疊層橡膠彈簧表面微裂紋原因淺析

高曉鵬+藺習英+郭世成

摘要：疊層橡膠彈簧是軌道交通轉向架上固定減速傳動裝置用的核心彈性元件，通過對裝車試運行過程中疊層橡膠彈簧表面出現的微裂紋原因分析，結合CAE仿真計算、工藝分析、試驗驗證等方法，找到其形成原因及改進措施，加速了疊層橡膠彈簧國產化進程，為軌道交通橡膠彈性元件研制提供借鑒和參考。

關鍵詞：疊層橡膠彈簧、彈性元件、軸向剛度、強度分析

1 概述

1.1結構及工作原理

疊層橡膠彈簧是軌道交通轉向架上固定減速傳動裝置用的核心彈性元件。外形為橡膠與金屬鋼板組成的實心圓柱體，中間嵌入金屬薄片，金屬薄片內有四個孔，軸向對齊，經高溫高壓多層橡膠和多層鋼板交互堆疊硫化而成（見圖1）。具有結構簡單、重量輕、垂向撓度大、隔震效果好、承受載荷大等優點，

疊層橡膠彈簧裝配時，經專用工裝預壓縮，一端通過C型支架配對安裝固定在轉向架上，另一端徑向對稱布置安裝在輪對上的齒輪箱輸入軸位置，將齒輪箱浮動支承固定在轉向架上，并吸收通過輪對傳遞到齒輪箱的路面激勵和振動，起良好的隔振和緩沖功能，能滿足減速傳動裝置各種使用工況特性（見圖2）。工作環境溫度：-40～70℃。

1.2 裂紋現象描述

某高鐵試驗動車已在線試運行約6萬公里，專項檢查時，發現減速傳動裝置疊層橡膠彈簧橡膠層表面存在軸向輕微裂紋，且呈周向均勻分布（見圖3）。

外觀檢查項目及結果：外觀檢查硬度、剛度、尺寸符合產品圖紙設計要求；無腐蝕、無機械損傷，表面黑色 ，無變色。除橡膠表面周向均布微裂紋外，未發現其它異常。局部裂紋呈網狀，軸向裂紋比較顯著，裂紋分布量從軸向中間至兩端逐漸減少，離薄金屬板金件越近的橡膠部位永久變形量越大，裂紋分布越多；表面呈灰色，擦拭后顯橡膠本色；橡膠有彈性。解體檢查發現，裂紋出現在斷面表層，內部無裂紋；裂紋深度最大0.5mm，裂紋長度最大5mm（見圖4）。

2原因分析

2.1理論分析

2.1.1 軸向剛度擬合分析

疊層橡膠彈簧在實際工作中主要承受軸向壓縮變形，根據試驗邊界條件，設置仿真邊界結果，根據CAE分析計算結果，提取參考點支反力，繪制剛度曲線，并與試驗結果進行擬合對比，評估其軸向壓縮剛度。

從圖中可以看出，試驗剛度與仿真剛度最大誤差小于15%。仿真結果具有較高的可信度。

2.1.2 強度分析

（1）材料參數

疊層橡膠彈簧采用橡膠與金屬板硫化成型，在軸向強迫壓縮至極限位移11.5mm工況下，分析其結構的剛強度。分析中使用的材料參數及應用范圍如下表。

（2）CAE分析過程（見圖7、8、9）

（3）CAE分析結果

根據馮.米塞斯屈服準則，從有限元計算結果與試驗結果對比分析得出：疊層橡膠彈簧在極限工況條件下安全系數足夠，設計剛度合理，完全能滿足使用工況要求。對于如此高安全系數的產品，其安全可靠度較高，在30萬公里運行試驗里程內，因淺表微裂紋導致其斷裂的風險較小。

2.1.3 工作受力分析

從其工作受力狀態分析，疊層橡膠彈簧工作時，表面呈鼓形，表明工作主要是受壓，壓應力較顯著傳遞到表面，形成軸向裂紋。另該產品為實心體結構，從其內部釋放應力能力較差，實心體助長內應力向外表傳遞，在外表面周向形成單向拉應力導致開裂，在垂向交變高負荷作用下，橡膠表面應力過大也可能導致裂紋，單向拉應力在外表氧化環境中，容易助長橡膠老化，降低彈性而開裂。可加速表面開裂。

2.2制造原因分析

2.2.1 工藝流程

疊層橡膠彈簧制作主要工藝流程如下圖所示：

其中，膠料配比和硫化工藝是其制作過程控制的關鍵工序。

2.2.2膠料

按疊層橡膠彈簧的使用功能和性能指標要求制定膠料配方，主材質為單一的普通天然膠。其裂紋外觀表象特征為淺表網狀（軸向更顯著）龜裂；表面硬化，失去彈性；脆化后掉渣易脆落；從裂紋外觀表象特征分析，橡膠材料抗老化差， 使用受熱過速氧化，橡膠老化是早期失效主因。

2.2.3硫化工藝

硫化工藝參數：模具溫度 155℃；硫化時間 1800S；橡膠邵氏硬度70±5。硫化過程中可能會因局部應力過大，橡膠硬度較高，工作時處于壓縮狀態，表面會鼓起，表面橡膠內部受擠壓應力增大，會加速表面橡膠老化、出現微裂紋現象。

2.3 改進措施

（1）采用高品質美國進口煙片膠和進口三元乙丙膠混合使用，在原配方的基礎上調整NR與EPDM的并用配比，提高EPDM占比（因EPDM耐熱性優于NR）。通過調整材料配方和比例，適當降低邵氏硬度到65～68；加入耐熱性助劑，提高其耐候性、抗高低溫性能；

（2）通過調整材料配方，多次試驗優化膠料配方，增加防老劑的用量，提高抗老化性能；

（3）通過硫變試驗多次調整硫化參數。如采取降低注塑溫度，加大注塑口，減小注塑壓力等措施， 實現工藝參數優化。

（4）減小動靜剛度比，降低膠料發熱，采用進口粘合劑提高橡膠與金屬骨架的粘合強度，來提升產品抗疲勞壽命性能。

2.4產品驗證

（1）驗證方法：實施相應改進措施，重新試制合格樣品，經原材料基本性能檢測、電阻測試、蠕變試驗、極限壓縮試驗、動靜剛度試驗、剪切剛度試驗、高低溫性能試驗后、定制專用試驗工裝，輸入150%超載負荷、模擬實際運行工況進行臺架疲勞試驗驗證。

（2）驗證結果：經過300萬次臺架疲勞試驗驗證，橡膠表面無微裂紋產生。

3 結論

（1）疊層橡膠彈簧由于膠料配比失衡、硫化工藝參數控制不當及工作時實心結構承受交變載荷，壓應力釋放等原因產生淺表微裂紋；

（2）利用CAE仿真剛強度分析、優化工藝參數、產品臺架驗證等方法，實施相應的改進措施，有效提高了產品質量，滿足了用戶裝車使用要求。

參考文獻

[1] 疊層橡膠彈簧剛強度分析報告[R]，中國汽車工程研究院股份有限公司. 2014-09-12 何章濤

[2.] 膠堆設計分析報告[R]，中國汽車工程研究院股份有限公司 2012-12-10韓鵬endprint