摘要:提出了幾種橡膠人字彈簧必需進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目，并對(duì)試驗(yàn)方法以及相關(guān)數(shù)據(jù)的分析與處理進(jìn)行了探討，從而對(duì)橡膠人字彈簧的選配試驗(yàn)以及蠕變?cè)囼?yàn)的方法提出了建議。
上海地鐵1、2號(hào)線采用的一系懸掛系統(tǒng)是由德國(guó)鳳凰公司( PHOENIX)提供的橡膠-鋼板-鋁板層疊彈簧，即橡膠人字彈簧，與目前國(guó)產(chǎn)的橡膠人字彈簧相比，具有性能穩(wěn)定、蠕變量小等特點(diǎn)，所以目前國(guó)內(nèi)的地鐵車輛中較多的采用進(jìn)口橡膠人字彈簧作為一系懸掛系統(tǒng)。但進(jìn)口的橡膠人字彈簧價(jià)格比較昂貴，因此研究開發(fā)具有自主產(chǎn)權(quán) 的橡膠人字彈簧就勢(shì)在必行。然而目前國(guó)內(nèi)尚無橡膠人字彈簧試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)近幾年在開發(fā)橡膠人字彈簧的過程中所做的大量試驗(yàn)，提出了一套比較合理的試驗(yàn)與數(shù)據(jù)的處理方法，并對(duì)相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，為產(chǎn)品的開發(fā)提供了試驗(yàn)依據(jù)，同時(shí)，對(duì)開發(fā)其他橡膠彈性元件也可起到參考作用。
1、試驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置
1.1型式試驗(yàn)
型式試驗(yàn)包括靜態(tài)試驗(yàn)以及疲勞試驗(yàn)，它屬于一般產(chǎn)品的性能試驗(yàn)。橡膠人字彈簧具有三向減振功能，故應(yīng)對(duì)橡膠人字彈簧進(jìn)行垂向、橫向以及縱向試驗(yàn)。橡膠人字彈簧的垂向剛度影響車輛的垂向減振性能，而選擇合適的橫、縱向剛度則可以改善車輛的動(dòng)力性能以及減少車輛通過曲線時(shí)車輪對(duì)鋼軌的沖擊。同時(shí)，由于橡膠人字彈簧是在非周期性應(yīng)力狀態(tài)下使用，橡膠材料的疲勞斷裂性能以及金屬與橡膠之間的粘合強(qiáng)度往往決定了這類產(chǎn)品的疲勞壽命。為了保證在使用時(shí)的安全性和可靠性，有必要對(duì)橡膠人字彈簧進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。
1.2 選配試驗(yàn)
對(duì)于橡膠人字彈簧，由于其靜態(tài)試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)是成組 (兩個(gè)一組)試驗(yàn)，為了確保單個(gè)橡膠人字彈簧的性能進(jìn)而確保整車的均衡性與安全性，還必須對(duì)其進(jìn)行選配試驗(yàn)。
橡膠人字彈簧的彈性性能隨溫度的變化而變化。因此，在試驗(yàn)前必須將試驗(yàn)產(chǎn)品在恒溫23±2℃條件下停放24h。同時(shí)，橡膠屬于高分子材料，因此在任何一次試驗(yàn)之前，均必須對(duì)產(chǎn)品在一定載荷作用下進(jìn)行三次預(yù)壓，以消除產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力。
1.3 蠕變?cè)囼?yàn)
蠕變是橡膠材料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，蠕變的大小，直接影響橡膠制品尺寸的穩(wěn)定性和耐久性。若產(chǎn)品的蠕變量過大將直接影響車輛的運(yùn)營(yíng)安全，因此，必須對(duì)橡膠人字彈簧類產(chǎn)品進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)。
2、試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)分析
橡膠人字彈簧的結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中A，B，C，D4個(gè)尺寸是影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。故在對(duì)橡膠人字彈簧進(jìn)行試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)這4個(gè)尺寸進(jìn)行檢測(cè)，其中，A，D這兩 個(gè)尺寸直接影響產(chǎn)品的選配試驗(yàn)結(jié)果，而B，C這兩個(gè)尺寸對(duì)裝車試驗(yàn)以及型式試驗(yàn)有較大的影響。
2.1 靜態(tài)試驗(yàn)
靜態(tài)性能試驗(yàn)作為產(chǎn)品的出廠試驗(yàn)之一，是控制產(chǎn)品質(zhì)量的主要手段。試驗(yàn)應(yīng)盡可能的模擬地鐵車輛的實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況，并且對(duì)數(shù)據(jù)處理應(yīng)該有一種合理、可信的方法。因此如何設(shè)計(jì)試驗(yàn)的過程以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法是做試驗(yàn)之前要考慮的主要問題。
2.1.1 垂向剛度試驗(yàn)
該試驗(yàn)在 CMT4305微機(jī)控制電子
試驗(yàn)機(jī)上完成。首先對(duì)試件預(yù)壓三次，載荷為額定載荷的1.3倍，加載速度為10mm/min，每次加載的時(shí)間間隔為30min。預(yù)壓后正式試驗(yàn)，加載至額定載荷的1.3倍，記錄試驗(yàn)全過程的負(fù)荷—變形曲線。
剛度是表征彈簧性能的重要參數(shù)，而彈性模量又是決定橡膠彈簧剛度的一個(gè)重要參數(shù)。試驗(yàn)表明，橡膠材料的彈性力具有非線性性質(zhì)。正由于橡膠材料具有非線性性質(zhì)，以它為主體材料的橡膠人字彈簧的剛度曲線并不滿足虎克定律，故用圖2所示的方法計(jì)算產(chǎn)品的垂向剛度值并不能準(zhǔn)確的反映產(chǎn)品的性能。因此，我們采用圖3、圖4 所示的方法，即在一定撓度的范圍或一定載荷的范圍內(nèi)取其平均剛度，試驗(yàn)和計(jì)算表明這兩種方法都是可行的，能夠準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的垂向性能。為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)處理方法是否正確，我們對(duì)德國(guó)鳳凰公司為上海地鐵生產(chǎn)的橡膠人字彈簧進(jìn)行了試驗(yàn)。試件的負(fù)荷—變形曲線如圖5所示。原始數(shù)據(jù)表明，試件在42.45kN時(shí)其靜剛度為1.31kN/mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別為:在42.45kN下其變形為27.795mm，在載荷為35.63kN下其變形為22.783mm，在載荷為49.21kN下其變形為32.799mm。若采用圖2所示的方法計(jì)算其靜剛度，其值為1.527kN/mm，誤差為16.56 %，而采用圖3所示的方法，其值為1.358kN/mm，誤差僅為3.66 %。
一般而言，對(duì)于橡膠人字彈簧我們采用的是圖3所示的方法，分別計(jì)算在不同載荷下的剛度值。通過分析與計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)采用圖3、圖4所示的方法其本質(zhì)是一致的。因此，我們認(rèn)為在橡膠人字彈簧的垂向剛度試驗(yàn)中采用圖3所示的方法更有利于數(shù)據(jù)的處理，因?yàn)橐_定不同產(chǎn)品的F1，F(xiàn)2值 (見圖 4) 是比較困難的。
2.1.2 橫 、縱向剛度試驗(yàn)
該試驗(yàn)在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。首先對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品施加一定的垂向工作載荷 (一般為產(chǎn)品額 定載荷的1.3倍)，并保持恒定。然后對(duì)產(chǎn)品施加橫、縱向作用力，直至橫 、縱向位移達(dá)到規(guī)定的最大值 (5mm) 后卸載，同時(shí)加載速度不大于20mm/ min。最后得到如圖5所示的力-位移的回歸曲線。對(duì)橫、縱向剛度的測(cè)定，我們分別取 A 、B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的載荷值(見圖6)，取它們之和除以10，所得值即為給定垂向載荷值對(duì)應(yīng)的橫向(縱向)剛度值。
由于橡膠特性的不穩(wěn)定性，其靜態(tài)剛度的偏差比較大，一般認(rèn)為，剛度偏差為±10%是合理的(見TB/T2589- 95 )。如鄧錄普公司規(guī)定為±10%，日本為10%～15%。但對(duì)橡膠人字彈簧，由于其選配試驗(yàn)要求精度較高，同一等級(jí)撓度的偏差僅為1.02mm，故對(duì)橡膠人字彈簧剛度偏差宜提出較高要求，在開發(fā)橡膠人字彈簧的過程中，我們 發(fā)現(xiàn)垂向剛度偏差為±6%是可以實(shí)現(xiàn)的，而且這對(duì)于提高選配試驗(yàn)的成功率是至關(guān)重要的。
2.2 疲勞試驗(yàn)
由于列車在運(yùn)行過程中承受著約2Hz的上下、左右、前后的振動(dòng)，這將使橡膠件表面產(chǎn)生裂紋、裂口，嚴(yán)重時(shí)橡膠與金屬板之間會(huì)出現(xiàn)剝離，且振動(dòng)后的溫升對(duì)橡膠質(zhì)量也有很大的影響，故對(duì)所研制的人字彈簧要求將疲勞試驗(yàn)作為型式試驗(yàn)，其中包括垂向振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，橫向剪切振動(dòng)疲勞試驗(yàn)和縱向振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。
橡膠材料疲勞曲線的特點(diǎn)為在其循環(huán)次數(shù)超過107后其曲線并不成為水平線，故對(duì)橡膠件的疲勞試驗(yàn)并不要求試件直到疲勞破壞時(shí)才終止試驗(yàn)，而是當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到一定的次數(shù)以后，即對(duì)試件進(jìn)行檢驗(yàn)，如滿足要求，即認(rèn)為壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此應(yīng)有相應(yīng)的判斷準(zhǔn)則。
2.2.1 疲勞失效的判斷準(zhǔn)則
疲勞振動(dòng)的次數(shù)與頻率:研究表明，當(dāng)橡膠堆振動(dòng)2×10 6次相當(dāng)于實(shí)際運(yùn)行7×10 4 km，基本能驗(yàn)證出橡膠堆的垂向抗疲勞性能。同時(shí)，車輛在線路上運(yùn)營(yíng)時(shí)的頻率約為2Hz，因此，在疲勞試驗(yàn)時(shí)設(shè)定疲勞振動(dòng)次數(shù)為2 ×10 6 次，頻率為2Hz。
靜剛度損失率 : 橡膠材料的彈性模量在使用過程中會(huì)不斷下降，往往在發(fā)生破壞前，其強(qiáng)度就已降到不足以承受額定載荷的程度。因此，必須在疲勞使用過程中對(duì)試件的剛度值進(jìn)行測(cè)量，以掌握其失效程度。我們采用公式圖5橡膠人字彈簧負(fù)荷-變形曲線K1 - K2 Δ K = ×100 % K1 計(jì)算其靜剛度損失率，其中Δ K 為靜剛度損失率， K1， K2 分別為疲勞使用前、后的靜剛度值。理論上認(rèn)為，對(duì)于橡膠堆，當(dāng)其ΔK≥10%時(shí)，橡膠堆就已失效。
溫升:溫升過高是橡膠材料發(fā)生疲勞破壞的重要因素，溫升與載荷幅值、振動(dòng)頻率、膠料配方以及散熱條件有關(guān)。研究資料表明，對(duì)于橡膠材料，當(dāng)表面溫升大于20 ℃時(shí)，材料開始破壞。
2.2.2試驗(yàn)過程
該試驗(yàn)在CMT4305微機(jī)控制
電子試驗(yàn)機(jī)以及50T脈沖振動(dòng)
疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成。在疲勞試驗(yàn) 前應(yīng)先測(cè)量試件的垂向靜態(tài)剛度，然后對(duì)試件施加交變載荷(正弦波)，載荷均值為試件的額定工作載荷。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，每隔兩小時(shí)測(cè)量試件表面的溫升，試驗(yàn)結(jié)束后應(yīng)再次測(cè)量試件的垂向靜態(tài)剛度。
2.2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)
在研制橡膠人字彈簧的過程中，我們對(duì)一組橡膠人字彈簧進(jìn)行了垂向和橫縱向疲勞試驗(yàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，橡膠表面的最高溫升為9℃，試件經(jīng)過2×10 6疲勞試驗(yàn)后無裂紋，橡膠與金屬無剝離等疲勞破壞現(xiàn)象，靜剛度損失率最大為7.5%見表1。
2.3選配試驗(yàn)
選配試驗(yàn)對(duì)于橡膠人字彈簧是至關(guān)重要的，該試驗(yàn)是控制單個(gè)橡膠人字彈簧質(zhì)量的唯一方法。其選配標(biāo)準(zhǔn)也非常嚴(yán)格，見表2。主要是為了控制整列車的均衡性，提高列車的舒適性和安全性。
2.3.1 試驗(yàn)方法
選配試驗(yàn)在專用測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行，試驗(yàn)彈簧 放臵為模擬實(shí)際軸箱尺寸(即安裝垂直傾斜角為11°)。試驗(yàn)時(shí)先預(yù)加載3次45kN的交替載荷，使橡膠得以松弛;然后施加7kN的預(yù)壓力，消除橡膠初始變形的不穩(wěn)定因素; 最后加載至45kN，測(cè)定其工作點(diǎn)30kN時(shí)的變形量，根據(jù)此變形量再進(jìn)行分組。
2.3.2數(shù)據(jù)分析
在研制橡膠人字彈簧的過程中，我們對(duì)24個(gè)通過靜態(tài)性能試驗(yàn)的產(chǎn)品進(jìn)行了選配試驗(yàn)，試驗(yàn) 結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，21個(gè)產(chǎn)品的撓度值符合選配要求，而當(dāng)靜態(tài)垂向剛度控制在±10%范圍內(nèi)時(shí)，僅有50%的產(chǎn)品滿足選配要求。由此可見，將靜態(tài)垂向剛度控制在±6%是比較合理的。同時(shí)，在選配試驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)選配試驗(yàn)臺(tái)對(duì)產(chǎn)品的尺寸有較高的要求，若產(chǎn)品前后高差超過 016mm，試驗(yàn)結(jié)果有較大的偏差，甚至不能進(jìn)行試驗(yàn)。
2.4 蠕變?cè)囼?yàn)
蠕變是指在一定的溫度下，當(dāng)構(gòu)件內(nèi)的應(yīng)力大于某一數(shù)值時(shí)，外力不增加而構(gòu)件變形隨時(shí)間緩慢增加的現(xiàn)象。目前，國(guó)內(nèi)尚無橡膠蠕變及壓縮 蠕變?cè)囼?yàn)方法的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于試驗(yàn)的方法也鮮見報(bào)道，而蠕變性能是橡膠材料的一項(xiàng)重要性能指 標(biāo)，材料抗蠕變性能的大小，直接影響橡膠制品尺寸的穩(wěn)定性和耐久性。據(jù)相關(guān)報(bào)道，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的橡膠彈性元件包括橡膠人字彈簧，產(chǎn)品質(zhì)量的最大問題就是蠕變量過大，且很難控制單個(gè)橡膠彈性元件蠕變量的大小。因此，提出一種合理的橡膠蠕 變性能的測(cè)試方法已成為當(dāng)務(wù)之急。
2.4.1試驗(yàn)方法
蠕變?cè)囼?yàn)是在四通道電液伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。取試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)為基準(zhǔn)面，測(cè)量橡膠人字彈簧的高度。橡膠人字彈簧施加一定的額定載荷，然后測(cè)量其從無載狀態(tài)開始到試驗(yàn)結(jié)束(72h)時(shí)的變形，其差值即為產(chǎn)品的蠕變量。不同的橡膠彈性元件其蠕變量有不同的要求，對(duì)于橡膠人字彈簧72h的垂向蠕變量≤5mm。
2.4.2蠕變特性分析
橡膠彈性元件的蠕變是不可避免的，但通過改進(jìn)橡膠的配方達(dá)到改善橡膠彈性元件的抗蠕變性能是可以實(shí)現(xiàn)的。通過調(diào)整橡膠的補(bǔ)強(qiáng)體系，采用高結(jié)構(gòu)的噴霧炭黑可以大大改善膠料的抗蠕變性能。圖8是調(diào)整了橡膠的補(bǔ)強(qiáng)體系后的蠕變性能，其72小時(shí)的蠕變量為4.52mm，未調(diào)整前其蠕變量為5.85mm。
3、結(jié)論
經(jīng)過本課題的試驗(yàn)研究，已基本上解決了橡膠人字彈簧在開發(fā)過程中所需要解決的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)處理。以下幾點(diǎn)我們認(rèn)為對(duì)于開發(fā)其他產(chǎn)品有一定的借鑒作用 :
1)在橡膠人字彈簧研制的過程中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)其垂向靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，其橫、縱向剛度 能夠隨之匹配。因此，我們認(rèn)為，對(duì)于橡膠人字彈簧，其橫、縱向剛度試驗(yàn)可以不做，在減少試驗(yàn)費(fèi)用和時(shí)間的同時(shí)可以保證其靜態(tài)性能。
2)通過對(duì)膠料配方等工藝方案的調(diào)整其靜態(tài)剛度控制在±6%是完全可以實(shí)現(xiàn)的，這對(duì)于提高橡膠人字彈簧的選配成功率至關(guān)重要。
3) 在試驗(yàn)過程中，影響試件疲勞壽命的主要因素是試驗(yàn)的頻率以及交變載荷的均值。因此，應(yīng)該選擇符合試件實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況的頻率與載荷，只有這樣才能準(zhǔn)確的反映試件的疲勞壽命。
4) 國(guó)內(nèi)目前對(duì)于橡膠人字彈簧蠕變的試驗(yàn)研究比較少，大部分都集中在對(duì)膠料蠕變性能的試驗(yàn)研究上。而事實(shí)上，產(chǎn)品和膠料的蠕變性能是不一樣的，同時(shí)橡膠產(chǎn)品的蠕變性能又是影響其質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此很有必要對(duì)橡膠產(chǎn)品進(jìn)行蠕變性能試驗(yàn)。本文對(duì)產(chǎn)品蠕變性能試驗(yàn)研究做大膽的探索。
