動車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器失效機理分析及優化*

鄭 偉 閆立志 張澤云 魯青君 王金莎

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 266111, 青島∥第一作者， 正高級工程師)

車鉤緩沖裝置是保證動車組運行安全性和舒適性的核心部件之一。按照目前動車組車鉤緩沖裝置的檢修要求，車鉤緩沖裝置必須在運行120萬km(約3年)后返廠分解更換橡膠緩沖器[1]，該檢修要求成為延長動車組檢修周期的最大障礙。因此，研究動車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器的失效機理，在此基礎上優化、改進橡膠緩沖器性能，對延長車鉤緩沖裝置的檢修周期具有重要的實際應用價值。

1 動車組車鉤緩沖裝置橡膠緩沖器的功能及原理

車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器的主要作用是吸收列車連掛和運行過程中的列車低速沖擊能量[2-3]。每套動車組車鉤緩沖裝置(見圖1)包含2組橡膠緩沖器，其中，橡膠緩沖器1(GK666)主要用于吸收列車運行過程中拉伸方向的沖擊能量，橡膠緩沖器2(GK667)主要用于吸收列車運行過程中壓縮方向的沖擊能量[4]。

圖1 車鉤緩沖裝置結構Fig.1 Structure of coupler buffer device

2 橡膠緩沖器失效機理分析

根據CRH2型動車組在運行120萬km后車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器的各項技術參數統計結果(見表1)分析，現有車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器失效的主要原因是車鉤緩沖裝置在運行120萬km后，橡膠緩沖器的自由高檢測值(靜置24 h)超出其限值要求，導致橡膠緩沖器無法繼續使用。

表1 CRH2型動車組運行120萬km后橡膠緩沖器自由高統計結果

針對橡膠緩沖器在動車組列車運行過程中所承受的載荷變化特點、應用環境及橡膠的材料特性等3方面進行分析，導致橡膠緩沖器在運行120萬km后自由高下降的可能因素主要有2個：一是橡膠緩沖器在列車運行過程中所承受的交變動態拉伸和壓縮載荷導致橡膠緩沖器發生蠕變；二是由于橡膠緩沖器在列車運行過程中所處的環境因素導致的橡膠材料老化[5]。

為了進一步研究導致橡膠緩沖器自由高下降的主要原因，本文通過動載荷耐久試驗和熱老化試驗，模擬橡膠緩沖器在列車實際運行過程中受到交變動態拉伸和壓縮載荷的作用效果，以及其受到環境因素的影響。

為方便對比不同因素對橡膠緩沖器失效機理的影響，定義橡膠緩沖器蠕變量影響因子δ1為：

(1)

式中：

δ1——相同溫度條件下，交變動載荷對橡膠緩沖器蠕變量影響因子；

h0——每100萬次動態加載后橡膠緩沖器自由高相對其初始狀態的變化量，mm；

h總——動車組運行120萬km后橡膠緩沖器自由高相對其初始狀態的變化量，mm。

定義橡膠緩沖器老化時間影響因子δ2為：

(2)

式中：

δ2——相同動載荷條件下，環境溫度因素對橡膠緩沖器自由高達到指定高度時對應老化時間的影響因子；

t0——相同溫度條件下，橡膠緩沖器自由高達到指定高度的時間與橡膠緩沖器失效時間(約3年)的時間差；

t——動車組列車運行120萬km時所用的時間，即老化失效時間。

定義橡膠緩沖器失效影響因子δ=δ1+δ2，其中，δ代表不同因素的影響因子對橡膠緩沖器失效的作用大小。

2.1 橡膠緩沖器動載荷耐久試驗

CRH2型動車組車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器的安裝預壓力約為63.7 kN，車鉤緩沖裝置在動車組實際運行過程中實測的最大車鉤力約為100 kN。為了盡可能真實地模擬車鉤緩沖裝置在列車實際運行過程中承受的交變動態載荷，按照表2所示的動態載荷加載條件進行橡膠緩沖器的動載荷耐久試驗[6]。橡膠緩沖器的動載荷耐久試驗加載示意如圖2所示。

表2 橡膠緩沖器動載荷耐久試驗加載條件

a) 試驗方案

b) 試驗現場

在橡膠緩沖器動載荷耐久試驗過程中，每完成100萬次動態加載，將橡膠緩沖器拆下并靜置24 h，測量其自由高，測試統計結果見表3。該試驗條件下，由于環境溫度相同(常溫且時間較短)，因此δ主要由δ1決定。

由表3可知，環境溫度相同條件下，每100萬次動態加載后，橡膠緩沖器自由高隨著動態加載次數的增加而緩慢下降；在加載300萬次后，自由高基本趨于穩定，且遠大于橡膠緩沖器的最小使用限度。

表3 每100萬次動態加載后橡膠緩沖器自由高和δ統計結果

2.2 橡膠緩沖器熱老化試驗

選取橡膠緩沖器GK667，按照表4所示的試驗條件和試驗方法進行熱老化試驗。試驗加載過程示意如圖3所示。

表4 橡膠緩沖器GK667熱老化試驗條件

根據表4所示的熱老化試驗條件，記錄橡膠緩沖器GK667在各種溫度條件下的自由高，見表5。根據試驗數據，利用阿倫尼烏斯方程計算橡膠緩沖器GK667在常溫(23 ℃)條件下自由高與老化時間之間的對應關系，并繪制其變化曲線，如圖4所示。該試驗條件下，除環境溫度不同外，緩沖器未施加動載荷，因此δ主要由δ2決定。

圖3 橡膠緩沖器GK667熱老化試驗加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of thermal aging test loading of rubber draft gear GK667

表5 橡膠緩沖器GK667自由高達到212.2 mm時對應的老化時間和δ

圖4 橡膠緩沖器GK667自由高隨老化時間變化曲線Fig.4 Curve of rubber draft gear GK667 free height changing over aging time

根據阿倫尼烏斯方程計算結果，在常溫(23 ℃)條件下，橡膠緩沖器自由高達到其指定高度(212.2 mm)需約3.1年，該數據與動車組實際運行過程中橡膠緩沖器GK667自由高達到相同高度對應的老化時間基本吻合。

2.3 試驗結果對比分析

通過對比分析橡膠緩沖器動載荷耐久試驗數據和熱老化試驗數據，在環境溫度相同的條件下，動載荷對δ的作用占比約為32.42%；在動載荷相同的條件下，環境溫度對δ的作用占比約為96.67%。由此說明，動車組運行過程中由環境因素導致的橡膠材料老化是影響車鉤緩沖裝置中橡膠緩沖器失效的主要原因。

3 橡膠緩沖器性能優化及效果驗證

針對現車橡膠緩沖器GK666和GK667的大蠕變特點，在保持橡膠緩沖器與現有動車組車體接口尺寸及技術參數不變的基礎上，研發具有低蠕變性能的橡膠緩沖器GK666改良品和GK667改良品。

針對新研制的橡膠緩沖器GK666改良品和GK667改良品，在相同條件下分別進行動載荷耐久試驗和熱老化試驗，以驗證新研發的橡膠緩沖器是否滿足取消120萬km分解檢修的要求。

3.1 優化后的橡膠緩沖器動載荷耐久試驗

橡膠緩沖器GK666改良品和GK667改良品動載荷耐久試驗加載過程如圖2所示。動態載荷加載條件如表2所示。動車組現車運行里程與等效試驗次數之間的對應關系如表6所示。試驗完成后將橡膠緩沖器拆下并靜置24 h，測量其自由高，測試統計結果見表7。

表6 動車組現車運行里程與等效試驗次數對應關系表

表7 橡膠緩沖器改良品動態加載后的自由高

3.2 優化后的橡膠緩沖器熱老化試驗

橡膠緩沖器GK667改良品的老化試驗條件如表4所示。試驗加載示意如圖3所示。試驗結果如表8所示。

表8 橡膠緩沖器GK667改良品自由高達到指定高度時對應的老化時間

根據試驗數據，利用阿倫尼烏斯方程計算在常溫(23 ℃)條件下橡膠緩沖器GK667改良品的自由高與老化時間之間的對應關系，并繪制其變化曲線，如圖5所示。橡膠緩沖器現有產品GK667和GK667改良品自由高隨老化時間變化曲線如圖6所示。

圖5 橡膠緩沖器GK667改良品自由高隨老化時間變化曲線Fig.5 Curve of modified rubber buffer GK667 free height changing over aging time

注：試驗溫度為23 ℃。圖6 橡膠緩沖器GK667和GK667改良品自由高隨老化時間變化曲線Fig.6 Curve of common and modified rubber buffer GK667 free heights changing over aging time

根據阿倫尼烏斯方程計算結果，在常溫(23 ℃)條件下橡膠緩沖器GK667改良品的自由高達到其指定高度212.2 mm約需17.957年，達到其限值214 mm約需8.626年，大于動車組實際運行240萬km對應的等效時間(6年)。因此，改良后的橡膠緩沖器滿足車鉤緩沖裝置取消動車組運行120萬km后分解檢修的要求。

4 結論

1) 現有橡膠緩沖器產品失效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的主要原因。

2) 相較現有橡膠緩沖器產品，改良后的橡膠緩沖器產品對動載荷的耐久性能試驗效果不明顯，但對環境的耐老化性能試驗效果顯著。

3) 改良后的橡膠緩沖器產品在試驗狀態下自由高達到其限值214 mm的時間約為8.5年，滿足車鉤緩沖裝置取消動車組運行120萬km分解檢修的要求。