疲劳试验在橡胶减振制品寿命预测中的应用

橡胶减振制品具有制品弹性参数可调、可以衰减和吸收高频振动和噪声、冲击刚度大于动刚度和静刚度以及体积小、重量轻、免维护等优点，故可以取代传统金属弹簧和摩擦阻尼装置。国外此类产品的应用非常广泛，但在国内还处于引进与仿制阶段。由于，橡胶减振制品通常是在周期应力状态下使用的，所以，橡胶减振制品的耐疲劳特性与其使用寿命密切相关。最可靠的办法是在实际使用条件下对实物进行评价，但这需要较长的试验时间和昂贵的费用。目前，预测橡胶减振制品疲劳寿命方法有虚拟分析和疲劳试验，而使用软件来仿真计算产品的使用寿命，并不能代替疲劳试验，产品疲劳可靠性最终要通过疲劳试验来检验。因此，如何准确的通过疲劳试验来预测橡胶减振制品的疲劳寿命，对于缩短产品开发周期、节省资金，最终研制出性能满足使用要求的高技术含量的产品有重要意义。

1 橡胶减振制品疲劳失效的判断准则

1.1 制品静刚度损失率

橡胶减振制品是国内外目前应用最为广泛的减振降噪装置，在轨道交通中占总量的 90％以上(按产值计算)，主要起承载、悬挂、牵引、隔振和缓冲的作用，所以刚度是橡胶减振制品的关键特性之一。橡胶减振制品的疲劳曲线的特点为在循环次数超过10 7 次后，曲线也并不一定水平，所以，疲劳试验并不要求制品直到疲劳破坏时才终止试验，即当试验进行到一定次数后，对制品进行性能检验，如满足要求，即认为寿命达到设计要求。橡胶材料的弹性模量在使用过程中会不断下降，往往在发生破坏前，其强度就已降到不足以承受额定载荷的程度，因此，必须在疲劳使用过程中对制品的刚度进行检验，以掌握失效程度。静刚度的损失率计算公式为：

ΔK=[(K2-K1)/K1]×100%

式中ΔK 为静刚度损失率；K1、K2 分别为疲劳前后的静刚度值。

1.2 制品变形量

蠕变是橡胶产品的特点，因此橡胶产品在使用过一段时间后，在其受力方向会产生永久变形，从而改变产品的部分尺寸。若产品的蠕变量过大将直接影响车辆的运行安全，因此，为了确保整车高度的均衡性与安全性，必须对橡胶减振制品进行疲劳试验后的自由高检测。在不影响产品使用性能的前提下，任何橡胶产品都允许在有一定的永久变形的情况下继续使用，但当永久变形影响产品与其它部件的连接时，则应采取措施，加以调整。比如火车一系金属－橡胶复合锥形弹簧，当产品发生蠕变，产品的高度会下降。由于产品是用于机车车辆的一系悬挂，因此车体和车钩的高度也会随之下降，从而影响前后车辆的连接。对于此种情况，必须加调整垫片，以调整产品的高度。当调整垫片不足以调整时，必须更换产品。

1.3 橡胶材料的温升

橡胶材料的耐疲劳性能严重影响制品的疲劳寿命，而温度过高是橡胶发生破坏的重要因素。温升与载荷幅值、振动频率、胶料配方以及散热条件等有关。有研究表明，对于橡胶材料，当 表面温升大于 20℃时，材料开始破坏。

橡胶是导热性差的材料，当生成的热量高于散发的热量时，会使内部的温度上升，这种现象随振动频率的加大而愈加严重。因此，大多数橡胶材料疲劳试验的频率均控制在 0.5Hz 左右，但试验频率应取何值才能达到既节省时间又不会发生过高温升，在橡胶减振制品试验标准中均无具体规定，需根据橡胶减振制品的使用场合、要求、经试验方可确定。

2 国内研究进展

国内在寿命预测研究领域，对 金属类线性材料制品研究比较成熟，而 对橡胶或橡胶－金属相结合的非线性类制品研究还刚起步。

目前，铁道车辆用减振降噪部件的验收都是通过做程序载荷谱加载的疲劳试验来确定。如 TB/T2843-1997，TB/T2589-1995，TB/T2841-1997，GB/T13061-91 等标准所规定的试验方法。太原重型机械工程学院的孙大刚对大型履带式拖拉机链轮橡胶减振器疲劳试验程序载荷谱进行了研究 [1] 。该程序载荷谱的载荷分为 8 级，并把试验载荷按低-高-低的次序进行排列，同时把总程序分成20 个子程序进行循环，每 个子程序的循环次数为 10⁵(总疲劳试验次数为2×10⁶)。为了加快试验进程，对试验程序进行了提高试验频率、加大载荷幅值的强化程序。较大载荷下(≥53KN)的振动频率为 0.5Hz，较小载荷下( 53KN)的 振动频率可以加快至( 1~3)Hz。当把各级载荷均扩大了 42%后，总疲劳次数为强化前的 1/10，即 2×10⁵次，大大缩短了试验时间。

无锡中策的吴亚军对橡胶减振器疲劳寿命与模具设计的关系进行了研究 [2] ，分析了橡胶模压注孔开设位置对产品粘接、疲劳性能产生影响的原因，认为压注孔的开设应尽量减少型腔内胶料流经关键部位处的流动量，即尽量减少关键部位的胶粘剂流失，并尽可能使得各个型腔同时得到充满。

铁科院金化所的毛鲲鹏对DF11型机车用橡胶球关节进行了研究 [3] 。通过对胶料的配方试验和产品的动静态试验的全面研究，发现胶料的压缩疲劳生热性能直接影响到橡胶球关节的使用寿命，采用合适的硫化体系和补强体系可以获得很好的耐疲劳性能。另外，橡胶球关节三瓣之间的缝隙对制品的静刚度有较大影响，比 较将销轴直接压到缝隙上和一整瓣处的试验结果表明，压缝时的静刚度比不压缝时的静刚度小了2KN/mm。疲劳试验表明，采用正弦波，18Hz，最大和最小载荷分别为 42.5KN 和 10KN 的试验条件下，疲劳次数210 万次的橡胶球关节可以实际运行 40 万公里，疲劳次数超过 620 万次的橡胶球关节可以实际运行 100 万公里，满足了铁道部一个大修期的使用要求。表1 为两种球关节疲劳试验结果。其 中2#的使用寿命为40 万公里。

表 1 为两种球关节疲劳试验结果
疲劳次数/万次 1# 2#
38.47 正常 正常
59.01 正常 正常
135.88 正常 正常
216 正常 受压处橡胶下方脱出外圈3mm
286 正常 受压处橡胶下方脱出外圈10mm
295.83 正常，受压处橡胶温度36℃ 受压处橡胶温度39℃
352 正常，受压处橡胶温度36℃ 脱出25mm，橡胶温度39℃
433 正常，受压处橡胶温度36℃ 脱出30mm，橡胶温度39℃
495 正常，受压处橡胶温度36℃ 脱出32mm，橡胶温度39℃
582 正常，受压处橡胶温度36℃ 脱出34mm，橡胶温度39℃
624 脱出2mm，橡胶温度39℃ 脱出35mm，橡胶温度39℃
740 脱出3mm，橡胶温度39℃ 脱出36mm，橡胶温度39℃
799 脱出3mm，橡胶温度39℃ 脱出38mm，橡胶温度39℃
890 脱出4mm，橡胶温度39℃ 脱出40mm，橡胶温度39℃
946 脱出5mm，橡胶温度39℃ 脱出41mm，橡胶温度39℃
1081 脱出6mm，橡胶温度39℃ 脱出43mm，橡胶温度39℃