1、疲勞試驗在橡膠減振制品壽命預測中的應用王進、左國兵（株洲時代新材料科技股份冇限公湖附株洲.412007MK：橡膠減抿制骷何時具育承毀和圾和沖擊的作用.由于體枳小、巫M輕、免堆護零優點,故可以取代鍥統的金JR禪賞 和療擦阻尼裝直橡膠減報制品的耐彼勞特件嚴乘厲響其便用妤心.木文紡:述了橡膠減掘制品披勞失效的劌斷準則和隕勞試聆 在使用壽命預測中的丿就用以及國內外在橡膠減振制品召命作測方血的研尢進聯.#關鍵調：橡膠減扼制品；熾勞失效：對金検祂橡膠減振制品具有制品彈性參數可調、 可以衰減和吸收高頻振動和噪聲、沖擊剛度 人于動剛度和靜剛度以及體積小、重最輕、 免維護等優點，故町以取代傳統金屬彈簧和 摩擦阻

2、尼裝置。國外此類產品的應用非常廣 泛，但在國內還處引進與仿制階段。由J：, 橡膠減振制品通常是在周期W力狀態卜使 用的，所以，橡膠減振制品的耐疲勞特性與 直使用壽命密切相關。最可靠的辦法是在實 際使用條件卜対實物進行評價，但這需要較 長的試驗時間和昂貴的費用。目前，預測橡 膠減振制品疲勞壽命方法仃虛擬分析和疲 勞試驗，而使用軟件來仿真計算產品的使用 壽命，并不能代韓疲勞試驗，產品疲勞町靠 性垠終要通過疲勞試驗來檢驗。因此，如何 準確的通過疲勞試驗來預測橡膠減振制品 的疲勞壽命，對r縮短產品開發周期、節省 資金，授終研制出性能滿足使用耍求的高技 術含呈的產品有垂要意義。1橡膠減振制品疲勞失效的判

3、斷準則1.1制品靜剛度損失率橡膠減振制品是國內外目前應用放為 廣泛的減振降噪裝置，在軌道交通屮占總駅 的90%以上（按產值計算），主要起承載、 懸掛、牽引、隔振和緩沖的作用,所以剛度 圧橡膠減振制品的關鍵特性Z,橡膠減振 t IJ品的疲勞曲線的特點為在循環次數超過 10：次后，曲線也并不一定水平，所以，疲 勞試驗并不要求制品苴到疲勞破壞時才終 止試驗，即當試驗進行到一定次數后，對制 品進行性能檢驗，如滿足耍求，即認為壽命 達到設計耍求。橡膠材料的彈性模幘在便用 過程中會不斷下降,往往在發生破壞前，其 強度就己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屮対制品的剛度 進行檢驗，以學握

4、失效程度。靜剛度的損失 率計算公式為：AK= （K： Ki） /KJ X 100% 式中AK為靜剛度損失率；K：、K：分別為疲 勞前后的靜剛度值。1.2制品變形量蠕變是橡膠產品的特點，因此橡膠產品 在使用過一段時間后，在其受力方向會產生 永久變形,從而改變產品的部分尺寸。若產 品的蠕變屆過人將直接影響乍輛的運行安 全，因此 為了確保整乍高度的均衡性與安 全性，必須對橡膠減振制甜進行疲勞試驗后 的口由高檢測。在不影響產品使用性能的詢 提卜，任何橡膠產品都允許在有一定的永久 變形的情況卜-繼續使用，但半永久變形影響 產品與其它部件的連接時，則丿衛采取措施， 加以調整。比如火車係金屬一橡膠以介錐 形

5、彈簧，肖產品發生蠕變，產品的高度會F 降。由r產品是用f機乍乍輛的一系懸掛， 因此車體和車鉤的高度也會隨Z卜降，從而 影響愉后車輛的連接。對J;此種情況，必須 加調帑墊片，以調整產品的高度。半調整塑 片不足以調整時，必須更換產品。1.3橡膠材料的溫升橡膠材料的耐疲勞性能嚴重影響制品 的疲勞壽命，而溫度過高是橡膠發生破壞的 咆要因素。溫升與我荷幅值、振動頻率、膠 料配方以及散熱條件等何關。令研究衣明， 對橡膠材料，當衷而溫升人r 20-C時，材 料開始破壞。嫌膠是導熱性差的材料，當牛成的熱磧 高于散發的熱最時,會使內部的溫度上升, 這種現象隨振動頻率的加人而愈加嚴氐因 此，人多數橡膠材料疲勞試驗

6、的頻率均控制 在0. 5Hz左右，但試驗頻率應取何值才能達 到既節省時間乂不會發牛過高溫升，在橡膠 減振制品試驗標準中均無典體觀定，礙根據 橡膠減振制品的使用場介、要求、經試驗方 可確定。2國內研究進展國內在壽命預測研究領域，對金加類線 性材料制品研究比較成熟，而對橡膠或橡膠 一金屬相結介的IF線ft類制品研究還剛起 步。口前，恢道車輛用減振降噪部件的驗收 都是通過做程序我荷譜加載的疲勞試驗來 確定。如 TB/T2843T997, TB/T2589T995, TB/T2841-1997, GB/T13061-91 等標準所規 定的試驗方法。太原重型機械匸程學院的孫 人剛対人型履帶式拖拉機鏈輪橡

7、膠減振器 疲勞試驗程序我荷誥進行了研究叭該程序 載荷譜的載荷分為8級，并把試驗我荷按低 高低的次序進行排列，同時把總程序分成 20個子程序進行循壞,每個子程序的循壞次 數為10(總疲勞試驗次數為2X100。為了 加快試驗進程，對試驗程序進行了提高試驗 頻率、加人我荷福值的強化程序。較人我荷 F (M53KN)的振動頻率為0.5Hz,較小載; 荷卜(<53KN)的振動頻率可以加快至(13) Hz。當把各級叔荷均擴人了 42%后，總疲勞 次數為強化前的1/10,即2X105次，人人 縮短了試驗時間。無錫屮策的吳亞軍對橡膠減振器疲勞 壽命與模幾設計的關系進行了研究，分析 了橡膠模壓注孔開設位置

8、對產品粘接、疲勞 性能產生影響的原因，認為壓注孔的開設應 盡就減少型腔內膠料流經關鍵部位處的流 動吊，即盡彊減少關鍵部位的膠粘劑流火， 并盡町能使得齊個醴腔同時得到充滿。鐵科院金化所的毛覘鵬對D"型機車用 橡膠球關節進行了研究叭通過對膠料的配 方試驗和產品的動靜態試驗的全面研究，發 現膠料的壓縮疲勞生熱性能直接影響到橡 膠球關節的使用壽命，采用合適的硫化體系 和補強體系町以獲得很好的耐疲勞性能。另 外，橡膠球關節三瓣Z間的縫隙對制品的靜 剛度仃較人影響，比較將銷軸也接壓到縫隙 上和i整瓣處的試驗結果表明，壓縫時的靜 剛度比不斥縫時的靜剛度小了 2KN/mm0疲勞 試驗表明,采用正弦波

9、,18Hz,最大和最小 載:荷分別為42. 5KN和10KN的試驗條件下, 疲勞次數210力次的橡膠球關節可以實際運 行40萬公里，疲勞次數超H 620 Ji次的橡 膠球關節町以實際運行100力公里，滿足了 鐵道部一個人修期的使用耍求。表1為兩種 球關節疲勞試驗結果。苴中2#的使用壽命為 40力公里。農1為兩種球關W疲勞試臉結果疲勞次數/萬次22#3847正常正常59.01正常正常135. 88正常正常216正常受壓處橡膠下方脫出外圈3mm286正常受壓處橡膠下方脫 出外圈10mm295. 83正常,受壓處受壓處橡膠溫度橡膠溫度36*C39eC352止常，受壓處脫出25nm,橡膠溫橡膠溫度36

10、9度 39*0433正常,受壓處脫出30m,橡膠溫橡膠溫度36C度 39 "C495止常，受壓處脫出32nm,橡膠溫橡膠溫度369度399582正常,受壓處脫出34nm.橡膠溫橡膠溫度36C度39 r624脫出2mm.橡膠脫出35nxn.橡膠汨溫度39°C度399710脫出3mm.橡膠脫出36an,橡膠溫溫度39C度39 r799脫出3mm,橡膠脫出38m.橡膠汕溫度39°C度399890脫出4mm.橡膠脫出40m,橡膠溫溫度39C度39 r916脫出5mm.橡膠脫出118.橡膠溫溫度39°C度3991081脫出6mm,橡膠脫出43nm.橡膠溫溫度39X

11、?度39°Cv型橡膠彈簧安裝軸箱和轉向架構架 Z間,毎個輪對軸箱使用兩個V形橡膠彈簧, 它ff 將轉向架與輪對軸箱連接起來并承擔 輪對導向作用，用J：傳遞輪對的牽引力和制 動力：并在垂宜方向給乍體以彈性支撐；在 列車的縱向和槌向提供柔性連接和限位的 作用，是對主耍減怨性能的補充。對橡膠V 也彈簧的疲勞壽命研究表明，試驗的頻率和 交變戦荷的均值是影響其疲苛好命的I：要 因索。疲勞試驗的頻率為2Hz,我荷均值 為v型彈贊的額定工作載荷的條件卜，振動 次數為2X106相當于實際運行7X1（/公里, 基本能驗證出£型彈簧的抗疲勞性能。M 前，一般認為，V型彈簧的剛度變化率在 10%

12、-10% Z間是滿足使用耍求的鐵嶺橡膠業研究所的史艷玲等根據 橡膠恒定斥縮永久變形的經驗公式及化學 反應過程中反應速度常數與溫度的關系服 從阿侖尼烏斯方程，用不同溫度卜橡膠減振 塊膠料的恒定床縮永久變形的變化規律來 預測橡膠減振塊使用與命。NR橡膠減振塊 的爪縮永久變形彊不人J總高度的（47） % 時，雖然剛度增加,但仍可工作一定時間 該減振塊的作變形杲為14. 5mm, W此當其 壓縮水久變形帚為30%時，變形值為1. 35mm, 為總高度的6. 21%,即以此計算,在等效溫 度25*C F，壓縮永久變形值為4.35mm （T 作變形30%）的時間為3. 2年。基礎隔振疊層橡膠支座是建筑結構

13、地 後防護的-種新方法，耍求其使用壽命不小 上部結構的使用年限，也就是超過50年。 許斌等采用熱空氣老化的方法研究了橡膠 支座的使用壽命，產品的使用壽命與不同 溫度卜劣化試驗所需時間的關系見表1。表2使用壽命與不同溫度下劣化試驗所需時間（小時）使用年限/年使用環境溫度ioeci5r20X?30129.3252.0497. 050215.4419.6799.080344. 7671.61266. 0另外，通過比較80C I、劣化現彖對橡膠支座產品和橡膠試片的水'卜剛度的影響，發現由 亍橡膠支座產品屮鋼板使橡膠大面積與空 氣隔離，提高了橡膠的使用壽命。總Z,國內在橡膠減振制品研制開發方 面

14、的手段述比較落后，仍停留在經驗設計和 靜強度設計階段。仃些制品的抗疲勞設計仍 使用常規的無限壽命設計方法：仃些制品只 対町能的兒個危險點或危險截面使用經驗 公式進行疲勞強度校核，以計算所得的安全 系數不小r許用的安全系數作疲勞強度的 判據，以通過程序加我的疲勞試驗作為產品 壽命介格的判斷標準。結果，有峭通過了檢 驗的制品在使用過程屮發生了疲勞火效，造 成了嚴重的經濟損失。仃些產品并未失效就 根據維修觀程早早的進行了更換，未充分發 揮產品的使用價值，造成了浪費。這說明常 規的抗疲勞設計方法在產品的壽命佔算和 產品抗疲勞役計方面都存在不足。3國外研究進展近年來，國外發達國家對橡膠減振制品 的強度役

15、訃已曲依據靜強度和無限壽命設 計發展到了定駅壽命設計，抗疲勞設計中使 用了 “一體化耐久管理”的方法，疲勞試驗 c經釆用隨機載荷譜或道路譜加我進彳冗w 為，用程序我荷譜加我的疲勞試臉-般只能 夠對產品進行合格檢驗或產品的性能對比, 不能夠真止用研究產品的壽命。采用隨機 載荷譜或道路譜就能消除6/P載荷譜高低 截荷的加我次序和以加我位宜我荷相位差 対構件壽命的影響。能夠較為真實的模擬構 件所撤受的載荷，使所得的試驗壽命能夠其 實地反映運行壽命：7,8o由于不能直接采集 到制品的隨機栽荷譜，只能采集到制品上果 些點的應變譜，所以，現代的疲勞試驗控制 系統以這些用變譜為控制參呈，迭代產生用 J加戦的

16、載荷譜，精度i般在5%以內。并且, 國外可以對采集的應變譜進行編輯，使編輯 前后的信號產牛的損傷分布基本一致，即真 實的反映了使用殍命，乂縮短了疲勞試驗時 間。而國內人多數的疲勞試驗還采用程序取 荷譜，即使仃的采川了道路譜，也不能介理 的進行編軻，只是用線形放人較荷信兮或齊 用“等效”的常幅載荷信號來加載疲勞試驗 的做法，不能準確的反映使用壽命。疲苦編輯的方法I:要仃：時域內的疲勞 編輯、頻域內的疲勞編輯、直方圖編輯、設 置循壞幅門檻值、峰谷值抽取、設置SWT損 傷門檻值等。其中，設置SWT損傷門檻值和 口方圖編輯只能用J：單通道的疲勞試驗，其 它還可用丁多通道。德國的Eckwerth對機車車

17、輛用橡膠件 的壽命試驗進行了研究。他以ICE2的高 速轉向架輪対轉向裝置的導向套為例，采用 將道路譜信匕編輯處理后變換成試驗臺的 控制信號的方法,對其進行了壽命預測研 究。他認為佔算壽命的町靠性還不能與近似 實際的結構件試驗相媲類的主要原因是橡 膠件仃許多影響工作強度特性的參數。試驗 臺壽命試驗的結論始終取決J：所用負荷數 據的質最。穗國的CONTITECH公司、英國的LORD 公司等均貝冇對橡膠減振制品進行壽命預 測的能力，但對外公開發表的資料較少。II 本的畦山利夫等對車輛的減振部件空氣彈 簧的使用壽命進行了研究皿。空氣彈簧在車 輛運彳中樂受復雜的振動載荷，部分肚在太 陽暴曬等惡劣條件卜使

18、用的，迫切需婆實現 殍命垠人化。通過對7愛橡膠試片的人工加 速老化試驗，同時對實際使用的空氣彈簧的 實用性能及氣囊物理性能的老化度的測試， 可靠的評價了其使用壽命，確認了氣碾老化 的因素，即以交變應力為基礎,再以熱、紫 外錢等的氧化老化的復介，其中紫外線比熱 的影響要嚴甫的多。總Z,國外橡膠減振制品壽命試驗的主 要發展趙勢是：始終用計算預佔的概念來 改弁和補充統於得出的工作強度；原則上 壽命試驗必須以測炭結果為依據，測杲結果 應盡可能代表實際應力狀態。而且無論如何 必須知道試驗臺試矗和線路試驗走行公里 數Z間的對應關系：通過開發和仃效地簡 化數學描述，力求進一步減少試驗時間； 力求今后的損壞等

19、效試驗由女軸向試驗變 換為單軸向試驗；供貨商與機車車輛廠共 同根據嚴格的現場測駅，提供標準的試驗用 負荷集合。4結語我國對橡膠減振制品的研制起步較晚， 沒仃進行過系統的開發和研究，應用規模及 技術水'卜與國外相比還仃較人差距。隨著橡 膠減版制品工程應用的口益廣泛，對橡膠減 振制品進行疲勞壽命定鼠預測的要求會愈 加急迫，我們必須盡快引進國外先進的技術 手段，包括使用軟件來仿其計算虛擬產胡的 抗疲勞設計，以提高壽命預測的準確性。參考文獻1 孫人剛.諸文農.上水彬答。橡膠減報器疲勞試驗程序 找荷譜的編制JJ.筑略機械打施I.機械化,1997. 67 (14)： 11-142 冥亞軍。橡膠減拓

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