動(dòng)車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器失效機(jī)理分析及優(yōu)化*

鄭 偉 閆立志 張澤云 魯青君 王金莎

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司， 266111, 青島∥第一作者， 正高級工程師)

車鉤緩沖裝置是保證動(dòng)車組運(yùn)行安全性和舒適性的核心部件之一。按照目前動(dòng)車組車鉤緩沖裝置的檢修要求，車鉤緩沖裝置必須在運(yùn)行120萬km(約3年)后返廠分解更換橡膠緩沖器[1]，該檢修要求成為延長動(dòng)車組檢修周期的最大障礙。因此，研究動(dòng)車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器的失效機(jī)理，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化、改進(jìn)橡膠緩沖器性能，對延長車鉤緩沖裝置的檢修周期具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 動(dòng)車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器的功能及原理

車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器的主要作用是吸收列車連掛和運(yùn)行過程中的列車低速沖擊能量[2-3]。每套動(dòng)車組車鉤緩沖裝置(見圖1)包含2組橡膠緩沖器，其中，橡膠緩沖器1(GK666)主要用于吸收列車運(yùn)行過程中拉伸方向的沖擊能量，橡膠緩沖器2(GK667)主要用于吸收列車運(yùn)行過程中壓縮方向的沖擊能量[4]。

圖1 車鉤緩沖裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of coupler buffer device

2 橡膠緩沖器失效機(jī)理分析

根據(jù)CRH2型動(dòng)車組在運(yùn)行120萬km后車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表1)分析，現(xiàn)有車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器失效的主要原因是車鉤緩沖裝置在運(yùn)行120萬km后，橡膠緩沖器的自由高檢測值(靜置24 h)超出其限值要求，導(dǎo)致橡膠緩沖器無法繼續(xù)使用。

表1 CRH2型動(dòng)車組運(yùn)行120萬km后橡膠緩沖器自由高統(tǒng)計(jì)結(jié)果

針對橡膠緩沖器在動(dòng)車組列車運(yùn)行過程中所承受的載荷變化特點(diǎn)、應(yīng)用環(huán)境及橡膠的材料特性等3方面進(jìn)行分析，導(dǎo)致橡膠緩沖器在運(yùn)行120萬km后自由高下降的可能因素主要有2個(gè)：一是橡膠緩沖器在列車運(yùn)行過程中所承受的交變動(dòng)態(tài)拉伸和壓縮載荷導(dǎo)致橡膠緩沖器發(fā)生蠕變；二是由于橡膠緩沖器在列車運(yùn)行過程中所處的環(huán)境因素導(dǎo)致的橡膠材料老化[5]。

為了進(jìn)一步研究導(dǎo)致橡膠緩沖器自由高下降的主要原因，本文通過動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)，模擬橡膠緩沖器在列車實(shí)際運(yùn)行過程中受到交變動(dòng)態(tài)拉伸和壓縮載荷的作用效果，以及其受到環(huán)境因素的影響。

為方便對比不同因素對橡膠緩沖器失效機(jī)理的影響，定義橡膠緩沖器蠕變量影響因子δ1為：

(1)

式中：

δ1——相同溫度條件下，交變動(dòng)載荷對橡膠緩沖器蠕變量影響因子；

h0——每100萬次動(dòng)態(tài)加載后橡膠緩沖器自由高相對其初始狀態(tài)的變化量，mm；

h總——?jiǎng)榆嚱M運(yùn)行120萬km后橡膠緩沖器自由高相對其初始狀態(tài)的變化量，mm。

定義橡膠緩沖器老化時(shí)間影響因子δ2為：

(2)

式中：

δ2——相同動(dòng)載荷條件下，環(huán)境溫度因素對橡膠緩沖器自由高達(dá)到指定高度時(shí)對應(yīng)老化時(shí)間的影響因子；

t0——相同溫度條件下，橡膠緩沖器自由高達(dá)到指定高度的時(shí)間與橡膠緩沖器失效時(shí)間(約3年)的時(shí)間差；

t——?jiǎng)榆嚱M列車運(yùn)行120萬km時(shí)所用的時(shí)間，即老化失效時(shí)間。

定義橡膠緩沖器失效影響因子δ=δ1+δ2，其中，δ代表不同因素的影響因子對橡膠緩沖器失效的作用大小。

2.1 橡膠緩沖器動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)

CRH2型動(dòng)車組車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器的安裝預(yù)壓力約為63.7 kN，車鉤緩沖裝置在動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行過程中實(shí)測的最大車鉤力約為100 kN。為了盡可能真實(shí)地模擬車鉤緩沖裝置在列車實(shí)際運(yùn)行過程中承受的交變動(dòng)態(tài)載荷，按照表2所示的動(dòng)態(tài)載荷加載條件進(jìn)行橡膠緩沖器的動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)[6]。橡膠緩沖器的動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)加載示意如圖2所示。

表2 橡膠緩沖器動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)加載條件

a) 試驗(yàn)方案

b) 試驗(yàn)現(xiàn)場

在橡膠緩沖器動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)過程中，每完成100萬次動(dòng)態(tài)加載，將橡膠緩沖器拆下并靜置24 h，測量其自由高，測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。該試驗(yàn)條件下，由于環(huán)境溫度相同(常溫且時(shí)間較短)，因此δ主要由δ1決定。

由表3可知，環(huán)境溫度相同條件下，每100萬次動(dòng)態(tài)加載后，橡膠緩沖器自由高隨著動(dòng)態(tài)加載次數(shù)的增加而緩慢下降；在加載300萬次后，自由高基本趨于穩(wěn)定，且遠(yuǎn)大于橡膠緩沖器的最小使用限度。

表3 每100萬次動(dòng)態(tài)加載后橡膠緩沖器自由高和δ統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 橡膠緩沖器熱老化試驗(yàn)

選取橡膠緩沖器GK667，按照表4所示的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法進(jìn)行熱老化試驗(yàn)。試驗(yàn)加載過程示意如圖3所示。

表4 橡膠緩沖器GK667熱老化試驗(yàn)條件

根據(jù)表4所示的熱老化試驗(yàn)條件，記錄橡膠緩沖器GK667在各種溫度條件下的自由高，見表5。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用阿倫尼烏斯方程計(jì)算橡膠緩沖器GK667在常溫(23 ℃)條件下自由高與老化時(shí)間之間的對應(yīng)關(guān)系，并繪制其變化曲線，如圖4所示。該試驗(yàn)條件下，除環(huán)境溫度不同外，緩沖器未施加動(dòng)載荷，因此δ主要由δ2決定。

圖3 橡膠緩沖器GK667熱老化試驗(yàn)加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermal aging test loading of rubber draft gear GK667

表5 橡膠緩沖器GK667自由高達(dá)到212.2 mm時(shí)對應(yīng)的老化時(shí)間和δ

圖4 橡膠緩沖器GK667自由高隨老化時(shí)間變化曲線Fig.4 Curve of rubber draft gear GK667 free height changing over aging time

根據(jù)阿倫尼烏斯方程計(jì)算結(jié)果，在常溫(23 ℃)條件下，橡膠緩沖器自由高達(dá)到其指定高度(212.2 mm)需約3.1年，該數(shù)據(jù)與動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行過程中橡膠緩沖器GK667自由高達(dá)到相同高度對應(yīng)的老化時(shí)間基本吻合。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果對比分析

通過對比分析橡膠緩沖器動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)數(shù)據(jù)和熱老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在環(huán)境溫度相同的條件下，動(dòng)載荷對δ的作用占比約為32.42%；在動(dòng)載荷相同的條件下，環(huán)境溫度對δ的作用占比約為96.67%。由此說明，動(dòng)車組運(yùn)行過程中由環(huán)境因素導(dǎo)致的橡膠材料老化是影響車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器失效的主要原因。

3 橡膠緩沖器性能優(yōu)化及效果驗(yàn)證

針對現(xiàn)車橡膠緩沖器GK666和GK667的大蠕變特點(diǎn)，在保持橡膠緩沖器與現(xiàn)有動(dòng)車組車體接口尺寸及技術(shù)參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，研發(fā)具有低蠕變性能的橡膠緩沖器GK666改良品和GK667改良品。

針對新研制的橡膠緩沖器GK666改良品和GK667改良品，在相同條件下分別進(jìn)行動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)和熱老化試驗(yàn)，以驗(yàn)證新研發(fā)的橡膠緩沖器是否滿足取消120萬km分解檢修的要求。

3.1 優(yōu)化后的橡膠緩沖器動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)

橡膠緩沖器GK666改良品和GK667改良品動(dòng)載荷耐久試驗(yàn)加載過程如圖2所示。動(dòng)態(tài)載荷加載條件如表2所示。動(dòng)車組現(xiàn)車運(yùn)行里程與等效試驗(yàn)次數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系如表6所示。試驗(yàn)完成后將橡膠緩沖器拆下并靜置24 h，測量其自由高，測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。

表6 動(dòng)車組現(xiàn)車運(yùn)行里程與等效試驗(yàn)次數(shù)對應(yīng)關(guān)系表

表7 橡膠緩沖器改良品動(dòng)態(tài)加載后的自由高

3.2 優(yōu)化后的橡膠緩沖器熱老化試驗(yàn)

橡膠緩沖器GK667改良品的老化試驗(yàn)條件如表4所示。試驗(yàn)加載示意如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 橡膠緩沖器GK667改良品自由高達(dá)到指定高度時(shí)對應(yīng)的老化時(shí)間

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用阿倫尼烏斯方程計(jì)算在常溫(23 ℃)條件下橡膠緩沖器GK667改良品的自由高與老化時(shí)間之間的對應(yīng)關(guān)系，并繪制其變化曲線，如圖5所示。橡膠緩沖器現(xiàn)有產(chǎn)品GK667和GK667改良品自由高隨老化時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖5 橡膠緩沖器GK667改良品自由高隨老化時(shí)間變化曲線Fig.5 Curve of modified rubber buffer GK667 free height changing over aging time

注：試驗(yàn)溫度為23 ℃。圖6 橡膠緩沖器GK667和GK667改良品自由高隨老化時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of common and modified rubber buffer GK667 free heights changing over aging time

根據(jù)阿倫尼烏斯方程計(jì)算結(jié)果，在常溫(23 ℃)條件下橡膠緩沖器GK667改良品的自由高達(dá)到其指定高度212.2 mm約需17.957年，達(dá)到其限值214 mm約需8.626年，大于動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行240萬km對應(yīng)的等效時(shí)間(6年)。因此，改良后的橡膠緩沖器滿足車鉤緩沖裝置取消動(dòng)車組運(yùn)行120萬km后分解檢修的要求。

4 結(jié)論

1) 現(xiàn)有橡膠緩沖器產(chǎn)品失效是動(dòng)載荷和老化因素共同作用的結(jié)果，但老化因素是造成橡膠緩沖器自由高下降的主要原因。

2) 相較現(xiàn)有橡膠緩沖器產(chǎn)品，改良后的橡膠緩沖器產(chǎn)品對動(dòng)載荷的耐久性能試驗(yàn)效果不明顯，但對環(huán)境的耐老化性能試驗(yàn)效果顯著。

3) 改良后的橡膠緩沖器產(chǎn)品在試驗(yàn)狀態(tài)下自由高達(dá)到其限值214 mm的時(shí)間約為8.5年，滿足車鉤緩沖裝置取消動(dòng)車組運(yùn)行120萬km分解檢修的要求。