疊層橡膠彈簧表面微裂紋原因淺析

高曉鵬+藺習(xí)英+郭世成

摘要：疊層橡膠彈簧是軌道交通轉(zhuǎn)向架上固定減速傳動(dòng)裝置用的核心彈性元件，通過(guò)對(duì)裝車(chē)試運(yùn)行過(guò)程中疊層橡膠彈簧表面出現(xiàn)的微裂紋原因分析，結(jié)合CAE仿真計(jì)算、工藝分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等方法，找到其形成原因及改進(jìn)措施，加速了疊層橡膠彈簧國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，為軌道交通橡膠彈性元件研制提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：疊層橡膠彈簧、彈性元件、軸向剛度、強(qiáng)度分析

1 概述

1.1結(jié)構(gòu)及工作原理

疊層橡膠彈簧是軌道交通轉(zhuǎn)向架上固定減速傳動(dòng)裝置用的核心彈性元件。外形為橡膠與金屬鋼板組成的實(shí)心圓柱體，中間嵌入金屬薄片，金屬薄片內(nèi)有四個(gè)孔，軸向?qū)R，經(jīng)高溫高壓多層橡膠和多層鋼板交互堆疊硫化而成（見(jiàn)圖1）。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、垂向撓度大、隔震效果好、承受載荷大等優(yōu)點(diǎn)，

疊層橡膠彈簧裝配時(shí)，經(jīng)專(zhuān)用工裝預(yù)壓縮，一端通過(guò)C型支架配對(duì)安裝固定在轉(zhuǎn)向架上，另一端徑向?qū)ΨQ(chēng)布置安裝在輪對(duì)上的齒輪箱輸入軸位置，將齒輪箱浮動(dòng)支承固定在轉(zhuǎn)向架上，并吸收通過(guò)輪對(duì)傳遞到齒輪箱的路面激勵(lì)和振動(dòng)，起良好的隔振和緩沖功能，能滿足減速傳動(dòng)裝置各種使用工況特性（見(jiàn)圖2）。工作環(huán)境溫度：-40～70℃。

1.2 裂紋現(xiàn)象描述

某高鐵試驗(yàn)動(dòng)車(chē)已在線試運(yùn)行約6萬(wàn)公里，專(zhuān)項(xiàng)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)減速傳動(dòng)裝置疊層橡膠彈簧橡膠層表面存在軸向輕微裂紋，且呈周向均勻分布（見(jiàn)圖3）。

外觀檢查項(xiàng)目及結(jié)果：外觀檢查硬度、剛度、尺寸符合產(chǎn)品圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求；無(wú)腐蝕、無(wú)機(jī)械損傷，表面黑色 ，無(wú)變色。除橡膠表面周向均布微裂紋外，未發(fā)現(xiàn)其它異常。局部裂紋呈網(wǎng)狀，軸向裂紋比較顯著，裂紋分布量從軸向中間至兩端逐漸減少，離薄金屬板金件越近的橡膠部位永久變形量越大，裂紋分布越多；表面呈灰色，擦拭后顯橡膠本色；橡膠有彈性。解體檢查發(fā)現(xiàn)，裂紋出現(xiàn)在斷面表層，內(nèi)部無(wú)裂紋；裂紋深度最大0.5mm，裂紋長(zhǎng)度最大5mm（見(jiàn)圖4）。

2原因分析

2.1理論分析

2.1.1 軸向剛度擬合分析

疊層橡膠彈簧在實(shí)際工作中主要承受軸向壓縮變形，根據(jù)試驗(yàn)邊界條件，設(shè)置仿真邊界結(jié)果，根據(jù)CAE分析計(jì)算結(jié)果，提取參考點(diǎn)支反力，繪制剛度曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合對(duì)比，評(píng)估其軸向壓縮剛度。

從圖中可以看出，試驗(yàn)剛度與仿真剛度最大誤差小于15%。仿真結(jié)果具有較高的可信度。

2.1.2 強(qiáng)度分析

（1）材料參數(shù)

疊層橡膠彈簧采用橡膠與金屬板硫化成型，在軸向強(qiáng)迫壓縮至極限位移11.5mm工況下，分析其結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度。分析中使用的材料參數(shù)及應(yīng)用范圍如下表。

（2）CAE分析過(guò)程（見(jiàn)圖7、8、9）

（3）CAE分析結(jié)果

根據(jù)馮.米塞斯屈服準(zhǔn)則，從有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析得出：疊層橡膠彈簧在極限工況條件下安全系數(shù)足夠，設(shè)計(jì)剛度合理，完全能滿足使用工況要求。對(duì)于如此高安全系數(shù)的產(chǎn)品，其安全可靠度較高，在30萬(wàn)公里運(yùn)行試驗(yàn)里程內(nèi)，因淺表微裂紋導(dǎo)致其斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較小。

2.1.3 工作受力分析

從其工作受力狀態(tài)分析，疊層橡膠彈簧工作時(shí)，表面呈鼓形，表明工作主要是受壓，壓應(yīng)力較顯著傳遞到表面，形成軸向裂紋。另該產(chǎn)品為實(shí)心體結(jié)構(gòu)，從其內(nèi)部釋放應(yīng)力能力較差，實(shí)心體助長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)力向外表傳遞，在外表面周向形成單向拉應(yīng)力導(dǎo)致開(kāi)裂，在垂向交變高負(fù)荷作用下，橡膠表面應(yīng)力過(guò)大也可能導(dǎo)致裂紋，單向拉應(yīng)力在外表氧化環(huán)境中，容易助長(zhǎng)橡膠老化，降低彈性而開(kāi)裂?？杉铀俦砻骈_(kāi)裂。

2.2制造原因分析

2.2.1 工藝流程

疊層橡膠彈簧制作主要工藝流程如下圖所示：

其中，膠料配比和硫化工藝是其制作過(guò)程控制的關(guān)鍵工序。

2.2.2膠料

按疊層橡膠彈簧的使用功能和性能指標(biāo)要求制定膠料配方，主材質(zhì)為單一的普通天然膠。其裂紋外觀表象特征為淺表網(wǎng)狀（軸向更顯著）龜裂；表面硬化，失去彈性；脆化后掉渣易脆落；從裂紋外觀表象特征分析，橡膠材料抗老化差， 使用受熱過(guò)速氧化，橡膠老化是早期失效主因。

2.2.3硫化工藝

硫化工藝參數(shù)：模具溫度 155℃；硫化時(shí)間 1800S；橡膠邵氏硬度70±5。硫化過(guò)程中可能會(huì)因局部應(yīng)力過(guò)大，橡膠硬度較高，工作時(shí)處于壓縮狀態(tài)，表面會(huì)鼓起，表面橡膠內(nèi)部受擠壓應(yīng)力增大，會(huì)加速表面橡膠老化、出現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象。

2.3 改進(jìn)措施

（1）采用高品質(zhì)美國(guó)進(jìn)口煙片膠和進(jìn)口三元乙丙膠混合使用，在原配方的基礎(chǔ)上調(diào)整NR與EPDM的并用配比，提高EPDM占比（因EPDM耐熱性?xún)?yōu)于NR）。通過(guò)調(diào)整材料配方和比例，適當(dāng)降低邵氏硬度到65～68；加入耐熱性助劑，提高其耐候性、抗高低溫性能；

（2）通過(guò)調(diào)整材料配方，多次試驗(yàn)優(yōu)化膠料配方，增加防老劑的用量，提高抗老化性能；

（3）通過(guò)硫變?cè)囼?yàn)多次調(diào)整硫化參數(shù)。如采取降低注塑溫度，加大注塑口，減小注塑壓力等措施， 實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化。

（4）減小動(dòng)靜剛度比，降低膠料發(fā)熱，采用進(jìn)口粘合劑提高橡膠與金屬骨架的粘合強(qiáng)度，來(lái)提升產(chǎn)品抗疲勞壽命性能。

2.4產(chǎn)品驗(yàn)證

（1）驗(yàn)證方法：實(shí)施相應(yīng)改進(jìn)措施，重新試制合格樣品，經(jīng)原材料基本性能檢測(cè)、電阻測(cè)試、蠕變?cè)囼?yàn)、極限壓縮試驗(yàn)、動(dòng)靜剛度試驗(yàn)、剪切剛度試驗(yàn)、高低溫性能試驗(yàn)后、定制專(zhuān)用試驗(yàn)工裝，輸入150%超載負(fù)荷、模擬實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行臺(tái)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）驗(yàn)證結(jié)果：經(jīng)過(guò)300萬(wàn)次臺(tái)架疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證，橡膠表面無(wú)微裂紋產(chǎn)生。

3 結(jié)論

（1）疊層橡膠彈簧由于膠料配比失衡、硫化工藝參數(shù)控制不當(dāng)及工作時(shí)實(shí)心結(jié)構(gòu)承受交變載荷，壓應(yīng)力釋放等原因產(chǎn)生淺表微裂紋；

（2）利用CAE仿真剛強(qiáng)度分析、優(yōu)化工藝參數(shù)、產(chǎn)品臺(tái)架驗(yàn)證等方法，實(shí)施相應(yīng)的改進(jìn)措施，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了用戶裝車(chē)使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 疊層橡膠彈簧剛強(qiáng)度分析報(bào)告[R]，中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司. 2014-09-12 何章濤

[2.] 膠堆設(shè)計(jì)分析報(bào)告[R]，中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司 2012-12-10韓鵬endprint