轨道工程车用一系橡胶弹簧热空气加速老化法寿命预估

陈 涛，魏凯耀，马利珍

(洛阳双瑞橡塑科技有限公司，河南 洛阳 471003)

轨道工程车用一系橡胶弹簧是由外套、隔板、芯轴等金属件与橡胶通过胶黏剂硫化黏接组成的结构件，主要起到支承、减振作用，是车辆一系悬挂具有合适纵向和横向定位刚度的关键部件[1]。在垂直方向上，一系橡胶弹簧给列车提供弹性支撑；在横向和纵向上，主要给车体提供柔性连接和弹性定位作用。一系橡胶弹簧的寿命长短关乎到工程车的使用安全问题，所以预测一系橡胶弹簧的寿命对其使用具有现实的指导意义[2-3]。

一系橡胶弹簧的核心结构是由具有黏弹性的橡胶材料制成，正常使用的情况下，一系橡胶弹簧的老化破坏只发生在橡胶部分，所以如果能对一系弹簧橡胶部分的寿命进行预测，就可以预测出一系橡胶弹簧的寿命。长期贮存法和加速老化法是常用的两种橡胶材料寿命预测方法[4]。长期贮存法就是让橡胶制品长期贮存停放，定期对其特定性能进行检测，然后根据制品性能变化进行推导来预测制品寿命，这种方法虽然结果较为准确，但需长期贮存停放，存在测试周期长、管理成本高等问题。加速老化法是根据时温等效原理，采用人工加速老化，短期内测试多个不同老化条件下的性能指标，得出性能随老化时间变化关系，运用Arrhenius方程外推至正常条件下的性能变化来进行寿命预测[5-6]。采用加速老化方法预测橡胶制品的贮存寿命不仅实验周期短，而且结果也可靠。大量的实验结果表明，高温加速老化方法预测的橡胶制品寿命与实测的结果是一致的[7-8]。

1 实验部分

1.1 原料

轨道工程车用一系橡胶弹簧：自产。

1.2 仪器及设备

WGL-30B型电热鼓风干燥箱：天津市泰斯特仪器有限公司；MTS322-100kN型电液伺服疲劳试验机：美国MTS系统公司。

1.3 性能测试

定载荷下的尺寸按照TB/T 2843—2015进行测试，具体方法为:首先，实验前将所有实验部件和设备在(23±2)℃的环境中静置至少24 h。对试样加载4个载荷为0～13 kN的周期循环，前3个循环每个循环时间为50 s，第4个循环时间为100 s，在第4个循环的卸载区段，当载荷达到11.04 kN时，停留并保持10 s之后，测量定载荷11.04 kN下的尺寸变化。

1.4 加速老化实验

根据GB/T 20028—2005标准以及参考其他橡胶材料热空气加速老化所选老化温度，选取本实验的热空气老化温度为50 ℃、70 ℃和90 ℃。本实验试样数量为3个，分别测试3个试样在(23±2) ℃下的定载荷下的尺寸。然后将试样分别安装到相同的试验工装中，借助电液伺服试验机和紧固螺丝，控制一系橡胶弹簧所受压力为11.04 kN左右，然后分别放入3个相同型号的的热空气老化箱中，老化箱温度分别为50 ℃、70 ℃和90 ℃。性能老化测试时间点为从开始进箱至第1 d、第2 d、第4 d、第8 d、第14 d，共5个测试点，老化总时间为14 d。

老化箱温度达到设定温度的时间作为老化起始时间，老化时间达到相应要求时间后，从老化箱中取出实验工装，拆下螺丝取出试样，将实验工装放回老化箱中继续保温。试样停放2 h完全冷却后进行定载荷下的尺寸性能测试，测试完成后将试样重新安装到实验工装中，借助电液伺服试验机和紧固螺丝控制一系橡胶弹簧所受压力为11.04 kN左右,当老化箱温度重新达到设定的老化温度时，老化时间继续计时，待老化时间达到下一要求老化时间后再次取出试样，停放2 h完全冷却后测试试样定载荷下的尺寸，如此重复，老化时间进行累计，直至全部老化实验完成。整个实验过程中记录下3个试样在不同老化温度下不同老化时间后的定载荷下的尺寸。

2 加速老化寿命评价方法

根据GB/T 20028—2005要求，使用一个厂家生产的相同型号的老化箱对试样进行人工加速老化，然后跟踪测试试验样品在不同老化温度下不同老化时间的特定性能，将性能测试结果代入Arrhenius方程，拟合出不同老化温度下性能和时间的关系方程，对得到的方程系数进行推导计算，便可以得出寿命与温度的关系方程，以此计算出常温下橡胶制品的寿命。本实验采用预测结果最为可靠的动力学曲线直线化法，通过对方程两边取对数将坐标变换，使曲线关系转化为直线关系，求出不同老化温度下的速率常数K值，然后运用Arrhenius方程外推求导出常温下的速率常数K值，以推导出一系橡胶弹簧的寿命与温度方程，从而计算出常温下一系橡胶弹簧的使用寿命[9-10]。

定载荷下的尺寸、动刚度、阻尼特性、静态蠕变性能、静态应力松弛性能等都可以作为一系橡胶弹簧的评价指标，但是哪个作为一系橡胶弹簧寿命评价指标最为合适，还需考虑使用工况和加速老化实验测试环境，两者接近最为适宜。一系橡胶弹簧安装在工程车车体与辊轮之间，工程车运行时，一系橡胶弹簧不仅受到车体和所载工具、设备的压缩，同时受到列车运行引起的持续振动，使用工况比较复杂[11]。因加速老化实验是模拟制品在受压工况下的性能变化，考虑到工况环境，众多指标中定载荷下的尺寸与实际工况最为接近，故以定载荷下的尺寸作为特性指标[12]。本实验将一系橡胶弹簧的常温定载荷下的尺寸变化率作为关键考核指标。

老化时间τ和老化特性指标P之间的关系可用经验公式(1)描述。

P=Ae-Kτα

(1)

式中：P为老化进行到老化时间τ时定载荷下的尺寸保持率，%；τ为老化时间，d；A为无量纲常数；α为老化反应时间指数，也是无量纲常数，0<α≤1；K是与热力学温度有关的老化反应速度常数，K与热力学温度的关系服从Arrhenius方程。

(2)

式中：Z为频率因子，d-1；E为表观活化能，J/(K·mol)；R为气体常数，J/mol；T为热力学温度，K。

将式(1)两边取对数，进行数学换算后就可以得到式(3)。

lnP=-Kτα+lnA

(3)

定义Y=lnP，X=τα，a=-K，b=lnA，可以得到式(4)。

Y=aX+b

(4)

根据不同老化温度下一系橡胶弹簧的定载荷下的尺寸保持率的测试结果，就可以计算出老化时间与定载荷下的尺寸保持率的关系变化曲线。分析X和Y的曲线相关程度，如果X和Y的曲线相关程度为线性关系，那么α=1；如果X和Y的曲线相关程度不是线性关系，那么令0<α<1，对式(4)进行相关拟合，就可以得出参数a和b的值,进而可以得出A值，将各个老化温度下的A值平均即可求出式(1)中的A值。

对公式(2)两边取对数，可得：

(5)

3 结果与讨论

3.1 老化实验结果分析

不同老化温度、不同老化时间下一系橡胶弹簧定载荷下的尺寸如表1所示。

表1 不同老化温度和时间的一系橡胶弹簧定载荷下的尺寸

以老化时间为横轴，定载荷下的尺寸保持率为纵轴，绘制一系橡胶弹簧在不同温度下老化程度曲线，如图1所示。

老化时间/d图1 不同温度下一系橡胶弹簧老化程度曲线

由图1可知，温度越高，一系橡胶弹簧定载荷下的尺寸保持率下降越快，老化越严重，这符合时温等效原理。观察关系曲线可知Y和X呈非线性关系，那么α的取值应在0～1内，应采用逼近准则对α进行估值。逼近的标准是令α估值精确到小数点后两位时，式(6)的I值最小。

(6)

根据逼近准则，利用数学软件试算α值，计算得出当α=0.49时，I值最小。

在α=0.49时对式(4)进行线性拟合，利用最小二乘法求出拟合参数a和b的值。各个温度下的拟合参数a、b以及K的值如表2所示。

表2 线性拟合结果

根据各个温度下的b值计算可以得出A的估值：

Y1=a1X1+b1

(7)

根据表3中不同温度下的参数K值,制图并进行线性拟合，利用最小二乘法得出a1=-2 238.69，b1=1.975 98，拟合曲线图如图2所示。

1/T图2 线性拟合图

根据得出的a1和b1值可以得出热力学温度与速度变化常数K的关系表达式(8)，从而可以得到任一温度下的速度变化常数K值。

(8)

将以上所得结果代入式(1)，从而得到式(9)。

(9)

3.2 寿命预估

一系橡胶弹簧的使用环境通常为常温25 ℃，故将25 ℃温度值代入式(9)得到25 ℃下一系橡胶弹簧定载荷下尺寸保持率的老化曲线，如图3所示。

时间/年图3 25 ℃下一系橡胶弹簧老化曲线图

一系橡胶弹簧的设计要求为在使用寿命周期内定载荷下的尺寸下降不得超过20%，故以定载荷下的尺寸保持率80%为一系橡胶弹簧的失效点，将25 ℃温度值和80%定载荷下的尺寸保持率代入式(9)中，可以预测出25 ℃使用环境下一系橡胶弹簧的老化寿命约为10.7年，满足6年使用寿命的设计要求。

3.3 振动对一系橡胶弹簧性能的影响

本实验所使用的试验工装只是模拟了一系橡胶弹簧运行时的定载荷工况，没有模拟车辆运行的持续振动工况，而持续振动对加速老化的影响可能造成预测结果失准[13]。为验证预测结果的准确性，本实验继续进一步研究持续振动对一系橡胶弹簧性能的影响，仍以试样定载荷下的尺寸为特性指标。

疲劳实验：实验前将所有实验部件和设备在(23±2)℃的环境中静置至少24 h。先测定一系橡胶弹簧试样的初始定载荷下的尺寸，然后对试样施加7.7～14.4 kN的垂向周期载荷，加载频率为(4±1)Hz，循环次数为200万次。实验过程中，当产品表面温度超过40 ℃时进行风冷处理。疲劳周期加载完成后将一系橡胶弹簧试样置于(23±2) ℃的室内环境中24 h以上，再次测定试样定载荷下的尺寸。

测试结果显示一系橡胶弹簧定载荷下的尺寸变化率为0.45%。由此可见，持续振动对特性指标定载荷下尺寸的影响很小，加速老化结果依然可靠。

4 结 论

(1)温度对一系橡胶弹簧性能影响较大，温度越高，老化越严重，性能下降越快。

(2)工程车运行时引起的持续振动对一系橡胶弹簧定载荷下尺寸的影响较小。

(3)25 ℃使用环境下一系橡胶弹簧的老化寿命约为10.7年。