城軌列車低噪音車輪阻尼膠帶使用壽命預(yù)測研究

關(guān)鍵詞：阻尼膠帶；剪切強(qiáng)度；Arrhenius方程；熱失重分析；使用壽命預(yù)測

中圖分類號：TQ437+.4 文獻(xiàn)標(biāo)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(gòu)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(cè)。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(yùn)行里程約為240～300萬km，阻尼膠帶應(yīng)確保列車車輪在使用壽命內(nèi)不發(fā)生約束阻尼降噪板脫落故障[3]。列車正常運(yùn)行時(shí)，車輪的溫度基本為環(huán)境溫度，列車制動時(shí)，車輪輻板最高溫度可達(dá)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(gòu)成，阻尼膠帶會隨著使用時(shí)間的推移和制動高溫的影響發(fā)生性能衰減[4]，進(jìn)而影響城軌列車的行車安全和運(yùn)行質(zhì)量。對阻尼膠帶進(jìn)行壽命預(yù)測，可以更加科學(xué)地指導(dǎo)低噪聲車輪的維護(hù)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(jìn)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(yàn)法、熱失重升溫試驗(yàn)法和熱失重恒溫試驗(yàn)法3種方法，分別對膠帶進(jìn)行試驗(yàn)測試，建立了膠帶的壽命預(yù)測方程，對膠帶在25℃和70℃下的壽命進(jìn)行預(yù)測。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料

阻尼膠帶，商業(yè)采購；Q195低碳鋼鋼板，北京伊諾凱科技有限公司。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

熱失重分析儀，209F1，德國耐馳公司；熱老化試驗(yàn)箱，401B型，中國啟東市雙棱測試設(shè)備有限公司；萬能材料試驗(yàn)機(jī)，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(qiáng)度的測定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣制備，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)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(jìn)行剪切強(qiáng)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(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，在不同溫度下對試樣進(jìn)行熱空氣老化，取出后將試樣在室溫下冷卻24h后，進(jìn)行剪切強(qiáng)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(jìn)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(shù)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(jìn)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(hù)氣為氮?dú)?，流量?0mL/min。

熱失重升溫試驗(yàn)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(yàn)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(jié)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(gòu)成，丙烯酸膠粘劑的初始剪切強(qiáng)度大約為20MPa左右，而膠帶粘接測試的剪切強(qiáng)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(qiáng)度的關(guān)鍵因素[6]。因此可以通過膠帶基材的熱失重分析，來預(yù)測膠帶的老化壽命。為考察樣品老化前后的膠帶材料化學(xué)結(jié)構(gòu)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(xué)基團(tuán)進(jìn)行分析，對比結(jié)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(xiàn)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(qiáng)度減弱，說明老化后甲基基團(tuán)數(shù)量減少。老化后樣品在1728cm^-1和1167cm-1處羰基C===O吸收峰強(qiáng)度強(qiáng)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(shù)量變多。老化后樣品在1062cm^-1出現(xiàn)了波峰，該峰是由—CH—OH基團(tuán)中的羥基—OH彎曲振動引起的，可見老化后羥基—OH數(shù)量變多，說明亞克力泡棉基材經(jīng)過熱老化后，出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象[7-9]。羰基C===O、羥基—OH吸收峰強(qiáng)度越高氧化現(xiàn)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?dú)鈿夥障屡菝藁闹挥幸粋€(gè)失重階段，該階段主要發(fā)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(gè)失重階段[10-11]，第一個(gè)失重階段約在240～410°C，在此溫度區(qū)間內(nèi)氮?dú)鈿夥障碌氖е厮俣嚷诳諝鈿夥障碌氖е厮俣?，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(fā)生了氧化分解。第2個(gè)階段約在410～480℃，此階段發(fā)生分解的是一些穩(wěn)定的氧化物和碳化合物。在300℃時(shí)，空氣氣氛下質(zhì)量損失為15%，氮?dú)鈿夥障沦|(zhì)量損失為10%，本文壽命預(yù)測研究溫度上限定為300℃。

2.2加速熱老化試驗(yàn)法壽命預(yù)測

GB/T3512—2014規(guī)定老化最高溫度應(yīng)使試樣達(dá)到臨界值的時(shí)間不少于100h，選取老化溫度150、160、170℃，并按時(shí)間24、48、96、168、288、576、700、1000h進(jìn)行取樣，進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測試，老化后的剪切強(qiáng)度除以老化前的剪切強(qiáng)度，得到阻尼膠帶剪切強(qiáng)度保持率，計(jì)算結(jié)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(qiáng)度下降速度加快。根據(jù)表1數(shù)據(jù)擬合出150、160、170℃下的阻尼膠帶剪切強(qiáng)度保持率隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。

由圖3（a）可見，150℃下膠帶剪切強(qiáng)度保持率的變化是有梯度的，在0～50h內(nèi)下降最快，在50～110h內(nèi)下降放緩，110～600h內(nèi)剪切強(qiáng)度下降變快且在該區(qū)間內(nèi)失效，600～1000h內(nèi)下降速度放緩，選取110～600h內(nèi)的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)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(qiáng)度保持率，在0～80h內(nèi)下降較快，80～350h內(nèi)剪切強(qiáng)度下降速度放緩且在該區(qū)間內(nèi)失效，選取80～350h內(nèi)的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)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(qiáng)度保持率，在0～50h內(nèi)下降較快，50～270h內(nèi)下降速度放緩且在該區(qū)間內(nèi)失效，選取50～270h內(nèi)3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得出170℃下線性方程。

經(jīng)計(jì)算得出150、160、170℃膠帶的剪切強(qiáng)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(shí)間，h；y為膠帶剪切強(qiáng)度保持率，%。

根據(jù)GB/T 2951.12—2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法第12部分：通用試驗(yàn)方法-熱老化試驗(yàn)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(gè)溫度下失效所用的時(shí)間：t150=429.29h、t160=233.57h、t170=162.93h。

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

lgt=a/T+b （4）

式中：t為時(shí)間，min；T為熱力學(xué)溫度，K；T’為溫度，℃；a、b為常數(shù)。

按照式（4），將3個(gè)溫度下失效所用的時(shí)間進(jìn)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(jù)式（5）計(jì)算溫度25℃時(shí)阻尼膠帶的熱老化壽命為368年，70℃時(shí)為1.14年。

2.3熱失重升溫試驗(yàn)法壽命預(yù)測

一般認(rèn)為當(dāng)聚合物失重5%時(shí)已經(jīng)不建議使用，本研究選取5%的失重所經(jīng)歷的試驗(yàn)周期作為阻尼膠帶壽命的終點(diǎn)[10]。對阻尼膠帶泡棉基材部分進(jìn)行熱失重升溫試驗(yàn)，熱失重曲線如圖5所示。

2.4熱失重恒溫試驗(yàn)法壽命預(yù)測

根據(jù)熱失重升溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，阻尼膠帶泡棉基材失重5%時(shí)，溫度為220～270℃。因此，本試驗(yàn)選擇260、270、280、290、300℃作為熱失重恒溫試驗(yàn)溫度，圖7為在空氣環(huán)境下不同溫度的恒溫?zé)崾е厍€。

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(dá)5%所用的時(shí)間變短，膠帶失重5%所用的時(shí)間為：t260=2.94min、t270=1.95min、t280=1.15min、t290=0.78min、t300=0.56min。利用五個(gè)失重所用時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)測方程。

y=5633.28x-11.88 （9）

根據(jù)式（9）計(jì)算得到，在25℃下阻尼膠帶熱失重恒溫試驗(yàn)預(yù)測壽命為1214年；在70℃下為4年。

3結(jié)語

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

（2）由加速熱老化試驗(yàn)壽命預(yù)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(yàn)壽命預(yù)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(yàn)壽命預(yù)測可知，25℃下膠帶的使用壽命為1214年，70℃下為4年；

（3）試驗(yàn)證明阻尼膠帶使用壽命可以滿足低噪音車輪的現(xiàn)場需求。