高曉鵬+藺習英+郭世成

摘要：疊層橡膠彈簧是軌道交通轉(zhuǎn)向架上固定減速傳動裝置用的核心彈性元件，通過對裝車試運行過程中疊層橡膠彈簧表面出現(xiàn)的微裂紋原因分析，結合CAE仿真計算、工藝分析、試驗驗證等方法，找到其形成原因及改進措施，加速了疊層橡膠彈簧國產(chǎn)化進程，為軌道交通橡膠彈性元件研制提供借鑒和參考。

關鍵詞：疊層橡膠彈簧、彈性元件、軸向剛度、強度分析

1 概述

1.1結構及工作原理

疊層橡膠彈簧是軌道交通轉(zhuǎn)向架上固定減速傳動裝置用的核心彈性元件。外形為橡膠與金屬鋼板組成的實心圓柱體，中間嵌入金屬薄片，金屬薄片內(nèi)有四個孔，軸向?qū)R，經(jīng)高溫高壓多層橡膠和多層鋼板交互堆疊硫化而成（見圖1）。具有結構簡單、重量輕、垂向撓度大、隔震效果好、承受載荷大等優(yōu)點，

疊層橡膠彈簧裝配時，經(jīng)專用工裝預壓縮，一端通過C型支架配對安裝固定在轉(zhuǎn)向架上，另一端徑向?qū)ΨQ布置安裝在輪對上的齒輪箱輸入軸位置，將齒輪箱浮動支承固定在轉(zhuǎn)向架上，并吸收通過輪對傳遞到齒輪箱的路面激勵和振動，起良好的隔振和緩沖功能，能滿足減速傳動裝置各種使用工況特性（見圖2）。工作環(huán)境溫度：-40～70℃。

1.2 裂紋現(xiàn)象描述

某高鐵試驗動車已在線試運行約6萬公里，專項檢查時，發(fā)現(xiàn)減速傳動裝置疊層橡膠彈簧橡膠層表面存在軸向輕微裂紋，且呈周向均勻分布（見圖3）。

外觀檢查項目及結果：外觀檢查硬度、剛度、尺寸符合產(chǎn)品圖紙設計要求；無腐蝕、無機械損傷，表面黑色 ，無變色。除橡膠表面周向均布微裂紋外，未發(fā)現(xiàn)其它異常。局部裂紋呈網(wǎng)狀，軸向裂紋比較顯著，裂紋分布量從軸向中間至兩端逐漸減少，離薄金屬板金件越近的橡膠部位永久變形量越大，裂紋分布越多；表面呈灰色，擦拭后顯橡膠本色；橡膠有彈性。解體檢查發(fā)現(xiàn)，裂紋出現(xiàn)在斷面表層，內(nèi)部無裂紋；裂紋深度最大0.5mm，裂紋長度最大5mm（見圖4）。

2原因分析

2.1理論分析

2.1.1 軸向剛度擬合分析

疊層橡膠彈簧在實際工作中主要承受軸向壓縮變形，根據(jù)試驗邊界條件，設置仿真邊界結果，根據(jù)CAE分析計算結果，提取參考點支反力，繪制剛度曲線，并與試驗結果進行擬合對比，評估其軸向壓縮剛度。

從圖中可以看出，試驗剛度與仿真剛度最大誤差小于15%。仿真結果具有較高的可信度。

2.1.2 強度分析

（1）材料參數(shù)

疊層橡膠彈簧采用橡膠與金屬板硫化成型，在軸向強迫壓縮至極限位移11.5mm工況下，分析其結構的剛強度。分析中使用的材料參數(shù)及應用范圍如下表。

（2）CAE分析過程（見圖7、8、9）

（3）CAE分析結果

根據(jù)馮.米塞斯屈服準則，從有限元計算結果與試驗結果對比分析得出：疊層橡膠彈簧在極限工況條件下安全系數(shù)足夠，設計剛度合理，完全能滿足使用工況要求。對于如此高安全系數(shù)的產(chǎn)品，其安全可靠度較高，在30萬公里運行試驗里程內(nèi)，因淺表微裂紋導致其斷裂的風險較小。

2.1.3 工作受力分析

從其工作受力狀態(tài)分析，疊層橡膠彈簧工作時，表面呈鼓形，表明工作主要是受壓，壓應力較顯著傳遞到表面，形成軸向裂紋。另該產(chǎn)品為實心體結構，從其內(nèi)部釋放應力能力較差，實心體助長內(nèi)應力向外表傳遞，在外表面周向形成單向拉應力導致開裂，在垂向交變高負荷作用下，橡膠表面應力過大也可能導致裂紋，單向拉應力在外表氧化環(huán)境中，容易助長橡膠老化，降低彈性而開裂?？杉铀俦砻骈_裂。

2.2制造原因分析

2.2.1 工藝流程

疊層橡膠彈簧制作主要工藝流程如下圖所示：

其中，膠料配比和硫化工藝是其制作過程控制的關鍵工序。

2.2.2膠料

按疊層橡膠彈簧的使用功能和性能指標要求制定膠料配方，主材質(zhì)為單一的普通天然膠。其裂紋外觀表象特征為淺表網(wǎng)狀（軸向更顯著）龜裂；表面硬化，失去彈性；脆化后掉渣易脆落；從裂紋外觀表象特征分析，橡膠材料抗老化差， 使用受熱過速氧化，橡膠老化是早期失效主因。

2.2.3硫化工藝

硫化工藝參數(shù)：模具溫度 155℃；硫化時間 1800S；橡膠邵氏硬度70±5。硫化過程中可能會因局部應力過大，橡膠硬度較高，工作時處于壓縮狀態(tài)，表面會鼓起，表面橡膠內(nèi)部受擠壓應力增大，會加速表面橡膠老化、出現(xiàn)微裂紋現(xiàn)象。

2.3 改進措施

（1）采用高品質(zhì)美國進口煙片膠和進口三元乙丙膠混合使用，在原配方的基礎上調(diào)整NR與EPDM的并用配比，提高EPDM占比（因EPDM耐熱性優(yōu)于NR）。通過調(diào)整材料配方和比例，適當降低邵氏硬度到65～68；加入耐熱性助劑，提高其耐候性、抗高低溫性能；

（2）通過調(diào)整材料配方，多次試驗優(yōu)化膠料配方，增加防老劑的用量，提高抗老化性能；

（3）通過硫變試驗多次調(diào)整硫化參數(shù)。如采取降低注塑溫度，加大注塑口，減小注塑壓力等措施， 實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化。

（4）減小動靜剛度比，降低膠料發(fā)熱，采用進口粘合劑提高橡膠與金屬骨架的粘合強度，來提升產(chǎn)品抗疲勞壽命性能。

2.4產(chǎn)品驗證

（1）驗證方法：實施相應改進措施，重新試制合格樣品，經(jīng)原材料基本性能檢測、電阻測試、蠕變試驗、極限壓縮試驗、動靜剛度試驗、剪切剛度試驗、高低溫性能試驗后、定制專用試驗工裝，輸入150%超載負荷、模擬實際運行工況進行臺架疲勞試驗驗證。

（2）驗證結果：經(jīng)過300萬次臺架疲勞試驗驗證，橡膠表面無微裂紋產(chǎn)生。

3 結論

（1）疊層橡膠彈簧由于膠料配比失衡、硫化工藝參數(shù)控制不當及工作時實心結構承受交變載荷，壓應力釋放等原因產(chǎn)生淺表微裂紋；

（2）利用CAE仿真剛強度分析、優(yōu)化工藝參數(shù)、產(chǎn)品臺架驗證等方法，實施相應的改進措施，有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了用戶裝車使用要求。

參考文獻

[1] 疊層橡膠彈簧剛強度分析報告[R]，中國汽車工程研究院股份有限公司. 2014-09-12 何章濤

[2.] 膠堆設計分析報告[R]，中國汽車工程研究院股份有限公司 2012-12-10韓鵬endprint