摘要:提出了幾種橡膠人字彈簧必需進行的試驗項目，并對試驗方法以及相關數(shù)據(jù)的分析與處理進行了探討，從而對橡膠人字彈簧的選配試驗以及蠕變試驗的方法提出了建議。
上海地鐵1、2號線采用的一系懸掛系統(tǒng)是由德國鳳凰公司( 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，所以目前國內的地鐵車輛中較多的采用進口橡膠人字彈簧作為一系懸掛系統(tǒng)。但進口的橡膠人字彈簧價格比較昂貴，因此研究開發(fā)具有自主產(chǎn)權 的橡膠人字彈簧就勢在必行。然而目前國內尚無橡膠人字彈簧試驗方法國家標準，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，提出了一套比較合理的試驗與數(shù)據(jù)的處理方法，并對相關的試驗數(shù)據(jù)進行了重點分析，為產(chǎn)品的開發(fā)提供了試驗依據(jù)，同時，對開發(fā)其他橡膠彈性元件也可起到參考作用。
1、試驗項目的設置
1.1型式試驗
型式試驗包括靜態(tài)試驗以及疲勞試驗，它屬于一般產(chǎn)品的性能試驗。橡膠人字彈簧具有三向減振功能，故應對橡膠人字彈簧進行垂向、橫向以及縱向試驗。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力性能以及減少車輛通過曲線時車輪對鋼軌的沖擊。同時，由于橡膠人字彈簧是在非周期性應力狀態(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度往往決定了這類產(chǎn)品的疲勞壽命。為了保證在使用時的安全性和可靠性，有必要對橡膠人字彈簧進行疲勞試驗。
1.2 選配試驗
對于橡膠人字彈簧，由于其靜態(tài)試驗與疲勞試驗是成組 (兩個一組)試驗，為了確保單個橡膠人字彈簧的性能進而確保整車的均衡性與安全性，還必須對其進行選配試驗。
橡膠人字彈簧的彈性性能隨溫度的變化而變化。因此，在試驗前必須將試驗產(chǎn)品在恒溫23±2℃條件下停放24h。同時，橡膠屬于高分子材料，因此在任何一次試驗之前，均必須對產(chǎn)品在一定載荷作用下進行三次預壓，以消除產(chǎn)品的內應力。
1.3 蠕變試驗
蠕變是橡膠材料的一項重要性能指標，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營安全，因此，必須對橡膠人字彈簧類產(chǎn)品進行蠕變試驗。
2、試驗方法及數(shù)據(jù)分析
橡膠人字彈簧的結構如圖1所示，圖中A，B，C，D4個尺寸是影響產(chǎn)品質量的重要因素。故在對橡膠人字彈簧進行試驗前，應對這4個尺寸進行檢測，其中，A，D這兩 個尺寸直接影響產(chǎn)品的選配試驗結果，而B，C這兩個尺寸對裝車試驗以及型式試驗有較大的影響。
2.1 靜態(tài)試驗
靜態(tài)性能試驗作為產(chǎn)品的出廠試驗之一，是控制產(chǎn)品質量的主要手段。試驗應盡可能的模擬地鐵車輛的實際運營工況，并且對數(shù)據(jù)處理應該有一種合理、可信的方法。因此如何設計試驗的過程以及試驗數(shù)據(jù)的處理方法是做試驗之前要考慮的主要問題。
2.1.1 垂向剛度試驗
該試驗在 CMT4305微機控制電子
試驗機上完成。首先對試件預壓三次，載荷為額定載荷的1.3倍，加載速度為10mm/min，每次加載的時間間隔為30min。預壓后正式試驗，加載至額定載荷的1.3倍，記錄試驗全過程的負荷—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重要參數(shù)。試驗表明，橡膠材料的彈性力具有非線性性質。正由于橡膠材料具有非線性性質，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所示的方法計算產(chǎn)品的垂向剛度值并不能準確的反映產(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取其平均剛度，試驗和計算表明這兩種方法都是可行的，能夠準確反映產(chǎn)品的垂向性能。為了驗證數(shù)據(jù)處理方法是否正確，我們對德國鳳凰公司為上海地鐵生產(chǎn)的橡膠人字彈簧進行了試驗。試件的負荷—變形曲線如圖5所示。原始數(shù)據(jù)表明，試件在42.45kN時其靜剛度為1.31kN/mm。試驗數(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，對于橡膠人字彈簧我們采用的是圖3所示的方法，分別計算在不同載荷下的剛度值。通過分析與計算，我們發(fā)現(xiàn)采用圖3、圖4所示的方法其本質是一致的。因此，我們認為在橡膠人字彈簧的垂向剛度試驗中采用圖3所示的方法更有利于數(shù)據(jù)的處理，因為要確定不同產(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
該試驗在結構強度試驗機上進行。首先對試驗產(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。然后對產(chǎn)品施加橫、縱向作用力，直至橫 、縱向位移達到規(guī)定的最大值 (5mm) 后卸載，同時加載速度不大于20mm/ min。最后得到如圖5所示的力-位移的回歸曲線。對橫、縱向剛度的測定，我們分別取 A 、B點對應的載荷值(見圖6)，取它們之和除以10，所得值即為給定垂向載荷值對應的橫向(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%。但對橡膠人字彈簧，由于其選配試驗要求精度較高，同一等級撓度的偏差僅為1.02mm，故對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%是可以實現(xiàn)的，而且這對于提高選配試驗的成功率是至關重要的。
2.2 疲勞試驗
由于列車在運行過程中承受著約2Hz的上下、左右、前后的振動，這將使橡膠件表面產(chǎn)生裂紋、裂口，嚴重時橡膠與金屬板之間會出現(xiàn)剝離，且振動后的溫升對橡膠質量也有很大的影響，故對所研制的人字彈簧要求將疲勞試驗作為型式試驗，其中包括垂向振動疲勞試驗，橫向剪切振動疲勞試驗和縱向振動疲勞試驗。
橡膠材料疲勞曲線的特點為在其循環(huán)次數(shù)超過107后其曲線并不成為水平線，故對橡膠件的疲勞試驗并不要求試件直到疲勞破壞時才終止試驗，而是當試驗進行到一定的次數(shù)以后，即對試件進行檢驗，如滿足要求，即認為壽命達到設計要求，因此應有相應的判斷準則。
2.2.1 疲勞失效的判斷準則
疲勞振動的次數(shù)與頻率:研究表明，當橡膠堆振動2×10 6次相當于實際運行7×10 4 km，基本能驗證出橡膠堆的垂向抗疲勞性能。同時，車輛在線路上運營時的頻率約為2Hz，因此，在疲勞試驗時設定疲勞振動次數(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不斷下降，往往在發(fā)生破壞前，其強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試件的剛度值進行測量，以掌握其失效程度。我們采用公式圖5橡膠人字彈簧負荷-變形曲線K1 - K2 Δ K = ×100 % K1 計算其靜剛度損失率，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。理論上認為，對于橡膠堆，當其ΔK≥10%時，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、振動頻率、膠料配方以及散熱條件有關。研究資料表明，對于橡膠材料，當表面溫升大于20 ℃時，材料開始破壞。
2.2.2試驗過程
該試驗在CMT4305微機控制
電子試驗機以及50T脈沖振動
疲勞試驗機上完成。在疲勞試驗 前應先測量試件的垂向靜態(tài)剛度，然后對試件施加交變載荷(正弦波)，載荷均值為試件的額定工作載荷。在整個試驗過程中，每隔兩小時測量試件表面的溫升，試驗結束后應再次測量試件的垂向靜態(tài)剛度。
2.2.3試驗數(shù)據(jù)
在研制橡膠人字彈簧的過程中，我們對一組橡膠人字彈簧進行了垂向和橫縱向疲勞試驗。在整個試驗過程中，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
選配試驗對于橡膠人字彈簧是至關重要的，該試驗是控制單個橡膠人字彈簧質量的唯一方法。其選配標準也非常嚴格，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 試驗方法
選配試驗在專用測試設備上進行，試驗彈簧 放臵為模擬實際軸箱尺寸(即安裝垂直傾斜角為11°)。試驗時先預加載3次45kN的交替載荷，使橡膠得以松弛;然后施加7kN的預壓力，消除橡膠初始變形的不穩(wěn)定因素; 最后加載至45kN，測定其工作點30kN時的變形量，根據(jù)此變形量再進行分組。
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24個通過靜態(tài)性能試驗的產(chǎn)品進行了選配試驗，試驗 結果如圖7所示。試驗結果表明，21個產(chǎn)品的撓度值符合選配要求，而當靜態(tài)垂向剛度控制在±10%范圍內時，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，在選配試驗過程中我們發(fā)現(xiàn)選配試驗臺對產(chǎn)品的尺寸有較高的要求，若產(chǎn)品前后高差超過 016mm，試驗結果有較大的偏差，甚至不能進行試驗。
2.4 蠕變試驗
蠕變是指在一定的溫度下，當構件內的應力大于某一數(shù)值時，外力不增加而構件變形隨時間緩慢增加的現(xiàn)象。目前，國內尚無橡膠蠕變及壓縮 蠕變試驗方法的國家標準，關于試驗的方法也鮮見報道，而蠕變性能是橡膠材料的一項重要性能指 標，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)相關報道，目前國內生產(chǎn)的橡膠彈性元件包括橡膠人字彈簧，產(chǎn)品質量的最大問題就是蠕變量過大，且很難控制單個橡膠彈性元件蠕變量的大小。因此，提出一種合理的橡膠蠕 變性能的測試方法已成為當務之急。
2.4.1試驗方法
蠕變試驗是在四通道電液伺服試驗機上進行。取試驗機平臺為基準面，測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，然后測量其從無載狀態(tài)開始到試驗結束(72h)時的變形，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，但通過改進橡膠的配方達到改善橡膠彈性元件的抗蠕變性能是可以實現(xiàn)的。通過調整橡膠的補強體系，采用高結構的噴霧炭黑可以大大改善膠料的抗蠕變性能。圖8是調整了橡膠的補強體系后的蠕變性能，其72小時的蠕變量為4.52mm，未調整前其蠕變量為5.85mm。
3、結論
經(jīng)過本課題的試驗研究，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和數(shù)據(jù)處理。以下幾點我們認為對于開發(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)當其垂向靜剛度滿足設計要求時，其橫、縱向剛度 能夠隨之匹配。因此，我們認為，對于橡膠人字彈簧，其橫、縱向剛度試驗可以不做，在減少試驗費用和時間的同時可以保證其靜態(tài)性能。
2)通過對膠料配方等工藝方案的調整其靜態(tài)剛度控制在±6%是完全可以實現(xiàn)的，這對于提高橡膠人字彈簧的選配成功率至關重要。
3) 在試驗過程中，影響試件疲勞壽命的主要因素是試驗的頻率以及交變載荷的均值。因此，應該選擇符合試件實際運營工況的頻率與載荷，只有這樣才能準確的反映試件的疲勞壽命。
4) 國內目前對于橡膠人字彈簧蠕變的試驗研究比較少，大部分都集中在對膠料蠕變性能的試驗研究上。而事實上，產(chǎn)品和膠料的蠕變性能是不一樣的，同時橡膠產(chǎn)品的蠕變性能又是影響其質量的關鍵因素，因此很有必要對橡膠產(chǎn)品進行蠕變性能試驗。本文對產(chǎn)品蠕變性能試驗研究做大膽的探索。
