城軌列車低噪音車輪阻尼膠帶使用壽命預(yù)測(cè)研究

關(guān)鍵詞：阻尼膠帶；剪切強(qiáng)度；Arrhenius方程；熱失重分析；使用壽命預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TQ437+.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）12-0005-05

輪軌噪聲[1-2]是軌道交通噪音主要構(gòu)成部分，其中車輪振動(dòng)聲輻射是重要的噪聲源，采用降低車輪振動(dòng)及噪聲輻射的低噪音車輪是降低軌道交通噪聲的一種有效措施。低噪音車輪通常是利用約束阻尼原理，通過阻尼膠帶將約束板粘接在車輪輻板兩側(cè)。在正常磨耗條件下，城軌列車車輪的使用壽命一般為3～5年，運(yùn)行里程約為240～300萬km，阻尼膠帶應(yīng)確保列車車輪在使用壽命內(nèi)不發(fā)生約束阻尼降噪板脫落故障[3]。列車正常運(yùn)行時(shí)，車輪的溫度基本為環(huán)境溫度，列車制動(dòng)時(shí)，車輪輻板最高溫度可達(dá)到70℃。阻尼膠帶是由丙烯酸膠粘劑和亞克力（PM?MA）泡棉基材構(gòu)成，阻尼膠帶會(huì)隨著使用時(shí)間的推移和制動(dòng)高溫的影響發(fā)生性能衰減[4]，進(jìn)而影響城軌列車的行車安全和運(yùn)行質(zhì)量。對(duì)阻尼膠帶進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，可以更加科學(xué)地指導(dǎo)低噪聲車輪的維護(hù)或更換工作。

本文通過紅外光譜對(duì)阻尼膠帶老化前后的特征峰進(jìn)行了對(duì)比，分析了阻尼膠帶老化降解的基本特征。選用加速熱老化試驗(yàn)法、熱失重升溫試驗(yàn)法和熱失重恒溫試驗(yàn)法3種方法，分別對(duì)膠帶進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，建立了膠帶的壽命預(yù)測(cè)方程，對(duì)膠帶在25℃和70℃下的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)原料

阻尼膠帶，商業(yè)采購(gòu)；Q195低碳鋼鋼板，北京伊諾凱科技有限公司。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

熱失重分析儀，209F1，德國(guó)耐馳公司；熱老化試驗(yàn)箱，401B型，中國(guó)啟東市雙棱測(cè)試設(shè)備有限公司；萬能材料試驗(yàn)機(jī)，德國(guó)ZwickRoell公司；傅立葉變換紅外光譜儀，Tensor—27，德國(guó)布魯克公司。

1.3測(cè)試及表征

1.3.1粘接性能測(cè)試

按照GB/T 7124—2008《膠粘劑拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣制備，采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣施加200N壓力保持1min，然后將試樣放入70℃的烘箱中熟化24h，取出試樣后在室溫下冷卻24h，進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試；按照GB/T3512—2014《硫化橡膠或熱塑性橡膠熱空氣加速老化和耐熱試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，在不同溫度下對(duì)試樣進(jìn)行熱空氣老化，取出后將試樣在室溫下冷卻24h后，進(jìn)行剪切強(qiáng)度測(cè)試[5-6]。

1.3.2傅立葉變換紅外光譜分析

對(duì)老化前后試樣進(jìn)行傅立葉變換紅外光譜（FT?IR）測(cè)試，掃描精度為4cm^-1，掃描次數(shù)為32次，掃描范圍為4000～500cm^-1。

1.3.3熱失重分析

對(duì)膠帶的亞克力泡棉進(jìn)行熱失重分析（TG），稱取樣品5～10mg，放入氧化鋁坩堝，采用空氣氣氛，流量為100mL/min，保護(hù)氣為氮?dú)?，流量?0mL/min。

熱失重升溫試驗(yàn)法，采用空氣氣氛，選擇升溫速率為2、4、6、8、10K/min，溫度范圍為25～600℃。

熱失重恒溫試驗(yàn)法，采用空氣氣氛，升溫速率為50K/min，選擇溫度為260、270、280、290、300℃。

2結(jié)果與討論

2.1阻尼膠帶老化過程分析

阻尼膠帶由丙烯酸酯膠粘劑和亞克力泡棉基材構(gòu)成，丙烯酸膠粘劑的初始剪切強(qiáng)度大約為20MPa左右，而膠帶粘接測(cè)試的剪切強(qiáng)度在1.4～2.4MPa之間，從試樣破壞的形貌可以看出，亞克力泡棉基材率先被撕裂，基材破壞是影響剪切強(qiáng)度的關(guān)鍵因素[6]。因此可以通過膠帶基材的熱失重分析，來預(yù)測(cè)膠帶的老化壽命。為考察樣品老化前后的膠帶材料化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，以老化前樣品為對(duì)照，利用FTIR對(duì)材料老化前和老化后的化學(xué)基團(tuán)進(jìn)行分析，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，泡棉基材老化前后均在2967cm^-1、2931cm-1和2850cm^-1處出現(xiàn)了波峰，是分別由甲基和亞甲基C-H的伸縮振動(dòng)引起的，可見老化后的該吸收峰強(qiáng)度減弱，說明老化后甲基基團(tuán)數(shù)量減少。老化后樣品在1728cm^-1和1167cm-1處羰基C===O吸收峰強(qiáng)度強(qiáng)于老化前樣品，說明亞克力泡棉基材在熱老化后羰基C===O數(shù)量變多。老化后樣品在1062cm^-1出現(xiàn)了波峰，該峰是由—CH—OH基團(tuán)中的羥基—OH彎曲振動(dòng)引起的，可見老化后羥基—OH數(shù)量變多，說明亞克力泡棉基材經(jīng)過熱老化后，出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象[7-9]。羰基C===O、羥基—OH吸收峰強(qiáng)度越高氧化現(xiàn)象越明顯。

圖2為阻尼膠帶中亞克力泡棉基材分別在兩種氣氛下的熱失重曲線。由圖2可知氮?dú)鈿夥障屡菝藁闹挥幸粋€(gè)失重階段，該階段主要發(fā)生碳碳分子鏈的熱分解，起始溫度約為290°C。在空氣氣氛下存在兩個(gè)失重階段[10-11]，第一個(gè)失重階段約在240～410°C，在此溫度區(qū)間內(nèi)氮?dú)鈿夥障碌氖е厮俣嚷诳諝鈿夥障碌氖е厮俣?，這說明此階段在空氣氣氛下不僅有C—C分子鏈熱分解，還有支鏈、端基、殘留的雙鍵等易氧化組分發(fā)生了氧化分解。第2個(gè)階段約在410～480℃，此階段發(fā)生分解的是一些穩(wěn)定的氧化物和碳化合物。在300℃時(shí)，空氣氣氛下質(zhì)量損失為15%，氮?dú)鈿夥障沦|(zhì)量損失為10%，本文壽命預(yù)測(cè)研究溫度上限定為300℃。

2.2加速熱老化試驗(yàn)法壽命預(yù)測(cè)

GB/T3512—2014規(guī)定老化最高溫度應(yīng)使試樣達(dá)到臨界值的時(shí)間不少于100h，選取老化溫度150、160、170℃，并按時(shí)間24、48、96、168、288、576、700、1000h進(jìn)行取樣，進(jìn)行拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試，老化后的剪切強(qiáng)度除以老化前的剪切強(qiáng)度，得到阻尼膠帶剪切強(qiáng)度保持率，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨著老化溫度的升高，膠帶剪切強(qiáng)度下降速度加快。根據(jù)表1數(shù)據(jù)擬合出150、160、170℃下的阻尼膠帶剪切強(qiáng)度保持率隨時(shí)間變化的曲線，如圖3所示。

由圖3（a）可見，150℃下膠帶剪切強(qiáng)度保持率的變化是有梯度的，在0～50h內(nèi)下降最快，在50～110h內(nèi)下降放緩，110～600h內(nèi)剪切強(qiáng)度下降變快且在該區(qū)間內(nèi)失效，600～1000h內(nèi)下降速度放緩，選取110～600h內(nèi)的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合[12～15]，得出150℃下線性方程。由圖3（b）可見，160℃下膠帶剪切強(qiáng)度保持率，在0～80h內(nèi)下降較快，80～350h內(nèi)剪切強(qiáng)度下降速度放緩且在該區(qū)間內(nèi)失效，選取80～350h內(nèi)的3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得出160℃下線性方程。由圖3（c）可見，170℃下膠帶剪切強(qiáng)度保持率，在0～50h內(nèi)下降較快，50～270h內(nèi)下降速度放緩且在該區(qū)間內(nèi)失效，選取50～270h內(nèi)3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得出170℃下線性方程。

經(jīng)計(jì)算得出150、160、170℃膠帶的剪切強(qiáng)度保持率衰減公式：

y=-0.10x+91.02 （1）

y=-0.14x+82.07 （2）

y=-0.15x+74.44 （3）

式中：x為時(shí)間，h；y為膠帶剪切強(qiáng)度保持率，%。

根據(jù)GB/T 2951.12—2008《電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗(yàn)方法第12部分：通用試驗(yàn)方法-熱老化試驗(yàn)方法》，材料性能值降至初始值的50%作為膠帶性能變化的臨界值。將y=50%代入各式，得到阻尼膠帶在3個(gè)溫度下失效所用的時(shí)間：t150=429.29h、t160=233.57h、t170=162.93h。

根據(jù)Arrhenius方程，材料壽命與溫度倒數(shù)成線性關(guān)系[11-12，16]，如式（4）所示：

lgt=a/T+b （4）

式中：t為時(shí)間，min；T為熱力學(xué)溫度，K；T’為溫度，℃；a、b為常數(shù)。

按照式（4），將3個(gè)溫度下失效所用的時(shí)間進(jìn)行線性擬合，線性擬合曲線如圖4所示。

由圖4的阻尼膠帶的Arrhenius圖可以得出膠帶的壽命方程[17]：

y=3933.01x–6.68 （5）

根據(jù)式（5）計(jì)算溫度25℃時(shí)阻尼膠帶的熱老化壽命為368年，70℃時(shí)為1.14年。

2.3熱失重升溫試驗(yàn)法壽命預(yù)測(cè)

一般認(rèn)為當(dāng)聚合物失重5%時(shí)已經(jīng)不建議使用，本研究選取5%的失重所經(jīng)歷的試驗(yàn)周期作為阻尼膠帶壽命的終點(diǎn)[10]。對(duì)阻尼膠帶泡棉基材部分進(jìn)行熱失重升溫試驗(yàn)，熱失重曲線如圖5所示。

2.4熱失重恒溫試驗(yàn)法壽命預(yù)測(cè)

根據(jù)熱失重升溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，阻尼膠帶泡棉基材失重5%時(shí)，溫度為220～270℃。因此，本試驗(yàn)選擇260、270、280、290、300℃作為熱失重恒溫試驗(yàn)溫度，圖7為在空氣環(huán)境下不同溫度的恒溫?zé)崾е厍€。

由圖7可見，隨著溫度升高，阻尼膠帶泡棉基材失重線斜率變大，失重達(dá)5%所用的時(shí)間變短，膠帶失重5%所用的時(shí)間為：t260=2.94min、t270=1.95min、t280=1.15min、t290=0.78min、t300=0.56min。利用五個(gè)失重所用時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合[10-11，20]，線性擬合曲線如圖8所示。

將上述阻尼膠帶的斜率和截距代入式（4），可求出阻尼膠帶的壽命預(yù)測(cè)方程。

y=5633.28x-11.88 （9）

根據(jù)式（9）計(jì)算得到，在25℃下阻尼膠帶熱失重恒溫試驗(yàn)預(yù)測(cè)壽命為1214年；在70℃下為4年。

3結(jié)語

（1）阻尼膠帶泡棉基材老化前后樣品的紅外光譜結(jié)果表明，樣品老化后其不同位置特征峰強(qiáng)度會(huì)發(fā)生改變，羥基和羰基數(shù)量會(huì)增大，甲基數(shù)量降低；

（2）由加速熱老化試驗(yàn)壽命預(yù)測(cè)可知，25℃下膠帶的使用壽命為367年，70℃下為1.14年。由熱失重升溫試驗(yàn)壽命預(yù)測(cè)可知，25℃下膠帶的使用壽命為138年，70℃下為0.9年。由熱失重恒溫試驗(yàn)壽命預(yù)測(cè)可知，25℃下膠帶的使用壽命為1214年，70℃下為4年；

（3）試驗(yàn)證明阻尼膠帶使用壽命可以滿足低噪音車輪的現(xiàn)場(chǎng)需求。