CRH2系列動車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器失效分析

張晉偉　吳剛　杜利清

【摘 要】為研究CRH2系列動車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器的失效原因，通過動載荷耐久試驗和熱老化試驗對橡膠緩沖器的失效狀態進行了再現。試驗表明，老化因素是造成橡膠緩沖器失效的主要原因。本文的研究結果將為橡膠緩沖器的改進提供重要的研究依據。

【關鍵詞】緩沖器；車鉤緩沖裝置；動車組

0 概述

CRH2系列動車組是國內的主力動車組車型之一，與其它動車組車型相比，其檢修周期較短，返廠大修頻次較高，給主機企業及配套廠家帶來了較大的生產壓力。若能通過技術改進延長動車組檢修周期，將大大減輕生產企業的生產壓力。

按照現有技術，延長CRH2系列動車組檢修周期的最大障礙是其車鉤緩沖裝置必須在運行120萬公里（約3年）后返廠分解更換橡膠緩沖器。因此，研究橡膠緩沖器失效原因，對延長橡膠緩沖器的使用壽命及CRH2系列動車組的檢修周期有重要意義。

1 橡膠緩沖器功能

CRH2系列動車組車鉤緩沖裝置用于連接動車組車廂并吸收運行過程中車廂間的沖擊能量，其中能量吸收元件即為橡膠緩沖器。每套車鉤緩沖裝置包含2組橡膠緩沖器，如圖1所示，橡膠緩沖器1用于吸收拉伸方向的沖擊能量，橡膠緩沖器2用于吸收壓縮方向的沖擊能量。

2 橡膠緩沖器失效原因分析

從橡膠緩沖器的檢修情況看，現有橡膠緩沖器報廢的主要原因是橡膠緩沖器在運行120萬公里（約3年）后自由高度下降，超出其最低使用限度無法繼續使用。橡膠緩沖器1和橡膠緩沖器2失效后自由高的統計平均值分別為152.4mm和212.2mm。

根據橡膠緩沖器的受力方式、應用環境及橡膠材料的特性，造成橡膠緩沖器自由高度下降可能的原因主要有兩個方面，一是交變動態拉壓載荷，二是環境因素造成的橡膠材料老化。為找到造成橡膠緩沖器自由高度下降的主要原因，在實驗室環境下通過動載荷耐久試驗和熱老化試驗分別模擬橡膠緩沖器受到的交變動態拉壓載荷及由環境因素造成的橡膠材料老化。

2.1 動載荷耐久試驗

動載荷耐久試驗通過在實驗室環境下模擬橡膠緩沖器的受力狀態，并對其進行最大載荷連續加載，再現橡膠緩沖器運行120萬公里后的劣化狀態，以判斷交變動態拉壓載荷是否為造成橡膠緩沖器自由高度下降的最主要原因。

CRH2系列動車組車鉤緩沖裝置組裝完成后的預壓力約為60kN，在運行過程中實測的最大車鉤力約為100kN。在橡膠緩沖器的動載荷耐久試驗過程中，采用1Hz的頻率對橡膠緩沖器進行500萬次重復拉壓加載，每完成100萬次加載后將橡膠緩沖器拆下靜置24h，測量并記錄其自由高。當試驗次數分別為0萬次、100萬次、200萬次、300萬次、400萬次、500萬次時，橡膠緩沖器1的自由高分別為168.38mm、165.18mm、164.99mm、164.52mm、163.23mm、163.20mm；橡膠緩沖器2的自由高分別為231.80mm、230.26mm、229.91mm、228.93mm、228.52mm、228.50mm。

根據試驗結果，橡膠緩沖器在在耐久試驗過程中自由高度有明顯下降，但在加載300萬次后，自由高度已趨于穩定，且高度遠大于橡膠緩沖器失效后的統計平均值，未能再現橡膠緩沖器運行120萬公里后的劣化狀態。

因此，交變動態拉壓載荷不是橡膠緩沖器失效的主要原因。

2.2 熱老化試驗

熱老化試驗通過在高溫環境下模擬橡膠緩沖器的老化過程，記錄橡膠緩沖器自由高度的變化傾向，利用阿倫尼烏斯方程推算橡膠緩沖器自由高度達到失效統計平均值所需時間，判斷由環境因素造成的橡膠材料老化是否為橡膠緩沖器失效的主要原因。

橡膠緩沖器1和橡膠緩沖器2的結構和橡膠膠料完全相同，僅自由高不同，因此本試驗選用使用量相對較大的橡膠緩沖器2作為研究對象。

根據橡膠緩沖器實際運用工況，熱老化試驗時將橡膠緩沖器2安裝于試驗工裝，通過試驗工裝對其施加約60kN的預壓力，然后整體靜置于高溫環境箱內進行試驗。試驗時分別將3組橡膠緩沖器2置于3個高溫環境試驗箱內，試驗溫度分別為50℃、70℃、100℃，試驗時間約為1500h-2000h，在相同的時間間隔時將橡膠緩沖器取出靜置24小時后測量并記錄其自由高。

通過記錄橡膠緩沖器2在各溫度下高度變化數據，并用圖表表示50℃、70℃、100℃情況下橡膠緩沖器2自由高與老化時間關系，利用阿倫尼烏斯方程推算出橡膠緩沖器2在常溫（23℃）環境下自由高與老化時間的關系。根據阿倫尼烏斯方程推算結果，當橡膠緩沖器在常溫（23℃）下達到212.2mm時，對應的時間約為3.1年，與橡膠緩沖器2的實際應用情況（約3年）相符，達到了膠緩沖器運行120萬公里（約3年）后的劣化狀態。

因此，由環境因素造成的橡膠材料老化是橡膠緩沖器失效的主要原因。

3 結論

隨著國內高鐵檢修技術的發展，通過優化產品性能，進一步延長產品檢修周期將是動車組車鉤緩沖裝置的發展方向之一。本文通過對CRH2系列動車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器檢修數據的統計，并采用動載荷耐久試驗和熱老化試驗的方式對橡膠緩沖器失效原因進行驗證。試驗表明，橡膠緩沖器失效（自由高度下降超標）是動載荷和老化因素共同作用的結果，但老化因素是造成橡膠緩沖器自由高下降超標的主要原因。該研究結果將為后期橡膠緩沖器的改進提供重要依據。

【參考文獻】

[1]暴長春.CRH2型動車組密接式車鉤和緩沖器四級檢修方案分析[J].設備管理與改造，2014（3）：50-51.

[2]歐陽素芳，王麗靜.橡膠疲勞失效行為的研究進展[J].發展述評，2015（3）：5-10.

[責任編輯：朱麗娜]