鐵道車輛轉(zhuǎn)向架橡膠元件疲勞壽命研究現(xiàn)狀

侯茂銳，宗仁莉

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081；2. 鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

1 背景

由于橡膠元件具有結(jié)構(gòu)緊湊、剛度便于調(diào)節(jié)、質(zhì)量輕、無磨損、非線性，且同時具有減振和隔振的功能，在鐵道車輛轉(zhuǎn)向架上得到廣泛應(yīng)用。隨著高速列車、大功率機(jī)車、重載提速貨車和城市軌道交通車輛的快速發(fā)展，促進(jìn)了鐵道車輛轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)大量采用高性能彈性元件。橡膠元件的廣泛應(yīng)用，能夠提高車輛運(yùn)行穩(wěn)定性、平穩(wěn)性、舒適性和安全性，降低運(yùn)行噪聲，減少磨耗件和磨損件，減輕輪軌磨耗。鐵道車輛轉(zhuǎn)向架上的橡膠元件主要用于彈簧裝置與定位裝置，此外車體與搖枕、搖枕與構(gòu)件、軸箱與構(gòu)架、彈簧支撐面等金屬部件直接接觸部位之間，也經(jīng)常采用橡膠墊、襯套等橡膠元件。

鐵道車輛的運(yùn)行速度高，運(yùn)行過程中需要頻繁啟動、加速、制動等，使得橡膠元件經(jīng)常在較大靜載荷、較長時間連續(xù)交變載荷環(huán)境下，各種載荷長期作用，使得機(jī)械部件容易發(fā)生疲勞斷裂失效，占機(jī)械結(jié)構(gòu)失效的 50%～90%[1]。疲勞失效之前并無明顯征兆，具有很強(qiáng)的隱蔽性、突發(fā)性，是機(jī)械裝備安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要威脅。

文章對鐵道車輛橡膠元件疲勞失效問題進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測和可靠性分析，準(zhǔn)確預(yù)測橡膠元件的疲勞壽命，為鐵道車輛檢修、維修策略的制定提供理論支撐，在滿足使用性能要求的同時，通過最低的維修成本實(shí)現(xiàn)車輛可靠性的最優(yōu)化。

2 橡膠疲勞失效模式

主要的橡膠元件疲勞失效包含應(yīng)力、應(yīng)變等機(jī)械載荷所引起的失效。由于重復(fù)形變產(chǎn)生裂紋或促進(jìn)裂紋增長，當(dāng)形變循環(huán)數(shù)達(dá)到一定量值后，橡膠元件是否出現(xiàn)裂紋或裂紋是否增長到指定的大小是判斷疲勞失效的常用評價準(zhǔn)則。通常，部分橡膠元件在完成一定的載荷循環(huán)后，并沒有出現(xiàn)裂紋，但橡膠元件剛度卻出現(xiàn)了一定程度的下降，因此，人們把元件剛度是否下降到指定值也作為評價疲勞失效的準(zhǔn)則。

對于鐵道車輛橡膠彈性元件，根據(jù)TB/T 2843-2015《機(jī)車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》規(guī)定[2]，疲勞試驗(yàn)后，橡膠與金屬粘接面開膠面積不應(yīng)超過正常粘接面積的10%，金屬不應(yīng)出現(xiàn)裂紋或斷裂；對于彈性節(jié)點(diǎn)類橡膠元件，疲勞試驗(yàn)前后，靜態(tài)剛度變化率不超過15%；對于錐形、V形、疊層彈簧等橡膠元件，疲勞試驗(yàn)前后，靜態(tài)剛度變化率不超過20%。

3 橡膠元件疲勞壽命影響因素

3.1 材料配方的影響

材料彈性模量的差異將影響產(chǎn)品剛度，相同載荷作用下，將導(dǎo)致不同的應(yīng)變，從而影響產(chǎn)品疲勞壽命。橡膠的耐疲勞性能與其耐熱性、結(jié)晶性等均相關(guān)。橡膠材料中添加不同的軟化劑可以降低橡膠元件發(fā)熱，抗降解劑和抗老化劑可以抑制氧氣和臭氧對橡膠元件性能影響，使得橡膠元件的疲勞壽命得到提高。

3.2 載荷的影響

交變載荷對橡膠元件疲勞壽命影響較大，設(shè)計(jì)時對工作載荷預(yù)測的不準(zhǔn)確常常會引起非預(yù)期的疲勞破壞。

（1）載荷頻率。溫度恒定、頻率小于50 Hz條件下，載荷頻率對非應(yīng)變結(jié)晶橡膠影響顯著，而對應(yīng)變結(jié)晶橡膠的影響較小。載荷頻率較高，將引起橡膠部件內(nèi)部生熱明顯，溫度過高會促進(jìn)橡膠的降解。

（2）載荷幅值。鐵道車輛的橡膠元件在使用過程中必然受到交變載荷的作用，載荷振幅增大，將導(dǎo)致橡膠氧化反應(yīng)速率加快，增加疲勞裂紋的擴(kuò)展。

（3）載荷順序。載荷順序?qū)τ谙鹉z元件的疲勞壽命也有影響。文獻(xiàn)[3]研究了輪胎加速壽命特性，發(fā)現(xiàn)載荷幅值遞增的加載方式比載荷遞減的加載方式對輪胎造成的疲勞損傷更大。此外，載荷的方向?qū)ζ趬勖灿泻艽笥绊憽?/p>

3.3 環(huán)境的影響

環(huán)境中的臭氧、氧氣、溫度及日光紫外線等都是影響橡膠疲勞壽命的重要因素。

（1）氧氣的影響。氧氣的存在會影響疲勞裂紋生長的閾值，氧氣在橡膠材料內(nèi)部逐漸擴(kuò)散，與橡膠分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞橡膠分子結(jié)構(gòu)，橡膠發(fā)生老化，引起機(jī)械性能及外觀的變化。

（2）臭氧的影響。空氣中的臭氧含量很低，含量約為10-8。但含量極低的臭氧也會對橡膠性能產(chǎn)生重要影響，特別是橡膠受到拉伸應(yīng)力時，臭氧與橡膠中的碳-碳雙鍵進(jìn)行反應(yīng)，使橡膠產(chǎn)生龜裂 。

（3）溫度的影響。溫度對非拉伸結(jié)晶橡膠的影響非常大，試驗(yàn)表明，溫度從 0℃升高到 100℃，丁苯橡膠的疲勞壽命減少了104倍，天然橡膠則減少了4倍[4]。天然橡膠和大部分合成橡膠的裂紋擴(kuò)展速率一般都會隨著溫度升高而增大。低溫條件下，橡膠一般會變脆、變硬。鐵道車輛橡膠元件一般在-50～70℃的溫度環(huán)境下使用，因此，需根據(jù)不同使用溫度和要求，對橡膠元件的材料配方進(jìn)行設(shè)計(jì)，并開展相關(guān)高低溫性能試驗(yàn)。

4 橡膠疲勞壽命數(shù)值預(yù)測方法研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)40 年代開始，橡膠疲勞問題開始受到研究人員的關(guān)注，經(jīng)過不斷發(fā)展，人們研究了多種橡膠疲勞壽命預(yù)測模型，主要可分為裂紋萌生法和裂紋擴(kuò)展法。

4.1 裂紋萌生法

裂紋萌生法主要通過橡膠元件各點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變歷程預(yù)測疲勞壽命。損傷參量用于衡量橡膠的疲勞損傷，恰當(dāng)?shù)膿p傷參量是裂紋萌生法準(zhǔn)確預(yù)測疲勞壽命的關(guān)鍵。最大主應(yīng)變、格林應(yīng)變、應(yīng)變能密度、柯西應(yīng)力等都是常用的損傷參量變量。應(yīng)變、應(yīng)變能密度獲取比較簡便，應(yīng)用比較廣泛。

19世紀(jì)60年代，Wohler在研究鐵道車輛輪軸疲勞壽命時繪制出了金屬材料的應(yīng)力（S）-循環(huán)次數(shù)（N）曲線（以下簡稱“S-N曲線”）。19世紀(jì)40年代Cadwell首次將金屬材料S-N曲線法應(yīng)用到橡膠疲勞壽命研究領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變幅值恒定時，天然橡膠的壽命隨著最小應(yīng)變的增加而增加，當(dāng)最小應(yīng)變增大2倍時，疲勞壽命隨著最小應(yīng)變的增加而減小[5]。20世紀(jì)后，Saintier等開展了更加廣泛的研究，深入分析了裂紋萌生法的特點(diǎn)[6]。

4.2 裂紋擴(kuò)展法

疲勞裂紋擴(kuò)展法基于斷裂力學(xué)理論，當(dāng)給定裂紋的幾何形狀和撕裂能T（又稱“能量釋放率”）隨時間歷程變化時，可根據(jù)已知的材料裂紋擴(kuò)展特性預(yù)測給定裂紋的擴(kuò)展速率。20世紀(jì)20年代，斷裂力學(xué)的概念最早由Griffith研究金屬疲勞問題時提出[7]。Luo等研究了鐵道車輛橡膠彈簧的疲勞壽命，建立有限元分析模型并計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變變化特性，考慮材料的S-N曲線建立疲勞壽命分析模型，獲得了橡膠彈簧的疲勞壽命分布圖[8]。基于橡膠試樣的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，丁智平等將撕裂能范圍作為損傷參數(shù)，研究了橡膠錐形簧的疲勞壽命[9]。

5 橡膠疲勞壽命加速試驗(yàn)方法研究現(xiàn)狀

鐵道車輛轉(zhuǎn)向架橡膠元件對列車平穩(wěn)、安全運(yùn)行至關(guān)重要，對橡膠元件疲勞壽命的檢驗(yàn)必須通過相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證。與汽車工業(yè)不同，鐵道車輛轉(zhuǎn)向架橡膠元件不能完全通過現(xiàn)場運(yùn)行試驗(yàn)來考核，還需要開展必要的臺架疲勞耐久性試驗(yàn)。臺架疲勞試驗(yàn)如果施加與線路試驗(yàn)相當(dāng)?shù)妮d荷，則需要較長的試驗(yàn)時間和昂貴的費(fèi)用。因此，如何通過有效縮短疲勞試驗(yàn)時間來預(yù)測橡膠元件的疲勞壽命，對于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)省資金、最終研制出性能滿足使用要求的高技術(shù)等級產(chǎn)品有重要意義。

加速壽命試驗(yàn)技術(shù)通過物理統(tǒng)計(jì)模型外推獲得正常應(yīng)力水平下的產(chǎn)品壽命。1967 年，美國羅姆航空研發(fā)中心提出了加速壽命試驗(yàn)方法[10]：在合理的工程及統(tǒng)計(jì)假設(shè)條件下，利用與失效物理規(guī)律相關(guān)的統(tǒng)計(jì)模型對在超出正常應(yīng)力水平的加速應(yīng)力下獲得的壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，推導(dǎo)額定應(yīng)力下產(chǎn)品的壽命。加速壽命試驗(yàn)采用加速應(yīng)力進(jìn)行產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)，從而縮短了試驗(yàn)時間，提高了試驗(yàn)效率，降低了試驗(yàn)成本；此外，加速壽命試驗(yàn)可以較快地暴露產(chǎn)品設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)、提高質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

按照試驗(yàn)應(yīng)力的加載方式，加速壽命試驗(yàn)通常分為恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)和序進(jìn)應(yīng)力加速試驗(yàn)3種基本類型。加速壽命模型是描述應(yīng)力水平和壽命特征值關(guān)系的模型，應(yīng)用加速試驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)推斷出正常使用條件下的壽命特征。壽命分布同族假設(shè)、失效機(jī)理一致性假設(shè)和Nelson 假設(shè)是加速壽命模型的3個基本假設(shè)。常用的加速壽命模型有逆冪律模型、Arrhenius模型、Eyring模型等[11]。幾種常見的加速模型如表1所示。

表1 常見的物理加速模型

20 世紀(jì)70 年代，加速壽命試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)入我國，首先在航天、航空、導(dǎo)彈等軍工領(lǐng)域得到應(yīng)用，并逐步在機(jī)械、電子等行業(yè)中逐步發(fā)展起來。隨著可靠性水平的不斷提高，壽命評估面臨著一個長壽命高可靠試樣的評估課題。如果按照傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行評估，則往往難以在可行的時間內(nèi)完成。加速壽命試驗(yàn)理論在機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用主要面臨小樣本的約束，由于機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)各異、尺寸較大，開展多個樣本的疲勞耐久性試驗(yàn)面臨試驗(yàn)裝備、財力、物力的限制，因此，研究小樣本或單樣本條件下的加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法具有重要意義。

橡膠元件疲勞曲線的特點(diǎn)是在循環(huán)次數(shù)超過107次后，曲線也并不一定水平。所以，疲勞試驗(yàn)不要求到達(dá)疲勞破壞時才終止試驗(yàn)，即當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到規(guī)定的次數(shù)后，進(jìn)行性能檢驗(yàn)，如滿足要求，則認(rèn)為壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求。目前，橡膠元件疲勞試驗(yàn)主要通過剛度變化率、變形量和橡膠元件表面溫升這3個性能指標(biāo)進(jìn)行失效判斷。

1986年，深堀美英研究了橡膠材料的S-N曲線，提出了Demattia加速試驗(yàn)法，通過對多個制作了不同預(yù)制切口尺寸的試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，測試高應(yīng)變條件下的疲勞循環(huán)次數(shù)，預(yù)測低應(yīng)變時的使用壽命，將伸長比λ作為縱坐標(biāo)，將疲勞循環(huán)次數(shù)N的對數(shù)作為橫坐標(biāo)，將繪制得到的曲線b沿橫坐標(biāo)平移至與曲線a（a0、a1、a2為不同應(yīng)變條件下的S-N曲線）重合，從而獲得橡膠材料的加速疲勞S-N曲線[12]，如圖1所示。

圖1 橡膠材料加速疲勞S-N曲線

傅政等用等加速疲勞試驗(yàn)法研究了膠料、共混比、補(bǔ)強(qiáng)體系、硫化體系和防老劑對橡膠疲勞斷裂性能的影響，為橡膠的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)[13]。

劉建勛、黃友劍等人研制了橡膠材料的S-N疲勞曲線試驗(yàn)裝置，得到橡膠材料的S-N疲勞壽命曲線[14]，如圖2所示。方克娟等人對EN 13913 : 2013，JIS E 4710-1995和TB/T 2843-2007中的橡膠元件疲勞性能試驗(yàn)方法進(jìn)行了比較，建議采用EN 13913 : 2003 中的疲勞試驗(yàn)方式，按不同的彈性元件種類給出試驗(yàn)加載方向、試驗(yàn)載荷值以及循環(huán)次數(shù)的推薦值，并給出疲勞試驗(yàn)后靜態(tài)剛度變化率的限值[15]。

圖2 橡膠S-N疲勞壽命曲線

為加快試驗(yàn)，文獻(xiàn)[16]研究了試驗(yàn)頻率、載荷幅值增大對疲勞試驗(yàn)的影響，載荷≥53 kN時的振動頻率為0.5 Hz，載荷＜53 kN時的振動頻率可以提高至1～ 3 Hz，載荷擴(kuò)大42%后，總疲勞次數(shù)為之前的1/10，大大縮短了試驗(yàn)時間。文獻(xiàn)[17]對機(jī)車橡膠球關(guān)節(jié)進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，采用頻率為18 Hz正弦波、最大載荷為42.5 kN、最小載荷為10 kN，210萬次、620萬次疲勞試驗(yàn)的橡膠球關(guān)節(jié)分別可以實(shí)際運(yùn)行40萬km、100萬km，滿足大修周期的使用要求。文獻(xiàn)[18]基于炭黑增強(qiáng)天然橡膠S-N曲線，建立了高速列車定位節(jié)點(diǎn)壽命預(yù)測模型，計(jì)算分析預(yù)壓量、橡膠層厚度、金屬外套結(jié)構(gòu)形式對疲勞壽命的影響。文獻(xiàn)[19]對機(jī)車車輛橡膠元件疲勞壽命進(jìn)行了研究，以德國ICE2轉(zhuǎn)向架軸箱定位裝置的導(dǎo)向套為例，將道路譜信號編輯處理后變換成試驗(yàn)臺的控制信號，對車輛用橡膠元件進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

對于鐵道車輛橡膠元件疲勞試驗(yàn)，一般采用程序載荷譜，即使采用了道路譜，也不能進(jìn)行合理地編輯，只是用線形放大載荷信號或用“等效”恒幅載荷來加載疲勞試驗(yàn)，不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際使用壽命。對于橡膠元件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，國外已由靜強(qiáng)度和無限壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到了定量化壽命設(shè)計(jì)，疲勞試驗(yàn)采用隨機(jī)載荷譜或道路譜 。采用隨機(jī)載荷譜或道路譜可以消除程序載荷譜加載順序和各加載位置載荷相位差對元件壽命的影響，能夠較為真實(shí)地模擬載荷特性。一般不能直接采集到元件的隨機(jī)載荷譜，只能采集到典型位置的應(yīng)變譜，將應(yīng)變譜作為控制參量迭代從而產(chǎn)生加載載荷譜，通過對應(yīng)變譜進(jìn)行編輯，使編輯前后信號產(chǎn)生的損傷分布基本一致，真實(shí)反映使用壽命，同時縮短了試驗(yàn)時間。

近年來，我國城市軌道交通持續(xù)快速發(fā)展，截至2020年底，中國大陸地區(qū)（不含港澳臺）共有45個城市開通城市軌道交通，運(yùn)營線路總長度約7 969.7 km，城市軌道交通網(wǎng)日益完善[20]。城市軌道交通的快速發(fā)展，使得振動與噪聲問題日益嚴(yán)重，越來越多的橡膠元件被用于軌道、車輛系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，以改善振動、降低噪聲污染。橡膠元件加速疲勞壽命研究方法的不斷完善，有利于縮短橡膠元件的產(chǎn)品開發(fā)周期，不斷提升產(chǎn)品性能，為我國軌道交通裝置的持續(xù)領(lǐng)跑提供技術(shù)支撐。

6 結(jié)語

（1）目前，針對鐵道車輛橡膠元件的疲勞試驗(yàn)僅施加了相對線路試驗(yàn)載荷幅值增大的載荷，但由于橡膠元件的長可靠性，進(jìn)行107次的疲勞試驗(yàn)需數(shù)月之久，需要耗費(fèi)大量人力、物力、財力，下一步可應(yīng)用加速壽命試驗(yàn)理論和方法，開展橡膠元件疲勞性能退化試驗(yàn)，建立疲勞可靠性分析模型，準(zhǔn)確預(yù)測橡膠元件的疲勞壽命，為維修策略的優(yōu)化提供理論支撐和指導(dǎo)，使得鐵道車輛在滿足其使用性能要求的同時，通過最低的維修成本達(dá)到提升可靠性的目的。

（2）疲勞壽命試驗(yàn)受時間和經(jīng)費(fèi)等因素的制約，難以滿足大樣本統(tǒng)計(jì)分析的需求，對于高可靠性、長壽命的橡膠元件，更是如此。較小的樣本數(shù)量，使得概率統(tǒng)計(jì)結(jié)果的精度難以保證。剩余壽命評估的關(guān)鍵就是利用小樣本下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并綜合利用歷史數(shù)據(jù)信息，因此，開展小樣本條件下的不確定性及其處理方法研究具有重要意義。

（3）我國幅員遼闊、氣候環(huán)境復(fù)雜多變，隨著我國高速鐵路、重載鐵路和城市軌道交通的快速發(fā)展，對鐵道車輛裝備技術(shù)水平的要求不斷提高，尤其是川藏鐵路高原高海拔、氣壓低、含氧量少、極端溫度、紫外線強(qiáng)的環(huán)境因素特點(diǎn)，給橡膠元件的適應(yīng)性提出了新的要求。下一步應(yīng)考慮建立復(fù)雜環(huán)境溫度艙，開展高溫、低溫、強(qiáng)紫外線條件下的橡膠元件疲勞試驗(yàn)研究，獲得多態(tài)、多場耦合條件下的橡膠元件疲勞壽命特性，提高橡膠元件在極端復(fù)雜環(huán)境下的可靠性。