城軌列車低噪音車輪阻尼膠帶使用壽命預測研究

關鍵詞：阻尼膠帶；剪切強度；Arrhenius方程；熱失重分析；使用壽命預測

中圖分類號：TQ437+.4 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）12-0005-05

輪軌噪聲[1-2]是軌道交通噪音主要構成部分，其中車輪振動聲輻射是重要的噪聲源，采用降低車輪振動及噪聲輻射的低噪音車輪是降低軌道交通噪聲的一種有效措施。低噪音車輪通常是利用約束阻尼原理，通過阻尼膠帶將約束板粘接在車輪輻板兩側。在正常磨耗條件下，城軌列車車輪的使用壽命一般為3～5年，運行里程約為240～300萬km，阻尼膠帶應確保列車車輪在使用壽命內不發生約束阻尼降噪板脫落故障[3]。列車正常運行時，車輪的溫度基本為環境溫度，列車制動時，車輪輻板最高溫度可達到70℃。阻尼膠帶是由丙烯酸膠粘劑和亞克力（PM?MA）泡棉基材構成，阻尼膠帶會隨著使用時間的推移和制動高溫的影響發生性能衰減[4]，進而影響城軌列車的行車安全和運行質量。對阻尼膠帶進行壽命預測，可以更加科學地指導低噪聲車輪的維護或更換工作。

本文通過紅外光譜對阻尼膠帶老化前后的特征峰進行了對比，分析了阻尼膠帶老化降解的基本特征。選用加速熱老化試驗法、熱失重升溫試驗法和熱失重恒溫試驗法3種方法，分別對膠帶進行試驗測試，建立了膠帶的壽命預測方程，對膠帶在25℃和70℃下的壽命進行預測。

1試驗部分

1.1試驗原料

阻尼膠帶，商業采購；Q195低碳鋼鋼板，北京伊諾凱科技有限公司。

1.2試驗設備

熱失重分析儀，209F1，德國耐馳公司；熱老化試驗箱，401B型，中國啟東市雙棱測試設備有限公司；萬能材料試驗機，德國ZwickRoell公司；傅立葉變換紅外光譜儀，Tensor—27，德國布魯克公司。

1.3測試及表征

1.3.1粘接性能測試

按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強度的測定》標準進行試樣制備，采用萬能材料試驗機對試樣施加200N壓力保持1min，然后將試樣放入70℃的烘箱中熟化24h，取出試樣后在室溫下冷卻24h，進行剪切強度測試；按照GB/T3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗》標準，在不同溫度下對試樣進行熱空氣老化，取出后將試樣在室溫下冷卻24h后，進行剪切強度測試[5-6]。

1.3.2傅立葉變換紅外光譜分析

對老化前后試樣進行傅立葉變換紅外光譜（FT?IR）測試，掃描精度為4cm^-1，掃描次數為32次，掃描范圍為4000～500cm^-1。

1.3.3熱失重分析

對膠帶的亞克力泡棉進行熱失重分析（TG），稱取樣品5～10mg，放入氧化鋁坩堝，采用空氣氣氛，流量為100mL/min，保護氣為氮氣，流量為20mL/min。

熱失重升溫試驗法，采用空氣氣氛，選擇升溫速率為2、4、6、8、10K/min，溫度范圍為25～600℃。

熱失重恒溫試驗法，采用空氣氣氛，升溫速率為50K/min，選擇溫度為260、270、280、290、300℃。

2結果與討論

2.1阻尼膠帶老化過程分析

阻尼膠帶由丙烯酸酯膠粘劑和亞克力泡棉基材構成，丙烯酸膠粘劑的初始剪切強度大約為20MPa左右，而膠帶粘接測試的剪切強度在1.4～2.4MPa之間，從試樣破壞的形貌可以看出，亞克力泡棉基材率先被撕裂，基材破壞是影響剪切強度的關鍵因素[6]。因此可以通過膠帶基材的熱失重分析，來預測膠帶的老化壽命。為考察樣品老化前后的膠帶材料化學結構的變化，以老化前樣品為對照，利用FTIR對材料老化前和老化后的化學基團進行分析，對比結果如圖1所示。

由圖1可知，泡棉基材老化前后均在2967cm^-1、2931cm-1和2850cm^-1處出現了波峰，是分別由甲基和亞甲基C-H的伸縮振動引起的，可見老化后的該吸收峰強度減弱，說明老化后甲基基團數量減少。老化后樣品在1728cm^-1和1167cm-1處羰基C===O吸收峰強度強于老化前樣品，說明亞克力泡棉基材在熱老化后羰基C===O數量變多。老化后樣品在1062cm^-1出現了波峰，該峰是由—CH—OH基團中的羥基—OH彎曲振動引起的，可見老化后羥基—OH數量變多，說明亞克力泡棉基材經過熱老化后，出現了氧化現象[7-9]。羰基C===O、羥基—OH吸收峰強度越高氧化現象越明顯。

圖2為阻尼膠帶中亞克力泡棉基材分別在兩種氣氛下的熱失重曲線。由圖2可知氮氣氣氛下泡棉基材只有一個失重階段，該階段主要發生碳碳分子鏈的熱分解，起始溫度約為290°C。在空氣氣氛下存在兩個失重階段[10-11]，第一個失重階段約在240～410°C，在此溫度區間內氮氣氣氛下的失重速度慢于空氣氣氛下的失重速度，這說明此階段在空氣氣氛下不僅有C—C分子鏈熱分解，還有支鏈、端基、殘留的雙鍵等易氧化組分發生了氧化分解。第2個階段約在410～480℃，此階段發生分解的是一些穩定的氧化物和碳化合物。在300℃時，空氣氣氛下質量損失為15%，氮氣氣氛下質量損失為10%，本文壽命預測研究溫度上限定為300℃。

2.2加速熱老化試驗法壽命預測

GB/T3512—2014規定老化最高溫度應使試樣達到臨界值的時間不少于100h，選取老化溫度150、160、170℃，并按時間24、48、96、168、288、576、700、1000h進行取樣，進行拉伸剪切強度測試，老化后的剪切強度除以老化前的剪切強度，得到阻尼膠帶剪切強度保持率，計算結果如表1所示。

由表1可知，隨著老化溫度的升高，膠帶剪切強度下降速度加快。根據表1數據擬合出150、160、170℃下的阻尼膠帶剪切強度保持率隨時間變化的曲線，如圖3所示。

由圖3（a）可見，150℃下膠帶剪切強度保持率的變化是有梯度的，在0～50h內下降最快，在50～110h內下降放緩，110～600h內剪切強度下降變快且在該區間內失效，600～1000h內下降速度放緩，選取110～600h內的3個點進行曲線擬合[12～15]，得出150℃下線性方程。由圖3（b）可見，160℃下膠帶剪切強度保持率，在0～80h內下降較快，80～350h內剪切強度下降速度放緩且在該區間內失效，選取80～350h內的3個點進行曲線擬合，得出160℃下線性方程。由圖3（c）可見，170℃下膠帶剪切強度保持率，在0～50h內下降較快，50～270h內下降速度放緩且在該區間內失效，選取50～270h內3個點進行曲線擬合，得出170℃下線性方程。

經計算得出150、160、170℃膠帶的剪切強度保持率衰減公式：

y=-0.10x+91.02 （1）

y=-0.14x+82.07 （2）

y=-0.15x+74.44 （3）

式中：x為時間，h；y為膠帶剪切強度保持率，%。

根據GB/T 2951.12—2008《電纜和光纜絕緣和護套材料通用試驗方法第12部分：通用試驗方法-熱老化試驗方法》，材料性能值降至初始值的50%作為膠帶性能變化的臨界值。將y=50%代入各式，得到阻尼膠帶在3個溫度下失效所用的時間：t150=429.29h、t160=233.57h、t170=162.93h。

根據Arrhenius方程，材料壽命與溫度倒數成線性關系[11-12，16]，如式（4）所示：

lgt=a/T+b （4）

式中：t為時間，min；T為熱力學溫度，K；T’為溫度，℃；a、b為常數。

按照式（4），將3個溫度下失效所用的時間進行線性擬合，線性擬合曲線如圖4所示。

由圖4的阻尼膠帶的Arrhenius圖可以得出膠帶的壽命方程[17]：

y=3933.01x–6.68 （5）

根據式（5）計算溫度25℃時阻尼膠帶的熱老化壽命為368年，70℃時為1.14年。

2.3熱失重升溫試驗法壽命預測

一般認為當聚合物失重5%時已經不建議使用，本研究選取5%的失重所經歷的試驗周期作為阻尼膠帶壽命的終點[10]。對阻尼膠帶泡棉基材部分進行熱失重升溫試驗，熱失重曲線如圖5所示。

2.4熱失重恒溫試驗法壽命預測

根據熱失重升溫試驗數據可知，阻尼膠帶泡棉基材失重5%時，溫度為220～270℃。因此，本試驗選擇260、270、280、290、300℃作為熱失重恒溫試驗溫度，圖7為在空氣環境下不同溫度的恒溫熱失重曲線。

由圖7可見，隨著溫度升高，阻尼膠帶泡棉基材失重線斜率變大，失重達5%所用的時間變短，膠帶失重5%所用的時間為：t260=2.94min、t270=1.95min、t280=1.15min、t290=0.78min、t300=0.56min。利用五個失重所用時間數據進行線性擬合[10-11，20]，線性擬合曲線如圖8所示。

將上述阻尼膠帶的斜率和截距代入式（4），可求出阻尼膠帶的壽命預測方程。

y=5633.28x-11.88 （9）

根據式（9）計算得到，在25℃下阻尼膠帶熱失重恒溫試驗預測壽命為1214年；在70℃下為4年。

3結語

（1）阻尼膠帶泡棉基材老化前后樣品的紅外光譜結果表明，樣品老化后其不同位置特征峰強度會發生改變，羥基和羰基數量會增大，甲基數量降低；

（2）由加速熱老化試驗壽命預測可知，25℃下膠帶的使用壽命為367年，70℃下為1.14年。由熱失重升溫試驗壽命預測可知，25℃下膠帶的使用壽命為138年，70℃下為0.9年。由熱失重恒溫試驗壽命預測可知，25℃下膠帶的使用壽命為1214年，70℃下為4年；

（3）試驗證明阻尼膠帶使用壽命可以滿足低噪音車輪的現場需求。