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疲劳试验在橡胶减震制品寿命预测中的应用(2)

 发布时间:2013-10-28 点击量:685

    V 型橡胶弹簧安装于轴箱和转向架构架之间,每 个轮对轴箱使用两个V 形橡胶弹簧,它们将转向架与轮对轴箱连接起来并承担轮对导向作用,用于传递轮对的牵引力和制动力;并在垂直方向给车体以弹性支撑;在列车的纵向和横向提供柔性连接和限位的作用,是对主要减震性能的补充。对橡胶V型弹簧的疲劳寿命研究表明,试验的频率和交变载荷的均值是影响其疲劳寿命的主要因素 [4] 。疲劳试验的频率为 2Hz,载荷均值为 V 型弹簧的额定工作载荷的条件下,振动次数为2×106相当于实际运行7×104公里,基本能验证出 V 型弹簧的抗疲劳性能。目前,一般认为,V 型弹簧的刚度变化率在-10%~10%之间是满足使用要求的。  

铁岭橡胶工业研究所的史艳玲等根据橡胶恒定压缩*变形的经验公式及化学反应过程中反应速度常数与温度的关系服从阿仑尼乌斯方程,用不同温度下橡胶减振块胶料的恒定压缩*变形的变化规律来预测橡胶减振块使用寿命 [5] 。N R 橡胶减振块的压缩*变形量不大于总高度的(6~7)%时,虽然刚度增加,但仍可工作一定时间。该减振块的工作变形量为 14.5mm,因 此当其压缩*变形量为30%时,变 形值为4.35mm,为总高度的 6.21%,即以此计算,在等效温度 25℃下,压缩*变形值为 4.35mm(工作变形 30%)的时间为 3.2 年。  

基础隔振叠层橡胶支座是建筑结构地震防护的一种新方法,要求其使用寿命不小于上部结构的使用年限,也就是超过 50 年。许斌等采用热空气老化的方法研究了橡胶支座的使用寿命 [6] ,产品的使用寿命与不同温度下劣化试验所需时间的关系见表2。 表 2 使用寿命与不同温度下劣化试验所需时间(小时)    

另外,通 过比较 80℃下劣化现象对橡胶支座产品和橡胶试片的水平刚度的影响,发现由于橡胶支座产品中钢板使橡胶大面积与空气隔离,提高了橡胶的使用寿命。  

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。  

3 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。   疲劳编辑的方法主要有:时域内的疲劳编辑、频域内的疲劳编辑、直方图编辑、设置循环幅门槛值、峰谷值抽取、设置 SWT 损伤门槛值等。其中,设置 SWT 损伤门槛值和直方图编辑只能用于单通道的疲劳试验,其它还可用于多通道。   德国的 Eckwerth 对机车车辆用橡胶件的寿命试验进行了研究 [9] 。他以 ICE2 的高速转向架轮对转向装置的导向套为例,采用将道路谱信号编辑处理后变换成试验台的控制信号的方法,对其进行了寿命预测研究。他认为估算寿命的可靠性还不能与近似实际的结构件试验相媲美的主要原因是橡胶件有许多影响工作强度特性的参数。试验台寿命试验的结论始终取决于所用负荷数据的质量。   德国的 CONTITECH 公司、英国的 LORD公司等均具有对橡胶减振制品进行寿命预测的能力,但对外公开发表的资料较少。日本的畦田利夫等对车辆的减振部件空气弹簧的使用寿命进行了研究 [10]。 空 气弹簧在车辆运行中承受复杂的振动载荷,部分是在太阳暴晒等恶劣条件下使用的,迫切需要实现寿命zui大化。通过对气囊橡胶试片的人工加速老化试验,同时对实际使用的空气弹簧的实用性能及气囊物理性能的老化度的测试,可靠的评价了其使用寿命,确 认了气囊老化的因素,即以交变应力为基础,再以热、紫外线等的氧化老化的复合,其 中紫外线比热的影响要严重的多。   总之,国外橡胶减振制品寿命试验的主要发展趋势是:①始终用计算预估的概念来改善和补充经验得出的工作强度;② 原则上寿命试验必须以测量结果为依据,测 量结果应尽可能代表实际应力状态。而且无论如何必须知道试验台试验和线路试验走行公里数之间的对应关系;③通过开发和有效地简化数学描述,力求进一步减少试验时间;④力求今后的损坏等效试验由多轴向试验变换为单轴向试验;⑤ 供货商与机车车辆厂共同根据严格的现场测量,提供标准的试验用负荷集合。  

4 结语   我国对橡胶减振制品的研制起步较晚,没有进行过系统的开发和研究,应用规模及技术水平与国外相比还有较大差距。随着橡胶减振制品工程应用的日益广泛,对 橡胶减振制品进行疲劳寿命定量预测的要求会愈加急迫,我 们必须尽快引进国外先进的技术手段,包括使用软件来仿真计算虚拟产品的抗疲劳设计,以提高寿命预测的准确性。

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