對某型車橡膠金屬件生命周期的研究

范湘， 羅斌， 杜方孟， 莊征宇， 羅燕， 賀小龍， 劉文松

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲412007）

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發展，人們的生活水平有了很大提高，特別是一些大城市已經開始向現代化的水平發展，對環保的要求也越來越高。與此同時，鋼鐵的生產將對大氣帶來嚴重影響，煉鋼會帶來大量的粉塵、煙塵以及有毒氣體[1]。然而，我國對鋼鐵的需求仍然十分渴望，如何處理好鋼鐵的持續供給和環保水平是許多大城市的普遍問題[2]。我國鐵道車輛經過數十年的風雨里程，迎來了迅速發展時期，預計到2020年，我國總設計高速客運專線就將達到1.2萬km以上，同時城際軌道交通規模也將達到7000 km以上，這也就意味著需要更多的車輛部署，同時也帶來了檢修車輛數量的激增[3]，對車輛零部件的檢修也將隨之增加。目前很大一部分金屬零件在檢修時隨其它部件一同報廢，造成很大的浪費，不僅是對能源的浪費，還有對大氣的污染以及對土壤的損壞。盡管我們采取適當的措施，例如優化配礦、合理配料[4]、應用高溫太陽能[5]等方法，可以減少對能源的浪費和大氣的污染，但是浪費和污染依舊存在。

基于前述背景，本文研究了如何較有成效地杜絕不必要的浪費與污染，即對橡膠金屬件的生命周期進行仔細研究。文章介紹了某型車橡膠金屬件的種類，研究現有橡膠金屬件的使用現狀，結合理論知識、有限元計算和試驗驗證，得出橡膠金屬件的生命周期規律，讓金屬部件能夠充分發揮其功能和價值的同時，還減少了對環境的污染以及能源的浪費，為社會做出一定的貢獻。

1 研究橡膠金屬件生命周期的必要性

本文研究的橡膠金屬件主要是指鐵道車輛某型車減震降噪產品中的橡膠金屬件，例如球鉸、橡膠減震墊、道岔墊板等橡膠金屬件，該類橡膠金屬件包含橡膠部分和金屬件部分，橡膠部分由于疲勞老化等問題，使用壽命不會太長，而其中的金屬件由于橡膠部分的包裹而保護良好，且承受的載荷強度遠小于其屈服強度，存在研究其生命周期的價值。

新造鐵件過程繁瑣，包括成型、加工、熱處理等諸多環節，而且每一個環節都需要消耗大量的能源，同時給環境帶來危害；而對于企業，也需要花費較大的成本，導致利潤減少。另一方面，通過研究橡膠金屬件的生命周期規律性，使其金屬件在性能上滿足產品要求的前提下，繼續發揮作用，且具有較大的發展潛力和應用前景。本文研究的這類橡膠金屬件在使用8年（左右）即將進行更換，而其金屬件的使用壽命難道只有8年？帶著這種問題，我們對其進行了研究。

2 橡膠金屬件生命周期的研究方法

對于鐵道車輛某型車金屬件檢修產品，其檢修周期為6~8年，即每6~8年，該橡膠金屬件就需要更換，在此過程中，橡膠部分由于各種原因（老化、疲勞、裂紋、鼓泡），已經達到其使用壽命，但金屬件是否達到了使用壽命，需要進行研究。為了檢查金屬件產品的生命周期，本文采取了以下幾個方法來進行分析。

1）尺寸測量。對于鐵道車輛某型車零部件而言，尺寸是能否保證產品順利正確安裝的關鍵，在零件使用過程中，難免會有磕碰、銹蝕、腐蝕等情況，造成對產品尺寸的破壞，因此，對產品尺寸的測量必須嚴格控制。在測量產品尺寸時，一般會用到各種測量工具，例如游標卡尺、高度尺、角度尺、內徑千分尺、外徑千分尺等，來保證測量的準確性；對于產品的尺寸，通常又分為外形尺寸、裝配尺寸等，而影響安裝最直接的是裝配尺寸，因此對裝配尺寸必須做到100的測量，只有符合裝配尺寸要求的才能流入下一道工序，而對于其他外形尺寸，由于產品使用過程中的磕碰、劃傷等，不可避免地會有所損傷，在不影響產品強度的前提下，可以適當放寬要求；或者將其加工成尺寸更小的產品。

2）無損檢測。無損檢測是在不破壞產品的前提下，對產品進行檢測的方法，常用的無損檢測方法很多，例如射線探傷、超聲波探傷、紅外線探傷、磁粉探傷、渦流探傷[6]、著色檢測[7]等。在本文研究的產品中，用到的無損檢測主要是磁粉探傷和超聲波探傷。

a.磁粉探傷檢測。磁粉探傷是對鐵磁性工件進行表面質量檢驗的有效手段，其原理是通過對被檢工件施加磁場使其磁化（整體磁化或局部磁化），在工件的表面和近表面缺陷處將有磁力線逸出工件表面而形成漏磁場，有磁極的存在就能吸附施加在工件表面上的磁粉形成聚集磁痕，從而顯示出缺陷的存在[8]。從原理上不難看出，磁粉探傷僅適用于檢測鐵磁性材料表面和近表面的缺陷，因此對那些非鐵磁性材料以及埋藏較深的缺陷難以發現。但是磁粉探傷仍然具有眾多優點，例如能直觀地顯示出缺陷的位置、形狀和大小，檢測速度快、工藝簡單、成本低、污染少，靈敏度高、可檢測微米級寬的缺陷。因此，在對金屬件進行質量確認時，通常采用磁粉探傷方法來檢測其表面質量。具體檢測標準因產品種類不同而不同。

b.超聲波探傷檢測。超聲波是超聲振動在各種介質中的傳播，它的實質是以波動形式在彈性介質中傳播的機械振動，一般其振動頻率在20 kHz以上。較高頻率用于細晶材料和高靈敏度檢測。超聲波的指向性比較好，且傳播能量大，對各種材料的穿透力強，設備輕巧、成本低廉、對人體無害，可即時得到探傷結果，因此應用廣泛[9]。從超聲波的特點可以看出，其可以檢測埋藏較深的缺陷。由于超聲波指向性比較好，因此通常又分為縱波和橫波，兩者相輔相成，可以檢測出各個方向的缺陷，從而保證探傷的質量。通常情況下，當采用橫波探傷時，一旦發現缺陷，金屬件將予以報廢。具體情況視產品要求及供需雙方協議而定。采用磁粉探傷和超聲波探傷兩者相結合的方式，能夠對工件進行較全面的檢測，表面和內部質量均能得到較好的控制，因此，二者缺一不可，在對金屬件的檢測過程中，必須同時采用，除特殊情況外。

3）有限元分析計算。有限元分析是一種在理論上分析產品受力情況的方法，有限元分析軟件很多，這里以ABQUS和Fe-safe為例，來闡述有限元分析對金屬件生命周期的重要性。ABQUS是功能強大的有限元計算分析軟件，可以分析復雜的固體力學和結構力學系統，模擬非常龐大復雜的模型，處理高度非線性問題[10]。利用該分析軟件，可以較容易地得到產品在工作載荷及極限載荷下的應力分布、變形分布等有效數據結果，從而一方面可以給我們的設計提供幫助，另一方面可以提供產品的受力狀態，讓我們對產品的關鍵部位進行性能測試，來檢驗繼續使用金屬件的性能是否合格。

圖1 磁粉探傷

圖2 有限元分析計算——應力分布圖

Fe-safe軟件是專門進行設計和疲勞耐久性分析的軟件，功能全面，算法先進，在多軸疲勞分析領域一直保持技術領先。不論是基于有限元分析計算結果，還是基于測試應力和應變信號，Fe-safe軟件都有相應算法對其進行結構疲勞分析[11]。利用該軟件，可以分析計算產品在工作載荷下循環N次之后的應力狀態及其產生缺陷與否的判定，從而給出其疲勞壽命值以及在該工作載荷下可以利用的次數。這無疑在理論上給出了金屬件生命周期的可靠性。

結合ABQUS和Fe-safe軟件的有限元分析計算，以及后續的性能檢測，可以對金屬件的生命周期進行嚴格的判定。

4）成分及性能檢測。對零件成分和性能檢測，均屬于破壞性試驗，因此通常采用抽檢，抽檢比例由供需雙方協商定義。

a.成分檢測。產品的成分是保證其性能的前提，尤其是部分采用表面處理過的產品，例如表面滲碳、表面滲硼等，這類產品的表面性能均是通過改變表面成分來實現的，因此，對成分的檢驗至關重要。

b.性能檢測。性能檢測均為本體取樣，取樣部位視產品受力情況而定，通常選取受力較為嚴重的區域，這樣可以保證其他區域的可靠性。性能是衡量產品能否滿足要求的關鍵因素，必須嚴格執行。性能檢測包括拉伸性能（屈服強度、抗拉強度、伸長率、斷面收縮率）、沖擊性能（沖擊吸收功、剪切斷面率百分比）、硬度。通常硬度和拉伸性能是必檢項，沖擊性能視產品要求而定。對于每一種性能測試，都應當選擇適當的國家標準作為衡量依據，而且應當結合產品的受力情況，屈服點應當遠大于產品工作時的極限應力，留有較大的安全系數。

如果性能檢測結果低于產品工作時的極限應力，則應當增加抽檢比例，如果結果仍然較低，則該批金屬件由于外在因素，已達到其使用壽命。性能是保證產品質量的關鍵，因此不能通過降級處理來延長產品的生命周期。

5）產品性能及疲勞試驗，對產品本身進行試驗，包括模擬工況下產品的疲勞試驗。進行這一項檢驗，主要目的在于驗證有限元分析結果的準確性及產品的實際使用壽命，使金屬件得到更加可靠的驗證，更具有說服力。

以上檢驗項點可以根據產品具體情況而定，但必須保證檢測的準確性和可靠性。通過這類檢測的檢驗，金屬件的各項性能指標能夠得到技術上的確定，保證了繼續使用的安全性。同時，為了更好地完善產品，應當不斷地從檢修的過程當中總結經驗教訓，積累知識，逐漸使其發展壯大。

3 生命周期及產品的管理

經過上述分析，可以發現橡膠金屬件的橡膠部分，根據其本身的特點限制，使用壽命只有6~8 a，故生命周期只有一個循環；而對于金屬件部分，在檢修的過程中，通過對其全方位的檢測，判定其可以繼續使用，其使用壽命遠不止8 a，而生命周期自然可以有幾個循環，每個循環以檢修周期為時間規律。

經過檢驗合格的金屬件，需要將其存放起來，方便再利用。在存放過程中，為了與新造件區別開來，可以采取適當的措施。例如在端面做上記號，記號可以是重復字樣（例如CF），或其他便于辨識的字眼，這樣可以方便我們同新造件的區分，也可以在以后的檢修過程中，對二次利用甚至是三次利用的金屬件進行更為嚴格的檢驗，來保證其性能的可靠。

將產品做好特殊標記后，應當放入一個特定區域，不能與新造件混放。在使用過程中，同一批產品應盡可能為同一類金屬件，這樣可以方便對同一批產品進行跟蹤和檢測，也方便對產品的維修和維護。

4 結語

鐵道車輛某型車金屬件生命周期的研究，能夠在一定程度上減輕企業對新造件的依賴，減少企業生產成本；同時可以減少因生產鐵件而造成的大氣污染和能源浪費，是一條可持續發展道路。鐵道車輛金屬件在開發設計時，通常是整體考慮產品使用壽命，而忽略了金屬件單獨的使用壽命，因此在橡膠件需要更換時，金屬件遠沒有達到使用壽命，如果不予再利用，將是一種資源的浪費、人員的浪費和資金的浪費。

在未來幾年里，鐵道車輛零部件將面臨大范圍的檢修更換，如果金屬件再利用體系能夠盡早建立起來，并且不斷完善與改進，在理論上、技術上、檢測手段上以及管理上不斷更新，將會減少鐵道行業對鋼鐵的需求，進而減少鋼材的生產，這無疑將給環境帶來福音。