明志茂，楊靜，趙可淪，徐立立

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510656）

前言

轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)以及輪軌的沖擊是動(dòng)車組產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因，動(dòng)車組上需要配置各種減振器或減振裝置才能衰減或抑制不斷增長(zhǎng)的振動(dòng)，從而保持動(dòng)車組平穩(wěn)運(yùn)行，因此，減振器或減振裝置是動(dòng)車組最重要的零部件之一[1,2]。除動(dòng)車底部軸向減振器外，動(dòng)車組車廂內(nèi)部也配置了相應(yīng)的減振器，以座椅為例，在座椅安裝位置，為了乘客乘車的舒適性，安裝了橡膠減振墊，對(duì)座椅的減振、降噪有著至關(guān)重要的作用，其性能的好壞關(guān)系著整個(gè)列車運(yùn)行中乘客的舒適性和安全性[3]。但是，在動(dòng)車運(yùn)行中，隨著運(yùn)行年限及里程的增加，橡膠減振墊將會(huì)逐漸出現(xiàn)疲勞破壞、永久變形和橡膠材料老化等問(wèn)題，從而造成其減振性能下降，影響乘客乘坐的安全性和舒適性。為保證乘客乘坐的安全性、舒適性以及橡膠減振墊的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)試驗(yàn)手段，合理的預(yù)測(cè)橡膠減振墊壽命，已成為橡膠減振墊工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題[4]。目前，橡膠材料的研究多停留在疲勞破壞，使用仿真和疲勞試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行研究[5-9]。針對(duì)某動(dòng)車組座椅橡膠減振墊處于五級(jí)修階段這一現(xiàn)狀，能否繼續(xù)使用該座椅橡膠減振墊到下一個(gè)檢修階段，尚無(wú)理論支撐。本文在研究座椅橡膠減振墊失效模式及失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合橡膠減振墊的實(shí)際安裝工況，對(duì)新品橡膠減振墊與五級(jí)修橡膠減振墊進(jìn)行性能摸底測(cè)試，從而得到其壽命特征參數(shù)，在此基礎(chǔ)上開展加速壽命試驗(yàn)，從而評(píng)估得到五級(jí)修橡膠減振墊的剩余壽命以及新品橡膠減振墊的實(shí)際使用壽命。

1 橡膠減振墊組成及失效機(jī)理

1.1 橡膠減振墊的組成及工作原理

橡膠減振墊[10]由三部分組成，如下所示：

1）支座：采用鑄鋁材質(zhì)制造，主要將橡膠減振器的各部件加以集成，并與座椅固定。

2）橡膠墊：由大橡膠墊和小橡膠墊組成，材質(zhì)為硅橡膠，采用阻尼橡膠，強(qiáng)化橡膠的作用，使該減振器在一定的溫度范圍及振動(dòng)頻率內(nèi)均可以實(shí)現(xiàn)有效阻尼，從而滿足減振降噪的需求。

3）安裝扣蓋：采用不銹鋼材質(zhì)制造，主要是固定橡膠墊。

橡膠減振墊的形貌見圖1所示，原理圖如圖2所示，橡膠減振墊由安裝扣蓋、橡膠減振墊、支座組成，橡膠減振墊可以簡(jiǎn)化等效為彈簧，橡膠減振墊在動(dòng)車運(yùn)行過(guò)程中，受到橫向和縱向力的作用，通過(guò)安裝扣蓋傳遞到橡膠件上，橡膠件由于有一定的彈性，可以等效為彈簧，其工作原理為安裝扣蓋受到橫向和縱向作用力的共同或單獨(dú)作用下，傳遞給橡膠減振墊，橡膠減振墊進(jìn)行了減振降噪后，傳遞到支座，從而實(shí)現(xiàn)其功能。

圖1 橡膠減振墊正面外觀形貌

圖2 膠減振墊原理圖

1.2 橡膠減振墊失效模式及失效機(jī)理

橡膠減振墊的減振及降噪性能主要體現(xiàn)在橡膠墊的性能[11,12]，橡膠墊的由于其橡膠的固有屬性及使用特性，其失效模式主要有老化和壓縮永久變形。

1.2.1 橡膠墊老化

橡膠墊由于密封在安裝扣蓋里面，整體環(huán)境相對(duì)封閉，其在動(dòng)車組檢修時(shí)，尤其在夏天，溫度較高，導(dǎo)致橡膠墊的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于安裝扣蓋的溫度，與此同時(shí)，座椅對(duì)其施加一定的作用力，加速其老化，從而導(dǎo)致橡膠墊由于持續(xù)老化而失效。

1.2.2 橡膠墊壓縮永久變形

橡膠墊在一定的載荷及溫度作用下，橡膠墊受到一種或多種力的作用從而產(chǎn)生壓縮變形，經(jīng)反復(fù)作用后，易導(dǎo)致橡膠墊產(chǎn)生壓縮永久變形，進(jìn)一步導(dǎo)致其性能降低，最終導(dǎo)致橡膠墊的減振及降噪功能喪失。

2 壽命特征參數(shù)確定及加速老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 壽命特征參數(shù)確定

由于造成橡膠墊的失效主要為老化和壓縮永久變形，結(jié)合橡膠墊的使用環(huán)境以及橡膠的固有特性，對(duì)其性能參數(shù)硬度和壓縮性形變進(jìn)行驗(yàn)證，并挑選出壽命特征參數(shù)。

2.1.1 垂直載荷測(cè)試

對(duì)橡膠減振墊施加垂直載荷，速率為（500±50）mm/min，直至3 400 N，試驗(yàn)前后，檢查橡膠減振墊是否產(chǎn)生壓縮性位移或不可恢復(fù)位移或破壞。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明新品在3 400 N時(shí)未出現(xiàn)不可恢復(fù)變形，且硬度基本保持不變，為70 HRC，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)后未見不可恢復(fù)形變及破壞

2.1.2 水平載荷測(cè)試

對(duì)橡膠減振墊施加水平載荷，速率為（500±50）mm/min，直至3 400 N，在3 250 N發(fā)現(xiàn)橡膠減振墊出現(xiàn)凸起和凹起現(xiàn)象，如圖4所示，呈現(xiàn)不可恢復(fù)形變，硬度值保持基本不變，為70 HRC。

圖4 橡膠減振墊出現(xiàn)凸起和凹起情況

通過(guò)數(shù)據(jù)表明，壓縮變形是橡膠減振墊墊的壽命特征參數(shù)，而硬度由于測(cè)試值無(wú)變化，不作為壽命特征參數(shù)，與此同時(shí)，由于乘客坐在座椅上，主要施加的為垂直應(yīng)力，因此，在加速壽命試驗(yàn)中以垂直載荷作為試驗(yàn)應(yīng)力，特征參數(shù)為壓縮變形。

2.2 加速壽命試驗(yàn)

結(jié)合橡膠減振墊的失效模式，參考GB/T 2689-1981 《恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法總則》，設(shè)計(jì)三組不同的溫度應(yīng)力50 ℃、75 ℃、100 ℃，試驗(yàn)時(shí)間為21 d，對(duì)橡膠減振墊施加垂直載荷230 N，并測(cè)試其壓縮變形參數(shù)，測(cè)試后，觀察其是否存在退化現(xiàn)象。

3 壽命評(píng)估

3.1 橡膠減振墊壽命分布模型

根據(jù)GB/T 20028-2005《硫化橡膠或熱塑性橡膠應(yīng)用阿累尼烏斯圖推算壽命和最高使用溫度》可知，橡膠減振墊的壽命可以用阿累尼烏斯模型進(jìn)行評(píng)估，其關(guān)系式如下：

老化性能指標(biāo)參數(shù)Y與時(shí)間t之間的關(guān)系，可以用下列公式描述：

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)兩邊進(jìn)行對(duì)數(shù)化處理，簡(jiǎn)化后見式（2）所示。

式中：

P—老化性能指標(biāo)參數(shù)，%；

A—系數(shù)；

k—與溫度有關(guān)的性能變化速度常數(shù)，d-1；

其中K=Be-E/RT；

B—常數(shù)；

T—溫度；

E—激活能；

R—摩爾氣體常數(shù)；

τ—老化時(shí)間，d。

由標(biāo)準(zhǔn)可知，以原始性能變化到50 %作為臨界值來(lái)估算設(shè)備的使用壽命，即P=0.5。

3.2 橡膠減振墊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)實(shí)施及數(shù)據(jù)收集處理后，五級(jí)修橡膠減振墊性能參數(shù)k與A值的關(guān)系見表1所示，五級(jí)修橡膠減振墊性能參數(shù)k與T值的關(guān)系見表2所示，線性擬合結(jié)果見表3所示，對(duì)應(yīng)的關(guān)系圖見圖5、圖6。新品橡膠減振墊性能參數(shù)k與A值的關(guān)系見表4所示，新品橡膠減振墊性能參數(shù)k與T值的關(guān)系見表5所示，線性擬合結(jié)果見表6所示，對(duì)應(yīng)的關(guān)系圖見圖7、圖8。

圖6 五級(jí)修小橡膠墊ln k與1/T的線性擬合

圖7 新品大橡膠墊ln k與1/T的線性擬合

圖8 新品小橡膠墊ln k與1/T的線性擬合

表1 五級(jí)修橡膠墊性能參數(shù)k與A值

表2 五級(jí)修橡膠墊性能參數(shù)k與溫度T

表3 五級(jí)修橡膠墊的線性擬合結(jié)果

表4 新品橡膠墊性能參數(shù)k與A值

表5 新品橡膠墊性能參數(shù)k與溫度T值

表6 新品橡膠墊的線性擬合結(jié)果

3.3 橡膠減振墊壽命

根據(jù)3.2節(jié)擬合結(jié)果，結(jié)合各參數(shù)及公式P=Ae-kτ和k=Be-E/RT，可得出在任一溫度下樣品的性能參數(shù)k與壽命τ的通用公式。

1）五級(jí)修橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評(píng)估公式

五級(jí)修大橡膠墊性能參數(shù)k與壽命τ評(píng)估公式為：

壽命τ = ln（89.789 4/P）/k

五級(jí)修小橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評(píng)估公式為：

壽命τ = ln（64.534 5/P）/k

由上可知，在25 ℃（298 K）時(shí)，以原始性能變化到50 %（即P=0.5）作為臨界值來(lái)估算橡膠墊樣品的使用壽命，評(píng)估得到五級(jí)修大、小橡膠墊的熱老化壽命分別約為3.83年和2.51年。

2）新品橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評(píng)估公式

新品大橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評(píng)估公式為：k = 3.903 6e（-2 384.7/T）

壽命τ = ln（82.934 7/P）/k

對(duì)全新小橡膠墊參數(shù)k與壽命τ評(píng)估公式為：

壽命τ = ln（71.844 2/P）/k

由上可知，在25 ℃（298 K）時(shí)，以樣品原始性能變化到50 %（即P=0.5）作為臨界值來(lái)估算樣品的使用壽命，評(píng)估得到全新件大、小橡膠減振墊的壽命分別約為15.58年和14.06年。

與此同時(shí)，大橡膠減振墊較小橡膠減振墊的壽命略微長(zhǎng)，橡膠減振墊的壽命應(yīng)以小橡膠減振墊的壽命為準(zhǔn)，因此，新品橡膠減振墊的壽命為14.06年，五級(jí)修橡膠減振墊剩余壽命為2.51年。由于動(dòng)車組歷經(jīng)一級(jí)修、二級(jí)修、三級(jí)修、四級(jí)修、三級(jí)修（二輪）、五級(jí)修等維修檢修規(guī)程，每次維修檢修對(duì)橡膠減振墊壽命有一定的耗損，因此，五級(jí)修在使用10年的基礎(chǔ)上，剩余壽命小于新品橡膠減振墊的壽命符合動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀，評(píng)估結(jié)果準(zhǔn)確。

4 小結(jié)

本文針對(duì)動(dòng)車組用橡膠減振墊開展了基于加速試驗(yàn)理論的壽命評(píng)估研究，在不同溫度下研究了橡膠減振墊的壽命及剩余壽命情況，研究結(jié)論如下：

1）在加速試驗(yàn)條件下對(duì)橡膠減振墊進(jìn)行壽命及剩余壽命評(píng)估，相對(duì)于傳統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法，節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間及成本。

圖5 五級(jí)修大橡膠墊ln k與1/T的線性擬合

2）對(duì)比五級(jí)修橡膠減振墊和新品橡膠減振墊大橡膠墊和小橡膠墊的壽命可知，小橡膠墊的壽命要比大橡膠墊的壽命要短，因此以小橡膠墊的壽命作為橡膠減振墊的壽命評(píng)估值。

3）在五級(jí)修橡膠減振墊已經(jīng)使用10年的基礎(chǔ)上，評(píng)估得到其剩余壽命為2.51年，新品的壽命為14.06年，由于維修檢修過(guò)程中會(huì)造成五級(jí)修橡膠減振墊壽命有一定的耗損，五級(jí)修橡膠減振墊的總體壽命會(huì)略微小于新品橡膠減振墊的壽命，此評(píng)估結(jié)果符合動(dòng)車組橡膠減振墊的實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)狀，壽命評(píng)估準(zhǔn)確，且為橡膠減振墊的使用和更換奠定理論基礎(chǔ)。