為：

壽命τ = ln（89.789 4/P）/k

五級修小橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評估公式為：

壽命τ = ln（64.534 5/P）/k

由上可知，在25 ℃（298 K）時，以原始性能變化到50 %（即P=0.5）作為臨界值來估算橡膠墊樣品的使用壽命，評估得到五級修大、小橡膠墊的熱老化壽命分別約為3.83年和2.51年。

2）新品橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評估公式

新品大橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評估公式為：k = 3.903 6e（-2 384.7/T）

壽命τ = ln（82.934 7/P）/k

對全新小橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評估公式為：

壽命τ = ln（71.844 2/P）/k

由上可知，在25 ℃（298 K）時，以樣品原始性能變化到50 %（即P=0.5）作為臨界值來估算樣品的使用壽命，評估得到全新件大、小橡膠減振墊的壽命分別約為15.58年和14.06年。

與此同時，大橡膠減振墊較小橡膠減振墊的壽命略微長，橡膠減振墊的壽命應以小橡膠減振墊的壽命為準，因此，新品橡膠減振墊的壽命為14.06年，五級修橡膠減振墊剩余壽命為2.51年。由于動車組歷經(jīng)一級修、二級修、三級修、四級修、三級修（二輪）、五級修等維修檢修規(guī)程，每次維修檢修對橡膠減振墊壽命有一定的耗損，因此，五級修在使用10年的基礎(chǔ)上，剩余壽命小于新品橡膠減振墊的壽命符合動車組實際運行現(xiàn)狀，評估結(jié)果準確。

4 小結(jié)

本文針對動車組用橡膠減振墊開展了基于加速試驗理論的壽命評估研究，在不同溫度下研究了橡膠減振墊的壽命及剩余壽命情況，研究結(jié)論如下：

1）在加速試驗條件下對橡膠減振墊進行壽命及剩余壽命評估，相對于傳統(tǒng)的可靠性評估方法，節(jié)約了試驗時間及成本。

圖5 五級修大橡膠墊ln k與1/T的線性擬合

2）對比五級修橡膠減振墊和新品橡膠減振墊大橡膠墊和小橡膠墊的壽命可知，小橡膠墊的壽命要比大橡膠墊的壽命要短，因此以小橡膠墊的壽命作為橡膠減振墊的壽命評估值。

3）在五級修橡膠減振墊已經(jīng)使用10年的基礎(chǔ)上，評估得到其剩余壽命為2.51年，新品的壽命為14.06年，由于維修檢修過程中會造成五級修橡膠減振墊壽命有一定的耗損，五級修橡膠減振墊的總體壽命會略微小于新品橡膠減振墊的壽命，此評估結(jié)果符合動車組橡膠減振墊的實際運行現(xiàn)狀，壽命評估準確，且為橡膠減振墊的使用和更換奠定理論基礎(chǔ)。