軌道工程車用一系橡膠彈簧熱空氣加速老化法壽命預(yù)估

陳 濤，魏凱耀，馬利珍

(洛陽雙瑞橡塑科技有限公司，河南 洛陽 471003)

軌道工程車用一系橡膠彈簧是由外套、隔板、芯軸等金屬件與橡膠通過膠黏劑硫化黏接組成的結(jié)構(gòu)件，主要起到支承、減振作用，是車輛一系懸掛具有合適縱向和橫向定位剛度的關(guān)鍵部件[1]。在垂直方向上，一系橡膠彈簧給列車提供彈性支撐；在橫向和縱向上，主要給車體提供柔性連接和彈性定位作用。一系橡膠彈簧的壽命長短關(guān)乎到工程車的使用安全問題，所以預(yù)測一系橡膠彈簧的壽命對其使用具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義[2-3]。

一系橡膠彈簧的核心結(jié)構(gòu)是由具有黏彈性的橡膠材料制成，正常使用的情況下，一系橡膠彈簧的老化破壞只發(fā)生在橡膠部分，所以如果能對一系彈簧橡膠部分的壽命進(jìn)行預(yù)測，就可以預(yù)測出一系橡膠彈簧的壽命。長期貯存法和加速老化法是常用的兩種橡膠材料壽命預(yù)測方法[4]。長期貯存法就是讓橡膠制品長期貯存停放，定期對其特定性能進(jìn)行檢測，然后根據(jù)制品性能變化進(jìn)行推導(dǎo)來預(yù)測制品壽命，這種方法雖然結(jié)果較為準(zhǔn)確，但需長期貯存停放，存在測試周期長、管理成本高等問題。加速老化法是根據(jù)時溫等效原理，采用人工加速老化，短期內(nèi)測試多個不同老化條件下的性能指標(biāo)，得出性能隨老化時間變化關(guān)系，運用Arrhenius方程外推至正常條件下的性能變化來進(jìn)行壽命預(yù)測[5-6]。采用加速老化方法預(yù)測橡膠制品的貯存壽命不僅實驗周期短，而且結(jié)果也可靠。大量的實驗結(jié)果表明，高溫加速老化方法預(yù)測的橡膠制品壽命與實測的結(jié)果是一致的[7-8]。

1 實驗部分

1.1 原料

軌道工程車用一系橡膠彈簧：自產(chǎn)。

1.2 儀器及設(shè)備

WGL-30B型電熱鼓風(fēng)干燥箱：天津市泰斯特儀器有限公司；MTS322-100kN型電液伺服疲勞試驗機：美國MTS系統(tǒng)公司。

1.3 性能測試

定載荷下的尺寸按照TB/T 2843—2015進(jìn)行測試，具體方法為:首先，實驗前將所有實驗部件和設(shè)備在(23±2)℃的環(huán)境中靜置至少24 h。對試樣加載4個載荷為0～13 kN的周期循環(huán)，前3個循環(huán)每個循環(huán)時間為50 s，第4個循環(huán)時間為100 s，在第4個循環(huán)的卸載區(qū)段，當(dāng)載荷達(dá)到11.04 kN時，停留并保持10 s之后，測量定載荷11.04 kN下的尺寸變化。

1.4 加速老化實驗

根據(jù)GB/T 20028—2005標(biāo)準(zhǔn)以及參考其他橡膠材料熱空氣加速老化所選老化溫度，選取本實驗的熱空氣老化溫度為50 ℃、70 ℃和90 ℃。本實驗試樣數(shù)量為3個，分別測試3個試樣在(23±2) ℃下的定載荷下的尺寸。然后將試樣分別安裝到相同的試驗工裝中，借助電液伺服試驗機和緊固螺絲，控制一系橡膠彈簧所受壓力為11.04 kN左右，然后分別放入3個相同型號的的熱空氣老化箱中，老化箱溫度分別為50 ℃、70 ℃和90 ℃。性能老化測試時間點為從開始進(jìn)箱至第1 d、第2 d、第4 d、第8 d、第14 d，共5個測試點，老化總時間為14 d。

老化箱溫度達(dá)到設(shè)定溫度的時間作為老化起始時間，老化時間達(dá)到相應(yīng)要求時間后，從老化箱中取出實驗工裝，拆下螺絲取出試樣，將實驗工裝放回老化箱中繼續(xù)保溫。試樣停放2 h完全冷卻后進(jìn)行定載荷下的尺寸性能測試，測試完成后將試樣重新安裝到實驗工裝中，借助電液伺服試驗機和緊固螺絲控制一系橡膠彈簧所受壓力為11.04 kN左右,當(dāng)老化箱溫度重新達(dá)到設(shè)定的老化溫度時，老化時間繼續(xù)計時，待老化時間達(dá)到下一要求老化時間后再次取出試樣，停放2 h完全冷卻后測試試樣定載荷下的尺寸，如此重復(fù)，老化時間進(jìn)行累計，直至全部老化實驗完成。整個實驗過程中記錄下3個試樣在不同老化溫度下不同老化時間后的定載荷下的尺寸。

2 加速老化壽命評價方法

根據(jù)GB/T 20028—2005要求，使用一個廠家生產(chǎn)的相同型號的老化箱對試樣進(jìn)行人工加速老化，然后跟蹤測試試驗樣品在不同老化溫度下不同老化時間的特定性能，將性能測試結(jié)果代入Arrhenius方程，擬合出不同老化溫度下性能和時間的關(guān)系方程，對得到的方程系數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)計算，便可以得出壽命與溫度的關(guān)系方程，以此計算出常溫下橡膠制品的壽命。本實驗采用預(yù)測結(jié)果最為可靠的動力學(xué)曲線直線化法，通過對方程兩邊取對數(shù)將坐標(biāo)變換，使曲線關(guān)系轉(zhuǎn)化為直線關(guān)系，求出不同老化溫度下的速率常數(shù)K值，然后運用Arrhenius方程外推求導(dǎo)出常溫下的速率常數(shù)K值，以推導(dǎo)出一系橡膠彈簧的壽命與溫度方程，從而計算出常溫下一系橡膠彈簧的使用壽命[9-10]。

定載荷下的尺寸、動剛度、阻尼特性、靜態(tài)蠕變性能、靜態(tài)應(yīng)力松弛性能等都可以作為一系橡膠彈簧的評價指標(biāo)，但是哪個作為一系橡膠彈簧壽命評價指標(biāo)最為合適，還需考慮使用工況和加速老化實驗測試環(huán)境，兩者接近最為適宜。一系橡膠彈簧安裝在工程車車體與輥輪之間，工程車運行時，一系橡膠彈簧不僅受到車體和所載工具、設(shè)備的壓縮，同時受到列車運行引起的持續(xù)振動，使用工況比較復(fù)雜[11]。因加速老化實驗是模擬制品在受壓工況下的性能變化，考慮到工況環(huán)境，眾多指標(biāo)中定載荷下的尺寸與實際工況最為接近，故以定載荷下的尺寸作為特性指標(biāo)[12]。本實驗將一系橡膠彈簧的常溫定載荷下的尺寸變化率作為關(guān)鍵考核指標(biāo)。

老化時間τ和老化特性指標(biāo)P之間的關(guān)系可用經(jīng)驗公式(1)描述。

P=Ae-Kτα

(1)

式中：P為老化進(jìn)行到老化時間τ時定載荷下的尺寸保持率，%；τ為老化時間，d；A為無量綱常數(shù)；α為老化反應(yīng)時間指數(shù)，也是無量綱常數(shù)，0<α≤1；K是與熱力學(xué)溫度有關(guān)的老化反應(yīng)速度常數(shù)，K與熱力學(xué)溫度的關(guān)系服從Arrhenius方程。

(2)

式中：Z為頻率因子，d-1；E為表觀活化能，J/(K·mol)；R為氣體常數(shù)，J/mol；T為熱力學(xué)溫度，K。

將式(1)兩邊取對數(shù)，進(jìn)行數(shù)學(xué)換算后就可以得到式(3)。

lnP=-Kτα+lnA

(3)

定義Y=lnP，X=τα，a=-K，b=lnA，可以得到式(4)。

Y=aX+b

(4)

根據(jù)不同老化溫度下一系橡膠彈簧的定載荷下的尺寸保持率的測試結(jié)果，就可以計算出老化時間與定載荷下的尺寸保持率的關(guān)系變化曲線。分析X和Y的曲線相關(guān)程度，如果X和Y的曲線相關(guān)程度為線性關(guān)系，那么α=1；如果X和Y的曲線相關(guān)程度不是線性關(guān)系，那么令0<α<1，對式(4)進(jìn)行相關(guān)擬合，就可以得出參數(shù)a和b的值,進(jìn)而可以得出A值，將各個老化溫度下的A值平均即可求出式(1)中的A值。

對公式(2)兩邊取對數(shù)，可得：

(5)

3 結(jié)果與討論

3.1 老化實驗結(jié)果分析

不同老化溫度、不同老化時間下一系橡膠彈簧定載荷下的尺寸如表1所示。

表1 不同老化溫度和時間的一系橡膠彈簧定載荷下的尺寸

以老化時間為橫軸，定載荷下的尺寸保持率為縱軸，繪制一系橡膠彈簧在不同溫度下老化程度曲線，如圖1所示。

老化時間/d圖1 不同溫度下一系橡膠彈簧老化程度曲線

由圖1可知，溫度越高，一系橡膠彈簧定載荷下的尺寸保持率下降越快，老化越嚴(yán)重，這符合時溫等效原理。觀察關(guān)系曲線可知Y和X呈非線性關(guān)系，那么α的取值應(yīng)在0～1內(nèi)，應(yīng)采用逼近準(zhǔn)則對α進(jìn)行估值。逼近的標(biāo)準(zhǔn)是令α估值精確到小數(shù)點后兩位時，式(6)的I值最小。

(6)

根據(jù)逼近準(zhǔn)則，利用數(shù)學(xué)軟件試算α值，計算得出當(dāng)α=0.49時，I值最小。

在α=0.49時對式(4)進(jìn)行線性擬合，利用最小二乘法求出擬合參數(shù)a和b的值。各個溫度下的擬合參數(shù)a、b以及K的值如表2所示。

表2 線性擬合結(jié)果

根據(jù)各個溫度下的b值計算可以得出A的估值：

Y1=a1X1+b1

(7)

根據(jù)表3中不同溫度下的參數(shù)K值,制圖并進(jìn)行線性擬合，利用最小二乘法得出a1=-2 238.69，b1=1.975 98，擬合曲線圖如圖2所示。

1/T圖2 線性擬合圖

根據(jù)得出的a1和b1值可以得出熱力學(xué)溫度與速度變化常數(shù)K的關(guān)系表達(dá)式(8)，從而可以得到任一溫度下的速度變化常數(shù)K值。

(8)

將以上所得結(jié)果代入式(1)，從而得到式(9)。

(9)

3.2 壽命預(yù)估

一系橡膠彈簧的使用環(huán)境通常為常溫25 ℃，故將25 ℃溫度值代入式(9)得到25 ℃下一系橡膠彈簧定載荷下尺寸保持率的老化曲線，如圖3所示。

時間/年圖3 25 ℃下一系橡膠彈簧老化曲線圖

一系橡膠彈簧的設(shè)計要求為在使用壽命周期內(nèi)定載荷下的尺寸下降不得超過20%，故以定載荷下的尺寸保持率80%為一系橡膠彈簧的失效點，將25 ℃溫度值和80%定載荷下的尺寸保持率代入式(9)中，可以預(yù)測出25 ℃使用環(huán)境下一系橡膠彈簧的老化壽命約為10.7年，滿足6年使用壽命的設(shè)計要求。

3.3 振動對一系橡膠彈簧性能的影響

本實驗所使用的試驗工裝只是模擬了一系橡膠彈簧運行時的定載荷工況，沒有模擬車輛運行的持續(xù)振動工況，而持續(xù)振動對加速老化的影響可能造成預(yù)測結(jié)果失準(zhǔn)[13]。為驗證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，本實驗繼續(xù)進(jìn)一步研究持續(xù)振動對一系橡膠彈簧性能的影響，仍以試樣定載荷下的尺寸為特性指標(biāo)。

疲勞實驗：實驗前將所有實驗部件和設(shè)備在(23±2)℃的環(huán)境中靜置至少24 h。先測定一系橡膠彈簧試樣的初始定載荷下的尺寸，然后對試樣施加7.7～14.4 kN的垂向周期載荷，加載頻率為(4±1)Hz，循環(huán)次數(shù)為200萬次。實驗過程中，當(dāng)產(chǎn)品表面溫度超過40 ℃時進(jìn)行風(fēng)冷處理。疲勞周期加載完成后將一系橡膠彈簧試樣置于(23±2) ℃的室內(nèi)環(huán)境中24 h以上，再次測定試樣定載荷下的尺寸。

測試結(jié)果顯示一系橡膠彈簧定載荷下的尺寸變化率為0.45%。由此可見，持續(xù)振動對特性指標(biāo)定載荷下尺寸的影響很小，加速老化結(jié)果依然可靠。

4 結(jié) 論

(1)溫度對一系橡膠彈簧性能影響較大，溫度越高，老化越嚴(yán)重，性能下降越快。

(2)工程車運行時引起的持續(xù)振動對一系橡膠彈簧定載荷下尺寸的影響較小。

(3)25 ℃使用環(huán)境下一系橡膠彈簧的老化壽命約為10.7年。