馮帆
摘 要:對(duì)橡膠復(fù)合材料的疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究。利用對(duì)橡膠復(fù)合材料制備的空氣彈簧配方進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方式,煉制出混煉膠,將該膠體放入特別的模具中,然后連同模具一并放入硫化機(jī)中進(jìn)行硫化;采用空氣彈簧性能分析的方法對(duì)性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明:空氣彈簧的疲勞壽命可達(dá)到650萬(wàn)次左右,各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國(guó)家設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn);可為多種領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)I造良好氛圍。
關(guān)鍵詞:橡膠復(fù)合材料;空氣彈簧;疲勞性能;裂紋擴(kuò)展
中圖分類號(hào):TQ050.4+3;TH135?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-5922(2022)01-095-04
Performance analysis of air spring prepared from rubber composite material
FENG Fan
(Shaanxi National Defense Industry Vocational and Technical College,Xi′an 710300,China)
Abstract:To analyze performance of air spring rubber composite materials preparation,on the fatigue crack growth of the rubber composite material research,the use of rubber air spring formula experiment of the preparation of composite materials,refined out of mixing rubber,and the colloid into special molds,connected with mold vulcanization into vulcanizing machine.The method of air spring performance analysis is used to study the performance.The test results showed that the fatigue life of air spring could reach about 6.5 million times,and the performance met the national standards set for the spring,which could create a good atmosphere for the development of a variety of fields.
Key words:rubber composites;air spring;fatigue performance;cack propagation
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,人們的整體生活水平逐漸增長(zhǎng),該現(xiàn)象促使我國(guó)汽車領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)模越來(lái)越大,而車輛懸掛系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組件為空氣彈簧,該組件可有效保證汽車的減震、緩沖等功能,但是,為最大限度的保證車輛的穩(wěn)定性以及乘客的安全,大部分車輛中的空氣彈簧未到使用年限即更換,基于此,本文針對(duì)橡膠復(fù)合材料制備的空氣彈簧性能進(jìn)行如下分析。
1 空氣彈簧的概述分析
1.1 結(jié)構(gòu)和材料分析
通過(guò)研究可知,空氣彈簧主要由3部分組成,分別是上蓋板、下蓋板以及橡膠氣囊。通常情況下,蓋板的主要制作材料為缸體材料,而橡膠氣囊主要由簾線層、內(nèi)外層膠等材料經(jīng)過(guò)硫化而制成,使空氣彈簧在性能方面具有良好的耐壓性和耐用性,為保證空氣彈簧具有一定耐侵蝕性,針對(duì)空氣彈簧進(jìn)行密封。當(dāng)前市面上針對(duì)空氣彈簧進(jìn)行密封的方法主要包括兩種,螺釘密封式和壓力自封式,其中壓力自封式密封法憑借便捷性等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域[1]。
1.2 空氣彈簧的分類
通常情況下可將空氣彈簧分為兩種,分別是囊式和膜式,二者之間性能各不相同。
(1)囊式空氣彈簧的使用壽命相對(duì)來(lái)講較長(zhǎng),但是該彈簧的制作工藝過(guò)于復(fù)雜,并且成品的穩(wěn)定性較差,不適合廣泛應(yīng)用;
(2)膜式空氣彈簧內(nèi)部剛度較小,可有效控制該彈簧的彈性特性曲線,但該彈簧的耐久程度較差[2]。
2 橡膠疲勞裂紋擴(kuò)展研究方法
2.1 裂紋成核法
通過(guò)分析可知,裂紋成核法下的橡膠材料具有一定的使用壽命,可形成裂紋成核壽命,而裂紋成核壽命實(shí)際上指的是:橡膠材料中某一尺寸出現(xiàn)裂紋時(shí)所經(jīng)歷的載荷循環(huán)次數(shù),該裂紋的產(chǎn)生主要與橡膠材料在不同外力作用下所決定,并且該材料的疲勞壽命可通過(guò)應(yīng)變能密度進(jìn)行觀察。將該材料應(yīng)用于實(shí)際中可發(fā)現(xiàn),該材料易受外界因素影響而出現(xiàn)疲勞,為針對(duì)材料的疲勞使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),采用S-N曲線法,S-N曲線如圖1所示[3]。
2.2 裂紋擴(kuò)展法
從能量的角度對(duì)該裂紋進(jìn)行分析可知,造成材料出現(xiàn)裂紋的主要原因是:橡膠材料長(zhǎng)時(shí)間被外界惡劣環(huán)境所侵蝕,促使材料出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象。而裂紋擴(kuò)展法主要是在Griffith斷裂理論的基礎(chǔ)上提出的,該方法的主要觀點(diǎn)是材料出現(xiàn)斷裂的情況下,應(yīng)使斷裂部分重新產(chǎn)生新的表面,這有利于保證材料的使用壽命[4]。
2.3 有限元法
空氣彈簧主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷增長(zhǎng),空氣彈簧的使用量處于遞增狀態(tài),該現(xiàn)象造成空氣彈簧的失效成品數(shù)量居多,不利于保證人身安全。為此,針對(duì)空氣彈簧的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)至關(guān)重要。而有限元分析方法可針對(duì)空氣彈簧的壽命進(jìn)行分析,分析步驟主要包括前處理、輸入文件、模擬計(jì)算、輸出文件以及后處理,該方法可針對(duì)空氣彈簧的裂紋擴(kuò)展區(qū)域進(jìn)行高效研究,具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)[5]。
3 橡膠復(fù)合材料制備的空氣彈簧配方實(shí)驗(yàn)
3.1 空氣彈簧實(shí)驗(yàn)配方
為針對(duì)不同材料用量下的空氣彈簧性能進(jìn)行研究,本文采取空氣彈簧配方實(shí)驗(yàn)的方式,對(duì)空氣彈簧性能進(jìn)行分析。空氣彈簧配方實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前,應(yīng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)配方進(jìn)行研究??諝鈴椈蓪?shí)驗(yàn)配方主要按照質(zhì)量份的方法進(jìn)行配比,其中NR 100、N33030、氧化鋅5、硬脂酸2、石蠟1、防護(hù)蠟1、防老化劑4010 2、防老劑RD 1、Si69 1、C5樹(shù)脂4、硫磺2、促進(jìn)劑NOBS 1、促進(jìn)劑DM 1 、芳烴油V700 1、再生膠粉(粒度1.25~1.9 mm)0、5、10、20、30[6]。
3.2 混煉工藝
橡膠復(fù)合材料制備的空氣彈簧混煉工藝主要包括兩個(gè)階段:
(1)混煉。首先應(yīng)將橡膠復(fù)合材料切割成細(xì)條狀后,放入BL-6157型開(kāi)煉機(jī)中進(jìn)行開(kāi)煉,橡膠復(fù)合材料完畢后,將該材料置于密煉機(jī)中,在溫度為90 ℃、轉(zhuǎn)速為80 r/min的環(huán)境下,將該材料混煉1 min,混煉完畢后,向其加入抗老化劑、石蠟、樹(shù)脂等材料繼續(xù)混煉1 min,并依次向儀器設(shè)備中加入CBN330持續(xù)混煉1 min,最后向該儀器中放入V700混煉1 min,直至全部材料混合均勻后,將儀器中的膠料排除儀器外;
(2)開(kāi)煉。將混煉后排除儀器外的膠料進(jìn)行冷卻,時(shí)間大約為2~3 h,冷卻完畢后,將該材料放入開(kāi)煉機(jī)中進(jìn)行調(diào)節(jié)至最小輥筒距離,在膠料處于堆積狀態(tài)、并堆積至開(kāi)煉機(jī)的頂部時(shí),向儀器中加入促進(jìn)劑NOBS、DM、ZnO以及普通硫磺,通過(guò)不同添加劑的使用,可使膠料處于硫化狀態(tài),在材料全部混合均勻后,可進(jìn)行薄通8~10次,并將該材料進(jìn)行下片冷卻,時(shí)間為8 h[7]。
通過(guò)混煉以及開(kāi)煉工藝可形成混煉膠,將該膠體放入本文特別準(zhǔn)備的模具中,連同模具一并放入硫化機(jī)中進(jìn)行硫化,硫化過(guò)程中應(yīng)保證溫度為150 ℃、壓力為10 MPa、時(shí)間為1.3×tc90,硫化完畢后放置專門地點(diǎn)待用。
4 橡膠復(fù)合材料制備的空氣彈簧性能分析
4.1 不同復(fù)合材料用量硫化性能
復(fù)合材料制備的空氣彈簧具有一定的硫化性能,為此,針對(duì)橡膠復(fù)合材料制備的空氣彈簧的硫化性能進(jìn)行分析,通過(guò)分析可知,再生膠粉的用量與硫化性能存在直接關(guān)系,從某種意義上講,再生膠粉的含量可使空氣彈簧的含膠率大大降低,除此之外,再生膠粉的含量與交聯(lián)密度也存在一定關(guān)聯(lián),隨著再生膠粉含量的持續(xù)增長(zhǎng),交聯(lián)密度處于降低趨勢(shì),再生膠粉用量對(duì)膠料硫化性能的影響如圖2所示[8]。
4.2 不同復(fù)合材料用量機(jī)械性能及耐臭氧老化性能
通過(guò)上述分析可知,在空氣彈簧的制備過(guò)程中加入再生膠粉,對(duì)于空氣彈簧的性能存在一定影響,該影響可體現(xiàn)在膠粉加入的過(guò)程中,膠料的物理力學(xué)性能明顯下降,為保證該膠料在性能方面具有較好的效果的同時(shí),將膠料的生產(chǎn)成本降至最低,可將再生膠粉在原有用量的基礎(chǔ)上再加20~30份,通過(guò)研究表明,在該用量下的物理機(jī)械性能可滿足空氣彈簧的生產(chǎn)需求,不同復(fù)合材料用量力學(xué)性能及老化性能參數(shù)如表1所示[9]。
4.3 不同復(fù)合材料用量RPA老化性能
為驗(yàn)證混煉膠的RPA老化性能,將制成的混煉膠放入熱氧老化箱,并將熱氧老化箱的溫度調(diào)至100 ℃,時(shí)間為24 h,在該環(huán)境下進(jìn)行性能分析,可準(zhǔn)確驗(yàn)證老化前后G’的比值,而G’的比值可深刻反映出混煉膠的RPA老化性能,不同的比值所表明的性能好壞也各不相同,其結(jié)果可反映出,向混煉膠中加入再生膠粉的份數(shù)為20~30份時(shí),混煉膠的RPA老化性能較好,此時(shí)的產(chǎn)品可滿足性能需求[10]。
4.4 成品疲勞性能分析
為驗(yàn)證空氣彈簧成品的疲勞性能,采用雙工位空氣彈簧疲勞試驗(yàn)機(jī)針對(duì)該成品進(jìn)行測(cè)試分析。在測(cè)試過(guò)程中首先對(duì)空氣彈簧成品進(jìn)行氣密性檢查,并將每次檢查的時(shí)間控制在24 h,通過(guò)該檢查可測(cè)量出本次試驗(yàn)的壓力和最大外徑,若測(cè)試結(jié)果顯示壓強(qiáng)降低0.1 MPa或者出現(xiàn)簾線外露情況時(shí),即可認(rèn)為該彈簧出現(xiàn)疲勞,且疲勞已經(jīng)失效。最終結(jié)果顯示,通過(guò)橡膠復(fù)合材料制備的空氣彈簧成品性能較好,其中疲勞壽命可達(dá)到650萬(wàn)次左右,并且各項(xiàng)性能符合國(guó)家對(duì)該彈簧設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn),空氣彈簧壽命實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
5 結(jié)語(yǔ)
綜上所述,通過(guò)對(duì)空氣彈簧進(jìn)行分析可知,空氣彈簧屬于一種非金屬?gòu)椈?,具有較好的非線性特性,對(duì)于車輛的穩(wěn)定性具有顯著提升作用。因此,空氣彈簧被廣泛應(yīng)用于車輛和工業(yè)等多種領(lǐng)域。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷增長(zhǎng),空氣彈簧的使用量處于遞增狀態(tài),該現(xiàn)象造成空氣彈簧的失效成品數(shù)量居多,不利于保證人身安全,為此,本文針對(duì)橡膠復(fù)合材料制備的空氣彈簧的性能進(jìn)行分析,通過(guò)測(cè)試結(jié)果可知,該空氣彈簧疲勞壽命可達(dá)到650萬(wàn)次左右,并且各項(xiàng)性能符合國(guó)家針對(duì)該彈簧設(shè)立的標(biāo)準(zhǔn)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]柴宇君,李志華,黃震,等.基于ABAQUS的汽車空氣彈簧力學(xué)特性分析[J].南方農(nóng)機(jī),2019(23):3-5.
[2] 王靖岳,郭勝,鄂加強(qiáng).非線性空氣彈簧數(shù)學(xué)模型的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2019(6):20-23.
[3] 陳戈,魯寨軍,孔風(fēng)等.基于ABAQUS的動(dòng)車組空氣彈簧垂向靜剛度特性有限元分析[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2019(2):1-5.
[4] 李雪冰,曹金鳳,危銀濤.空氣彈簧多變過(guò)程的有限元模擬[J].工程力學(xué),2019(2):224-228.
[5] 高曉華,陳俊杰,曾祥坤.汽車懸架空氣彈簧靜態(tài)力學(xué)性能有限元建模與計(jì)算[J].云南化工,2019(6):183-185.
[6] 陳平亮,李殿起,劉光輝,等.汽車空氣彈簧特性分析[J].機(jī)械工程師,2018(2):33-35.
[7] 高加泉,袁曉云,韓苗苗.汽車空氣彈簧基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與展望[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2018(1):115-116.
[8] 戚壯,喬偉超,陳清化,等.標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組用空氣彈簧動(dòng)力學(xué)建模與服役性能試驗(yàn)研究[J].振動(dòng)與沖擊,2020(11):129-137.
[9] 李玉如,楊冰,謝君科,等.空氣彈簧彈射沖擊性能影響因素研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2020(10):144-153.
[10] 于航,姚國(guó)鳳.空氣彈簧隨溫度變化靜剛度特性分析[J].地震工程與工程振動(dòng),2019(6):148-153.