疲劳试验在橡胶减振制品寿命预测中的应用

橡胶减振制品同时具有承载和缓和冲击的作用,由于体积小、重量轻、免维护等优点,故可以取代传统的金属弹簧和摩擦阻尼装置。橡胶减振制品的耐疲劳特性严重影响其使用寿命,本文综述了橡胶减振制品疲劳失效的判断准则和疲劳试验在使用寿命预测中的应用,以及国内外在橡胶减振制品寿命预测方面的研究进展。
一、国外研究进展
近年来,国外发达国家对橡胶减振制品的强度设计已由依据静强度和无限寿命设计发展到了定量寿命设计,抗 疲劳设计中使用了“一体化耐久管理”的方法,疲劳试验已经采用随机载荷谱或道路谱加载进行。因为,用程序载荷谱加载的疲劳试验一般只能够对产品进行合格检验或产品的性能对比,不能够真正用于研究产品的寿命。采 用随机载荷谱或道路谱就能消除程序载荷谱高低载荷的加载次序和各加载位置载荷相位差对构件寿命的影响。能够较为真实的模拟构件所承受的载荷,使所得的试验寿命能够真实地反映运行寿命 [7,8] 。由于不能直接采集到制品的随机载荷谱,只能采集到制品上某些点的应变谱,所以,现代的疲劳试验控制系统以这些应变谱为控制参量,迭代产生用于加载的载荷谱,精 度一般在 5%以内。并且,国外可以对采集的应变谱进行编辑,使编辑前后的信号产生的损伤分布基本一致,即真实的反映了使用寿命,又缩短了疲劳试验时间。而国内大多数的疲劳试验还采用程序载荷谱,即使有的采用了道路谱,也不能合理的进行编辑,只是用线形放大载荷信号或者用“等效”的常幅载荷信号来加载疲劳试验的做法,不能准确的反映使用寿命。
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。
二、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。
三、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 2×10 5次,大大缩短了试验时间。
总之,国内在橡胶减振制品研制开发方面的手段还比较落后,仍停留在经验设计和静强度设计阶段。有 些制品的抗疲劳设计仍使用常规的无限寿命设计方法;有些制品只对可能的几个危险点或危险截面使用经验公式进行疲劳强度校核,以计算所得的安全系数不小于许用的安全系数作疲劳强度的判据,以通过程序加载的疲劳试验作为产品寿命合格的判断标准。结果,有些通过了检验的制品在使用过程中发生了疲劳失效,造成了严重的经济损失。有些产品并未失效就根据维修规程早早的进行了更换,未充分发挥产品的使用价值,造成了浪费。这说明常规的抗疲劳设计方法在产品的寿命估算和产品抗疲劳设计方面都存在不足。

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