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疲勞試驗在橡膠減震制品壽命預測中的應用（2）
- 點擊次數：1481 發布時間：2013-10-28
V 型橡膠彈簧安裝于軸箱和轉向架構架之間，每 個輪對軸箱使用兩個V 形橡膠彈簧，它們將轉向架與輪對軸箱連接起來并承擔輪對導向作用，用于傳遞輪對的牽引力和制動力；并在垂直方向給車體以彈性支撐；在列車的縱向和橫向提供柔性連接和限位的作用，是對主要減震性能的補充。對橡膠V型彈簧的疲勞壽命研究表明，試驗的頻率和交變載荷的均值是影響其疲勞壽命的主要因素 [4] 。疲勞試驗的頻率為 2Hz，載荷均值為 V 型彈簧的額定工作載荷的條件下，振動次數為2×106相當于實際運行7×104公里，基本能驗證出 V 型彈簧的抗疲勞性能。目前，一般認為，V 型彈簧的剛度變化率在-10%~10%之間是滿足使用要求的。
鐵嶺橡膠工業研究所的史艷玲等根據橡膠恒定壓縮*變形的經驗公式及化學反應過程中反應速度常數與溫度的關系服從阿侖尼烏斯方程，用不同溫度下橡膠減振塊膠料的恒定壓縮*變形的變化規律來預測橡膠減振塊使用壽命 [5] 。N R 橡膠減振塊的壓縮*變形量不大于總高度的（6~7）%時，雖然剛度增加，但仍可工作一定時間。該減振塊的工作變形量為 14.5mm，因 此當其壓縮*變形量為30%時，變 形值為4.35mm，為總高度的 6.21%，即以此計算，在等效溫度 25℃下，壓縮*變形值為 4.35mm（工作變形 30%）的時間為 3.2 年。
基礎隔振疊層橡膠支座是建筑結構地震防護的一種新方法，要求其使用壽命不小于上部結構的使用年限，也就是超過 50 年。許斌等采用熱空氣老化的方法研究了橡膠支座的使用壽命 [6] ，產品的使用壽命與不同溫度下劣化試驗所需時間的關系見表2。 表 2 使用壽命與不同溫度下劣化試驗所需時間（小時）
另外，通 過比較 80℃下劣化現象對橡膠支座產品和橡膠試片的水平剛度的影響，發現由于橡膠支座產品中鋼板使橡膠大面積與空氣隔離，提高了橡膠的使用壽命。
總之，國內在橡膠減振制品研制開發方面的手段還比較落后，仍停留在經驗設計和靜強度設計階段。有 些制品的抗疲勞設計仍使用常規的無限壽命設計方法；有些制品只對可能的幾個危險點或危險截面使用經驗公式進行疲勞強度校核，以計算所得的安全系數不小于許用的安全系數作疲勞強度的判據，以通過程序加載的疲勞試驗作為產品壽命合格的判斷標準。結果，有些通過了檢驗的制品在使用過程中發生了疲勞失效，造成了嚴重的經濟損失。有些產品并未失效就根據維修規程早早的進行了更換，未充分發揮產品的使用價值，造成了浪費。這說明常規的抗疲勞設計方法在產品的壽命估算和產品抗疲勞設計方面都存在不足。
3 國外研究進展 近年來，國外發達國家對橡膠減振制品的強度設計已由依據靜強度和無限壽命設計發展到了定量壽命設計，抗 疲勞設計中使用了“一體化耐久管理”的方法，疲勞試驗已經采用隨機載荷譜或道路譜加載進行。因為，用程序載荷譜加載的疲勞試驗一般只能夠對產品進行合格檢驗或產品的性能對比，不能夠真正用于研究產品的壽命。采 用隨機載荷譜或道路譜就能消除程序載荷譜高低載荷的加載次序和各加載位置載荷相位差對構件壽命的影響。能夠較為真實的模擬構件所承受的載荷,使所得的試驗壽命能夠真實地反映運行壽命 [7，8] 。由于不能直接采集到制品的隨機載荷譜，只能采集到制品上某些點的應變譜，所以，現代的疲勞試驗控制系統以這些應變譜為控制參量，迭代產生用于加載的載荷譜，精 度一般在 5%以內。并且，國外可以對采集的應變譜進行編輯，使編輯前后的信號產生的損傷分布基本一致，即真實的反映了使用壽命，又縮短了疲勞試驗時間。而國內大多數的疲勞試驗還采用程序載荷譜，即使有的采用了道路譜，也不能合理的進行編輯，只是用線形放大載荷信號或者用“等效”的常幅載荷信號來加載疲勞試驗的做法，不能準確的反映使用壽命。 疲勞編輯的方法主要有：時域內的疲勞編輯、頻域內的疲勞編輯、直方圖編輯、設置循環幅門檻值、峰谷值抽取、設置 SWT 損傷門檻值等。其中，設置 SWT 損傷門檻值和直方圖編輯只能用于單通道的疲勞試驗，其它還可用于多通道。 德國的 Eckwerth 對機車車輛用橡膠件的壽命試驗進行了研究 [9] 。他以 ICE2 的高速轉向架輪對轉向裝置的導向套為例，采用將道路譜信號編輯處理后變換成試驗臺的控制信號的方法，對其進行了壽命預測研究。他認為估算壽命的可靠性還不能與近似實際的結構件試驗相媲美的主要原因是橡膠件有許多影響工作強度特性的參數。試驗臺壽命試驗的結論始終取決于所用負荷數據的質量。 德國的 CONTITECH 公司、英國的 LORD公司等均具有對橡膠減振制品進行壽命預測的能力，但對外公開發表的資料較少。日本的畦田利夫等對車輛的減振部件空氣彈簧的使用壽命進行了研究 [10]。 空 氣彈簧在車輛運行中承受復雜的振動載荷，部分是在太陽暴曬等惡劣條件下使用的，迫切需要實現壽命zui大化。通過對氣囊橡膠試片的人工加速老化試驗，同時對實際使用的空氣彈簧的實用性能及氣囊物理性能的老化度的測試，可靠的評價了其使用壽命，確 認了氣囊老化的因素，即以交變應力為基礎，再以熱、紫外線等的氧化老化的復合，其 中紫外線比熱的影響要嚴重的多。 總之，國外橡膠減振制品壽命試驗的主要發展趨勢是：①始終用計算預估的概念來改善和補充經驗得出的工作強度；② 原則上壽命試驗必須以測量結果為依據，測 量結果應盡可能代表實際應力狀態。而且無論如何必須知道試驗臺試驗和線路試驗走行公里數之間的對應關系；③通過開發和有效地簡化數學描述，力求進一步減少試驗時間；④力求今后的損壞等效試驗由多軸向試驗變換為單軸向試驗；⑤ 供貨商與機車車輛廠共同根據嚴格的現場測量，提供標準的試驗用負荷集合。
4 結語 我國對橡膠減振制品的研制起步較晚，沒有進行過系統的開發和研究，應用規模及技術水平與國外相比還有較大差距。隨著橡膠減振制品工程應用的日益廣泛，對 橡膠減振制品進行疲勞壽命定量預測的要求會愈加急迫，我 們必須盡快引進*的技術手段，包括使用軟件來仿真計算虛擬產品的抗疲勞設計，以提高壽命預測的準確性。
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