載荷因素對橡膠減震器動靜態(tài)性能影響的研究

曾憲奎，馮翰林，鮑麗蘋，高遠(yuǎn)昊

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

動車組橡膠地板減震器是影響車廂內(nèi)乘客舒適性的重要影響因素之一，列車運(yùn)行時傳遞給減震器的頻率、車廂內(nèi)旅客人數(shù)等載荷因素會對減震器的動靜態(tài)性能產(chǎn)生很大影響，動靜態(tài)性能下降會導(dǎo)致乘坐舒適性降低[1-3]。本工作對動車組橡膠地板減震器進(jìn)行不同加載條件下的疲勞試驗(yàn)[4]，并將破壞后的試樣切片進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）掃描，從性能變化和微觀形態(tài)兩方面研究其動靜態(tài)性能變化，以期對動車組橡膠地板減震器生產(chǎn)、使用和維護(hù)提供一定參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要設(shè)備和儀器

UD-3600型動態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)，中國臺灣優(yōu)肯科技股份有限公司產(chǎn)品；SU8000型SEM，日本日立公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 疲勞試驗(yàn)

選取9個橡膠減震器，先進(jìn)行性能參數(shù)測試[5]，然后依次放置在動態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)條件分別為：預(yù)位移和振幅 （1.5±0.5）mm，頻率 5 Hz；固定頻率 10 Hz，預(yù)位移和振幅 （1.8±0.7），（2±1），（2.5±1.5），（3±2）mm；固定預(yù)位移和振幅 （2±1） mm，加載頻率10，15，20，25 Hz。每隔50萬次疲勞次數(shù)測試橡膠減震器性能參數(shù)變化，直到減震器破壞為止。

1.2.2 SEM掃描

選取加載頻率為10 Hz、預(yù)位移和振幅為（2.5±1.5） mm、疲勞550萬次破壞的減震器進(jìn)行切片，做成試樣1；選取預(yù)位移和振幅為（2±1）mm、加載頻率為20 Hz、疲勞500萬次破壞的減震器進(jìn)行切片，做成試樣2，分別進(jìn)行SEM掃描。

2 結(jié)果與討論

2.1 載荷因素對減震器動靜態(tài)性能的影響

2.1.1 靜剛度和動剛度

載荷因素對減震器動靜剛度的影響見圖1。

從圖1可以看出，在加載頻率為5 Hz、預(yù)位移和振幅為（1.5±0.5） mm、疲勞至800萬次時，減震器的靜剛度和動剛度沒有明顯變化；在加載頻率為10 Hz、疲勞次數(shù)為400萬、預(yù)位移和振幅由（1.8±0.7） mm增大到（2.5±1.5） mm時，減震器的靜剛度和動剛度分別下降了10.9%和10.0%；在預(yù)位移和振幅為（2±1） mm、疲勞次數(shù)為300萬、加載頻率由10 Hz增大到25 Hz時，減震器的靜剛度和動剛度分別下降了14.3%和13.9%。

圖1 載荷因素對減震器動靜剛度的影響

2.1.2 儲能模量和損耗模量

載荷因素對減震器儲能模量和損耗模量的影響見圖2。

從圖2可以看出，在加載頻率為5 Hz、預(yù)位移和振幅為（1.5±0.5） mm、疲勞至800萬次時，減震器的儲能模量和損耗模量沒有明顯變化；在加載頻率為10 Hz、疲勞次數(shù)為400萬、預(yù)位移和振幅由（1.8±0.7） mm增加到（2.5±1.5） mm時，儲能模量和損耗模量分別下降了4.5%和13.0%；在預(yù)位移和振幅為（2±1） mm、疲勞次數(shù)為300萬、加載頻率由10 Hz增加到25 Hz時，儲能模量和損耗模量分別下降了6.2%和27.7%。

圖2 載荷因素對減震器儲能模量和損耗模量的影響

2.1.3 阻尼系數(shù)

載荷因素對減震器阻尼系數(shù)的影響見圖3。

從圖3（a）可以看出，在加載頻率為5 Hz、預(yù)位移和振幅為（1.5±0.5） mm時，隨著疲勞次數(shù)的增大，阻尼系數(shù)并沒有出現(xiàn)明顯的變化規(guī)律，只是在正常參數(shù)范圍內(nèi)波動；在加載頻率為10 Hz、預(yù)位移和振幅分別為（1.8±0.7）和（2±1） mm時，隨著疲勞次數(shù)的增大，減震器的阻尼系數(shù)幾乎保持不變；疲勞次數(shù)為400萬、預(yù)位移和振幅由（2.5±1.5） mm增大到（3±2） mm時，減震器的阻尼系數(shù)減小了6.5%。從圖3（b）可以看出，疲勞次數(shù)為300萬、預(yù)位移和振幅為（2±1） mm、加載頻率由10 Hz增大到25 Hz時，阻尼系數(shù)減小了12.6%。

圖3 載荷因素對減震器阻尼系數(shù)的影響

分析認(rèn)為，在加載頻率為5 Hz、預(yù)位移和振幅為（1.5±0.5） mm時，減震器的橡膠結(jié)構(gòu)、分子鏈等結(jié)構(gòu)未造成破壞，因此未影響橡膠減震器的整體剛度性能，橡膠減震器依然具有較好的減震性能，同時還可以認(rèn)為橡膠減震器具有無限疲勞壽命。

增大預(yù)位移和振幅相當(dāng)于增大了橡膠地板減震器受到的應(yīng)力-應(yīng)變作用，周期性的應(yīng)力-應(yīng)變會破壞橡膠材料的化學(xué)弱鍵，從而產(chǎn)生細(xì)微裂紋，裂紋的擴(kuò)展導(dǎo)致減震器抵抗彈性能力減弱，表現(xiàn)為靜剛度下降；隨著疲勞次數(shù)的累加，材料內(nèi)部損傷積累，力學(xué)性能表現(xiàn)為動剛度、儲能模量和損耗模量降低。預(yù)位移和振幅的增大沒有破壞材料分子鏈上的側(cè)基結(jié)構(gòu)，側(cè)基阻礙了分子鏈的整體運(yùn)動，使得分子鏈之間的作用力變大，產(chǎn)生滯后效應(yīng)，因而阻尼系數(shù)的波動在正常參數(shù)范圍內(nèi)。

由于橡膠材料具有粘彈滯后效應(yīng)，其發(fā)熱速率會隨加載頻率的提高而提高，熱量來不及排放，導(dǎo)致橡膠材料發(fā)生熱降解，表現(xiàn)為靜剛度下降；加載頻率的增大使得橡膠材料溫度升高，熱量不易散失，橡膠材料發(fā)生熱降解，材料內(nèi)部發(fā)生永久性破壞，力學(xué)性能表現(xiàn)為動剛度、儲能模量和損耗模量的降低[6]。頻率的提高伴隨著生熱和溫升現(xiàn)象，熱生成引起的滯后損失加速了橡膠材料的累積損傷，表現(xiàn)為阻尼系數(shù)減小。

2.2 SEM分析

2.2.1 預(yù)位移和振幅

試樣1不同放大倍數(shù)的SEM照片見圖4。觀察發(fā)現(xiàn)，橡膠塊出現(xiàn)了多條垂直于加載方向的裂紋，且裂紋都是在橡膠同一層面，方向幾乎一致，斜向下延伸；破壞表面光滑，沒有較大的起伏。放大裂紋處，發(fā)現(xiàn)許多橡膠顆粒。

圖4 試樣1不同放大倍數(shù)的SEM照片

分析認(rèn)為，由于長期經(jīng)受應(yīng)變，橡膠減震器受到的應(yīng)力集中在分子鏈的弱鍵處，當(dāng)應(yīng)力高于鍵的極限強(qiáng)度時分子鏈會斷裂，并且會隨時間的延長而不斷積累，由于裂紋的擴(kuò)展和橡膠材料受到的作用力方向幾乎一致，最終會形成多條裂紋。在疲勞試驗(yàn)過程中，橡膠塊的內(nèi)應(yīng)力分布均勻，因此破壞面相對光滑。

2.2.2 振動頻率

試樣2不同放大倍數(shù)的SEM照片見圖5。觀察發(fā)現(xiàn)在裂紋附近析出了橡膠柱狀物。將橡膠柱放大1 000倍，發(fā)現(xiàn)橡膠柱是由許多橡膠顆粒累積形成；將其根部放大至2 000倍，發(fā)現(xiàn)橡膠材料由固體顆粒區(qū)變?yōu)檎沉鲬B(tài)的過渡區(qū)域。

圖5 試樣2不同放大倍數(shù)的SEM照片

分析認(rèn)為，振動頻率增大，使得減震器橡膠材料發(fā)熱，由于不能及時散熱，橡膠材料內(nèi)部熱量聚積，引起材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷且發(fā)生化學(xué)降解，材料由顆粒狀逐步變?yōu)檎沉鳡?，慢慢從基體分離，脫離后的粘流狀遇冷變成顆粒狀，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，橡膠解體變?yōu)檎沉鳡钪笥隼湮龀錾上鹉z柱[7]。

3 結(jié)論

（1）在加載頻率為5 Hz、預(yù)位移和振幅為（1.5±0.5） mm、疲勞至800萬次時，載荷因素對減震器的動靜態(tài)性能影響很小，可以認(rèn)為減震器有無限疲勞壽命。

（2）載荷因素對橡膠減震器動靜態(tài)性能有很大影響，在固定頻率下，預(yù)位移和振幅增大，動靜剛度、儲能模量、損耗模量和阻尼系數(shù)隨著疲勞次數(shù)的增大而降低，阻尼系數(shù)在正常范圍內(nèi)波動；在固定預(yù)位移和振幅下，頻率增大，上述指標(biāo)隨著疲勞次數(shù)的增大逐漸降低。載荷增幅越大，上述指標(biāo)下降越快，降幅越明顯。相對于預(yù)位移和振幅，頻率對減震器動靜態(tài)性能影響更大。

（3）減震器破壞產(chǎn)生裂紋，裂紋處的橡膠材料由固體顆粒狀轉(zhuǎn)變?yōu)檎沉鳡?，并且會有柱狀物析出?/p>