軌道工程車用一系橡膠彈簧熱空氣加速老化法壽命預估

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構件，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乎到工程車的使用安全問題，所以預測一系橡膠彈簧的壽命對其使用具有現實的指導意義[2-3]。

一系橡膠彈簧的核心結構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生在橡膠部分，所以如果能對一系彈簧橡膠部分的壽命進行預測，就可以預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行檢測，然后根據制品性能變化進行推導來預測制品壽命，這種方法雖然結果較為準確，但需長期貯存停放，存在測試周期長、管理成本高等問題。加速老化法是根據時溫等效原理，采用人工加速老化，短期內測試多個不同老化條件下的性能指標，得出性能隨老化時間變化關系，運用Arrhenius方程外推至正常條件下的性能變化來進行壽命預測[5-6]。采用加速老化方法預測橡膠制品的貯存壽命不僅實驗周期短，而且結果也可靠。大量的實驗結果表明，高溫加速老化方法預測的橡膠制品壽命與實測的結果是一致的[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。

1.2 儀器及設備

WGL-30B型電熱鼓風干燥箱：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系統公司。

1.3 性能測試

定載荷下的尺寸按照TB/T 2843—2015進行測試，具體方法為:首先，實驗前將所有實驗部件和設備在(23±2)℃的環境中靜置至少24 h。對試樣加載4個載荷為0～13 kN的周期循環，前3個循環每個循環時間為50 s，第4個循環時間為100 s，在第4個循環的卸載區段，當載荷達到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GB/T 20028—2005標準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。

老化箱溫度達到設定溫度的時間作為老化起始時間，老化時間達到相應要求時間后，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保溫。試樣停放2 h完全冷卻后進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,當老化箱溫度重新達到設定的老化溫度時，老化時間繼續計時，待老化時間達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，老化時間進行累計，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GB/T 20028—2005要求，使用一個廠家生產的相同型號的老化箱對試樣進行人工加速老化，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，將性能測試結果代入Arrhenius方程，擬合出不同老化溫度下性能和時間的關系方程，對得到的方程系數進行推導計算，便可以得出壽命與溫度的關系方程，以此計算出常溫下橡膠制品的壽命。本實驗采用預測結果最為可靠的動力學曲線直線化法，通過對方程兩邊取對數將坐標變換，使曲線關系轉化為直線關系，求出不同老化溫度下的速率常數K值，然后運用Arrhenius方程外推求導出常溫下的速率常數K值，以推導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、靜態蠕變性能、靜態應力松弛性能等都可以作為一系橡膠彈簧的評價指標，但是哪個作為一系橡膠彈簧壽命評價指標最為合適，還需考慮使用工況和加速老化實驗測試環境，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、設備的壓縮，同時受到列車運行引起的持續振動，使用工況比較復雜[11]。因加速老化實驗是模擬制品在受壓工況下的性能變化，考慮到工況環境，眾多指標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[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鍵考核指標。

老化時間τ和老化特性指標P之間的關系可用經驗公式(1)描述。

P=Ae-Kτα

(1)

式中：P為老化進行到老化時間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；α為老化反應時間指數，也是無量綱常數，0<α≤1；K是與熱力學溫度有關的老化反應速度常數，K與熱力學溫度的關系服從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，J/mol；T為熱力學溫度，K。

將式(1)兩邊取對數，進行數學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果，就可以計算出老化時間與定載荷下的尺寸保持率的關系變化曲線。分析X和Y的曲線相關程度，如果X和Y的曲線相關程度為線性關系，那么α=1；如果X和Y的曲線相關程度不是線性關系，那么令0<α<1，對式(4)進行相關擬合，就可以得出參數a和b的值,進而可以得出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，可得：

(5)

3 結果與討論

3.1 老化實驗結果分析

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，老化越嚴重，這符合時溫等效原理。觀察關系曲線可知Y和X呈非線性關系，那么α的取值應在0～1內，應采用逼近準則對α進行估值。逼近的標準是令α估值精確到小數點后兩位時，式(6)的I值最小。

(6)

根據逼近準則，利用數學軟件試算α值，計算得出當α=0.49時，I值最小。

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

表2 線性擬合結果

根據各個溫度下的b值計算可以得出A的估值：

Y1=a1X1+b1

(7)

根據表3中不同溫度下的參數K值,制圖并進行線性擬合，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

根據得出的a1和b1值可以得出熱力學溫度與速度變化常數K的關系表達式(8)，從而可以得到任一溫度下的速度變化常數K值。

(8)

將以上所得結果代入式(1)，從而得到式(9)。

(9)

3.2 壽命預估

一系橡膠彈簧的使用環境通常為常溫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

一系橡膠彈簧的設計要求為在使用壽命周期內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，可以預測出25 ℃使用環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振動工況，而持續振動對加速老化的影響可能造成預測結果失準[13]。為驗證預測結果的準確性，本實驗繼續進一步研究持續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。

疲勞實驗：實驗前將所有實驗部件和設備在(23±2)℃的環境中靜置至少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，循環次數為200萬次。實驗過程中，當產品表面溫度超過40 ℃時進行風冷處理。疲勞周期加載完成后將一系橡膠彈簧試樣置于(23±2) ℃的室內環境中24 h以上，再次測定試樣定載荷下的尺寸。

測試結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，持續振動對特性指標定載荷下尺寸的影響很小，加速老化結果依然可靠。

4 結 論

(1)溫度對一系橡膠彈簧性能影響較大，溫度越高，老化越嚴重，性能下降越快。

(2)工程車運行時引起的持續振動對一系橡膠彈簧定載荷下尺寸的影響較小。

(3)25 ℃使用環境下一系橡膠彈簧的老化壽命約為10.7年。