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橡胶人字弹簧性能试验婚庆剪纸

时间:2023年06月01日

橡胶人字弹簧性能试验

摘要:提出了几种橡胶人字弹簧必需进行的试验项目,并对试验方法以及相关数据的分析与处理进行了探讨,从而对橡胶人字弹簧的选配试验以及蠕变试验的方法提出了建议。

上海地铁1、2号线采用的一系悬挂系统是由德国凤凰公司( PHOENIX)提供的橡胶-钢板-铝板层叠弹簧,即橡胶人字弹簧,与目前国产的橡胶人字弹簧相比,具有性能稳定、蠕变量小等特点,所以目前国内的地铁车辆中较多的采用进口橡胶人字弹簧作为一系悬挂系统。但进口的橡胶人字弹簧价格比较昂贵,因此研究开发具有自主产权 的橡胶人字弹簧就势在必行。然而目前国内尚无橡胶人字弹簧试验方法国家标准,本文根据近几年在开发橡胶人字弹簧的过程中所做的大量试验,提出了一套比较合理的试验与数据的处理方法,并对相关的试验数据进行了重点分析,为产品的开发提供了试验依据,同时,对开发其他橡胶弹性元件也可起到参考作用。

1、试验项目的设置

1.1型式试验

型式试验包括静态试验以及疲劳试验,它属于一般产品的性能试验。橡胶人字弹簧具有三向减振功能,故应对橡胶人字弹簧进行垂向、横向以及纵向试验。橡胶人字弹簧的垂向刚度影响车辆的垂向减振性能,而选择合适的横、纵向刚度则可以改善车辆的动力性能以及减少车辆通过曲线时车轮对钢轨的冲击。同时,由于橡胶人字弹簧是在非周期性应力状态下使用,橡胶材料的疲劳断裂性能以及金属与橡胶之间的粘合强度往往决定了这类产品的疲劳寿命。为了保证在使用时的安全性和可靠性,有必要对橡胶人字弹簧进行疲劳试验。

1.2 选配试验

对于橡胶人字弹簧,由于其静态试验与疲劳试验是成组 (两个一组)试验,为了确保单个橡胶人字弹簧的性能进而确保整车的均衡性与安全性,还必须对其进行选配试验。

橡胶人字弹簧的弹性性能随温度的变化而变化。因此,在试验前必须将试验产品在恒温23±2℃条件下停放24h。同时,橡胶属于高分子材料,因此在任何一次试验之前,均必须对产品在一定载荷作用下进行三次预压,以消除产品的内应力。

1.3 蠕变试验

蠕变是橡胶材料的一项重要性能指标,蠕变的大小,直接影响橡胶制品尺寸的稳定性和耐久性。若产品的蠕变量过大将直接影响车辆的运营安全,因此,必须对橡胶人字弹簧类产品进行蠕变试验。

2、试验方法及数据分析

橡胶人字弹簧的结构如图1所示,图中A,B,C,D4个尺寸是影响产品质量的重要因素。故在对橡胶人字弹簧进行试验前,应对这4个尺寸进行检测,其中,A,D这两 个尺寸直接影响产品的选配试验结果,而B,C这两个尺寸对装车试验以及型式试验有较大的影响。

2.1 静态试验

静态性能试验作为产品的出厂试验之一,是控制产品质量的主要手段。试验应尽可能的模拟地铁车辆的实际运营工况,并且对数据处理应该有一种合理、可信的方法。因此如何设计试验的过程以及试验数据的处理方法是做试验之前要考虑的主要问题。

2.1.1 垂向刚度试验

该试验在 CMT4305微机控制电子试验机上完成。首先对试件预压三次,载荷为额定载荷的1.3倍,加载速度为10mm/min,每次加载的时间间隔为30min。预压后正式试验,加载至额定载荷的1.3倍,记录试验全过程的负荷—变形曲线。

刚度是表征弹簧性能的重要参数,而弹性模量又是决定橡胶弹簧刚度的一个重要参数。试验表明,橡胶材料的弹性力具有非线性性质。正由于橡胶材料具有非线性性质,以它为主体材料的橡胶人字弹簧的刚度曲线并不满足虎克定律,故用图2所示的方法计算产品的垂向刚度值并不能准确的反映产品的性能。因此,我们采用图3、图4 所示的方法,即在一定挠度的范围或一定载荷的范围内取其平均刚度,试验和计算表明这两种方法都是可行的,能够准确反映产品的垂向性能。为了验证数据处理方法是否正确,我们对德国凤凰公司为上海地铁生产的橡胶人字弹簧进行了试验。试件的负荷—变形曲线如图5所示。原始数据表明,试件在42.45kN时其静刚度为1.31kN/mm。试验数据分别为:在42.45kN下其变形为27.795mm,在载荷为35.63kN下其变形为22.783mm,在载荷为49.21kN下其变形为32.799mm。若采用图2所示的方法计算其静刚度,其值为1.527kN/mm,误差为16.56 %,而采用图3所示的方法,其值为1.358kN/mm,误差仅为3.66 %。

一般而言,对于橡胶人字弹簧我们采用的是图3所示的方法,分别计算在不同载荷下的刚度值。通过分析与计算,我们发现采用图3、图4所示的方法其本质是一致的。因此,我们认为在橡胶人字弹簧的垂向刚度试验中采用图3所示的方法更有利于数据的处理,因为要确定不同产品的F1,F2值 (见图 4) 是比较困难的。

2.1.2 横 、纵向刚度试验

该试验在结构强度试验机上进行。首先对试验产品施加一定的垂向工作载荷 (一般为产品额 定载荷的1.3倍),并保持恒定。然后对产品施加横、纵向作用力,直至横 、纵向位移达到规定的最大值 (5mm) 后卸载,同时加载速度不大于20mm/ min。最后得到如图5所示的力-位移的回归曲线。对横、纵向刚度的测定,我们分别取 A 、B点对应的载荷值(见图6),取它们之和除以10,所得值即为给定垂向载荷值对应的横向(纵向)刚度值。

由于橡胶特性的不稳定性,其静态刚度的偏差比较大,一般认为,刚度偏差为±10%是合理的(见TB/T2589- 95 )。如邓录普公司规定为±10%,日本为10%~15%。但对橡胶人字弹簧,由于其选配试验要求精度较高,同一等级挠度的偏差仅为1.02mm,故对橡胶人字弹簧刚度偏差宜提出较高要求,在开发橡胶人字弹簧的过程中,我们 发现垂向刚度偏差为±6%是可以实现的,而且这对于提高选配试验的成功率是至关重要的。

2.2 疲劳试验

由于列车在运行过程中承受着约2Hz的上下、左右、前后的振动,这将使橡胶件表面产生裂纹、裂口,严重时橡胶与金属板之间会出现剥离,且振动后的温升对橡胶质量也有很大的影响,故对所研制的人字弹簧要求将疲劳试验作为型式试验,其中包括垂向振动疲劳试验,横向剪切振动疲劳试验和纵向振动疲劳试验。

橡胶材料疲劳曲线的特点为在其循环次数超过107后其曲线并不成为水平线,故对橡胶件的疲劳试验并不要求试件直到疲劳破坏时才终止试验,而是当试验进行到一定的次数以后,即对试件进行检验,如满足要求,即认为寿命达到设计要求,因此应有相应的判断准则。

2.2.1 疲劳失效的判断准则

疲劳振动的次数与频率:研究表明,当橡胶堆振动2×10 6次相当于实际运行7×10 4 km,基本能验证出橡胶堆的垂向抗疲劳性能。同时,车辆在线路上运营时的频率约为2Hz,因此,在疲劳试验时设定疲劳振动次数为2 ×10 6 次,频率为2Hz。

静刚度损失率 : 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试件的刚度值进行测量,以掌握其失效程度。我们采用公式图5橡胶人字弹簧负荷-变形曲线K1 - K2 Δ K = ×100 % K1 计算其静刚度损失率,其中Δ K 为静刚度损失率, K1, K2 分别为疲劳使用前、后的静刚度值。理论上认为,对于橡胶堆,当其ΔK≥10%时,橡胶堆就已失效。

温升:温升过高是橡胶材料发生疲劳破坏的重要因素,温升与载荷幅值、振动频率、胶料配方以及散热条件有关。研究资料表明,对于橡胶材料,当表面温升大于20 ℃时,材料开始破坏。

2.2.2试验过程

该试验在CMT4305微机控制电子试验机以及50T脉冲振动疲劳试验机上完成。在疲劳试验 前应先测量试件的垂向静态刚度,然后对试件施加交变载荷(正弦波),载荷均值为试件的额定工作载荷。在整个试验过程中,每隔两小时测量试件表面的温升,试验结束后应再次测量试件的垂向静态刚度。

2.2.3试验数据

在研制橡胶人字弹簧的过程中,我们对一组橡胶人字弹簧进行了垂向和横纵向疲劳试验。在整个试验过程中,橡胶表面的最高温升为9℃,试件经过2×10 6疲劳试验后无裂纹,橡胶与金属无剥离等疲劳破坏现象,静刚度损失率最大为7.5%见表1。

2.3选配试验

选配试验对于橡胶人字弹簧是至关重要的,该试验是控制单个橡胶人字弹簧质量的唯一方法。其选配标准也非常严格,见表2。主要是为了控制整列车的均衡性,提高列车的舒适性和安全性。

2.3.1 试验方法

选配试验在专用测试设备上进行,试验弹簧 放臵为模拟实际轴箱尺寸(即安装垂直倾斜角为11°)。试验时先预加载3次45kN的交替载荷,使橡胶得以松弛;然后施加7kN的预压力,消除橡胶初始变形的不稳定因素; 最后加载至45kN,测定其工作点30kN时的变形量,根据此变形量再进行分组。

2.3.2数据分析

在研制橡胶人字弹簧的过程中,我们对24个通过静态性能试验的产品进行了选配试验,试验 结果如图7所示。试验结果表明,21个产品的挠度值符合选配要求,而当静态垂向刚度控制在±10%范围内时,仅有50%的产品满足选配要求。由此可见,将静态垂向刚度控制在±6%是比较合理的。同时,在选配试验过程中我们发现选配试验台对产品的尺寸有较高的要求,若产品前后高差超过 016mm,试验结果有较大的偏差,甚至不能进行试验。

2.4 蠕变试验

蠕变是指在一定的温度下,当构件内的应力大于某一数值时,外力不增加而构件变形随时间缓慢增加的现象。目前,国内尚无橡胶蠕变及压缩 蠕变试验方法的国家标准,关于试验的方法也鲜见报道,而蠕变性能是橡胶材料的一项重要性能指 标,材料抗蠕变性能的大小,直接影响橡胶制品尺寸的稳定性和耐久性。据相关报道,目前国内生产的橡胶弹性元件包括橡胶人字弹簧,产品质量的最大问题就是蠕变量过大,且很难控制单个橡胶弹性元件蠕变量的大小。因此,提出一种合理的橡胶蠕 变性能的测试方法已成为当务之急。

2.4.1试验方法

蠕变试验是在四通道电液伺服试验机上进行。取试验机平台为基准面,测量橡胶人字弹簧的高度。橡胶人字弹簧施加一定的额定载荷,然后测量其从无载状态开始到试验结束(72h)时的变形,其差值即为产品的蠕变量。不同的橡胶弹性元件其蠕变量有不同的要求,对于橡胶人字弹簧72h的垂向蠕变量≤5mm。

2.4.2蠕变特性分析

橡胶弹性元件的蠕变是不可避免的,但通过改进橡胶的配方达到改善橡胶弹性元件的抗蠕变性能是可以实现的。通过调整橡胶的补强体系,采用高结构的喷雾炭黑可以大大改善胶料的抗蠕变性能。图8是调整了橡胶的补强体系后的蠕变性能,其72小时的蠕变量为4.52mm,未调整前其蠕变量为5.85mm。

3、结论

经过本课题的试验研究,已基本上解决了橡胶人字弹簧在开发过程中所需要解决的试验和数据处理。以下几点我们认为对于开发其他产品有一定的借鉴作用 :

1)在橡胶人字弹簧研制的过程中,我们发现当其垂向静刚度满足设计要求时,其横、纵向刚度 能够随之匹配。因此,我们认为,对于橡胶人字弹簧,其横、纵向刚度试验可以不做,在减少试验费用和时间的同时可以保证其静态性能。

2)通过对胶料配方等工艺方案的调整其静态刚度控制在±6%是完全可以实现的,这对于提高橡胶人字弹簧的选配成功率至关重要。

3) 在试验过程中,影响试件疲劳寿命的主要因素是试验的频率以及交变载荷的均值。因此,应该选择符合试件实际运营工况的频率与载荷,只有这样才能准确的反映试件的疲劳寿命。

4) 国内目前对于橡胶人字弹簧蠕变的试验研究比较少,大部分都集中在对胶料蠕变性能的试验研究上。而事实上,产品和胶料的蠕变性能是不一样的,同时橡胶产品的蠕变性能又是影响其质量的关键因素,因此很有必要对橡胶产品进行蠕变性能试验。本文对产品蠕变性能试验研究做大胆的探索。

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