城軌車輛用空氣彈簧壽命及性能評估方法研究

樊云杰，張曉鵬，藺 高，馬宗斌，宋紅光

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

為減小因空氣彈簧提前報廢造成的經濟損失，迫切需要研究一種城軌車輛空氣彈簧壽命的評估方法，對理論壽命至檢修時間節點之間的空氣彈簧性能進行評估，從而使空氣彈簧的運用風險可控。但是目前針對車輛運用狀態下的空氣彈簧實際使用壽命方面的研究尚未見諸報道。

針對上述問題，本文提出了一種城軌車輛用空氣彈簧壽命評估方法，從空氣彈簧性能及橡膠材料性能入手，對運用不同時間的空氣彈簧性能進行測試對比，并對橡膠材料進行取樣，通過人工加速老化試驗，評估橡膠材料物理性能的老化度，從而為合理評判空氣彈簧使用性能提供參考。

1 評估方法

空氣彈簧為軌道車輛轉向架上懸掛系統的關鍵部件，具有支撐車體、吸收振動的功能，其起主要作用的是氣囊，氣囊由外層橡膠、簾線層和內層橡膠構成[1]。在外界紫外線或交變應力等的作用下，氣囊橡膠會發生老化，進而影響空氣彈簧的使用壽命。

橡膠老化影響空氣彈簧使用壽命主要表現在以下2個方面：橡膠老化會對氣囊的承載力和緩沖特性造成影響，從而使空氣彈簧的整體性能下降，造成車輛的平穩性和舒適性降低；橡膠老化會使氣囊的橡膠表面形成裂紋，在持續運用過程中，裂紋可能會逐步擴展，導致氣囊無法使用，從而影響空氣彈簧的使用壽命。因此本文從上述兩方面出發，分別對空氣彈簧性能和橡膠材料性能進行測試，根據不同運用時間的測試數據及變化趨勢，評估未來的空氣彈簧性能和橡膠材料性能，以此作為評判空氣彈簧是否可將壽命延長至實際檢修周期的標準。

1.1 空氣彈簧性能評估方法

空氣彈簧垂向剛度和橫向剛度是影響車輛平穩性和舒適性的主要指標，因此本文對空氣彈簧性能的評估以這2個指標作為研究目標。

假設某使用年限為t的空氣彈簧垂向剛度為KV(t)，根據不同使用年限的空氣彈簧垂向剛度和橫向剛度測試數據(圖1、圖2)，可以發現，空氣彈簧垂向剛度和橫向剛度隨使用年限的變化趨勢是線性的，因此可采用一元線性回歸分析方法計算回歸系數A、B，得到空氣彈簧垂向剛度KV(t)同使用年限t之間的關系為：

KV(t)=A·t+B

(1)

同樣計算回歸系數C、D，得到空氣彈簧橫向剛度KL(t)同使用年限t之間的關系為：

KL(t)=C·t+D

(2)

根據式(1)和式(2)，計算使用年限為tn時的空氣彈簧垂向剛度KV(tn)和橫向剛度KL(tn)。

圖1 空氣彈簧垂向剛度隨使用年限的變化趨勢

圖2 空氣彈簧橫向剛度隨使用年限的變化趨勢

1.2 橡膠材料性能評估方法

通過熱空氣老化測定橡膠的基本物理機械性能隨時間的變化情況，以及達到指定臨界值所用的時間，并利用阿累尼烏斯方程推算橡膠的壽命[2]。

橡膠老化時間與化學反應的關系可以用阿累尼烏斯方程表示：

K(T)=A·e-E/RT

(3)

式中：K(T)——反應速率常數；

A——指數因數；

T——熱力學溫度，K；

E——活化能，J/mol；

R——摩爾氣體常數，8.314 J/(mol·K)。

化學反應關系以式(4)表示：

Fx(t′)=K(T)·t′

(4)

式中：Fx(t′)——反應關系的函數；

t′——老化時間，min。

由式(3)和式(4)可知，橡膠老化時間的對數logt′與熱力學溫度的倒數1/T呈阿累尼烏斯曲線的關系[3]。在主要的老化反應相同的溫度范圍內，活化能是常數，因此可以通過外推法求出橡膠試樣在某一溫度下的性能達到指定老化程度時所需要的時間[4-10]。本文選取橡膠試樣的拉斷伸長率性能來表征橡膠材料的老化程度，臨界值選取為原始性能值的50%。

2 某城軌車輛空氣彈簧壽命及性能評估

以某城軌車輛空氣彈簧為例，使用本文提出的壽命評估方法對其壽命進行評估。該城軌車輛空氣彈簧理論壽命為8年，而實際車輛分解檢修時間為10年。為避免將空氣彈簧提前報廢造成經濟損失，需要對理論壽命至檢修時間節點之間的空氣彈簧性能進行評估，選取的試驗樣件如下：2個新品空氣彈簧，8個運用時間為5年的空氣彈簧。

2.1 空氣彈簧性能試驗結果

2.1.1 垂向剛度試驗結果

空氣彈簧垂向剛度試驗結果見表1。由表1可以看出，相比新品空氣彈簧，運用5年后的空氣彈簧在同一載荷下的垂向剛度均有所增大，分別增大3.69%、1.85%和0.48%，但均在要求范圍內。采用一元線性回歸分析計算得出該空氣彈簧繼續運用至10年時的垂向剛度預測值均在要求范圍內。

2.1.2 橫向剛度試驗結果

空氣彈簧橫向剛度試驗結果見表2。由表2可以看出，相比新品空氣彈簧，運用5年后的空氣彈簧在同一載荷下的橫向剛度均有所減小，分別減小6.40%、14.74%和14.90%。采用一元線性回歸分析計算得出該空氣彈簧繼續運用至10年時的橫向剛度預測值均在要求范圍內。

表1 空氣彈簧垂向剛度試驗結果 N/mm

表2 空氣彈簧橫向剛度試驗結果 N/mm

2.2 橡膠材料性能測試結果

從新品空氣彈簧氣囊外層橡膠上取樣，測試其物理機械性能。新品橡膠拉斷伸長率為600%，臨界值為300%。

測試在3種熱力學溫度(363 K、383 K和403 K)下，新品空氣彈簧氣囊外層橡膠拉斷伸長率隨老化時間的變化，直至拉斷伸長率達到臨界值，測試結果如圖3所示。

圖3 在不同熱力學溫度下橡膠拉斷伸長率隨老化時間的變化

從圖3可以看出，在3種熱力學溫度下，橡膠拉斷伸長率隨著老化時間的延長而下降，熱力學溫度越高，達到臨界拉斷伸長率的時間越短。在363 K、383 K和403 K老化條件下，橡膠拉斷伸長率達到臨界值300%對應的老化時間分別約為500 h、80 h和35 h。

對橡膠熱力學溫度T取倒數，對達到拉斷伸長率臨界值的時間t′取對數，兩者與熱力學溫度的關系見表3。

表3 logt′、1/T與T的關系

將表3中的logt′與1/T進行線性擬合，得到擬合曲線如圖4所示。

圖4 logt′與1/T線性擬合圖

從圖4可得到線性擬合公式為：y=4 238.4x-9.037 6。溫度取25 ℃，將其代入擬合公式，得到老化時間為153 185.9 h，即17.5年，超過了10年的壽命期。

3 結論

(1) 本文以某型城市軌道交通車輛為例，測試了新品空氣彈簧和運用5年的空氣彈簧性能及橡膠材料性能，提出了一種空氣彈簧壽命及性能的評估方法，并對空氣彈簧使用至10年時的性能進行了預測。結果表明，空氣彈簧運用至10年的性能無較大變化，對車輛使用無影響，但因受應力或紫外線等的影響，空氣彈簧氣囊外層橡膠材料的物理性能有顯著的老化，預測運用至17.5年，該空氣彈簧氣囊外層性能將下降到原始值的50%。

(2) 目前橡膠產品壽命預測尚無準確的模型，且由于缺乏空氣彈簧生產廠家膠料設計性能、老化性能等核心技術指標，上述方法是基于空氣彈簧整體性能及橡膠材料性能的試驗擬合預測方法，以保證使用性能、控制風險最小為準則，為空氣彈簧剩余壽命評估提供了參考，具有一定的積極意義。