單軌止擋橡膠開(kāi)裂故障分析及改進(jìn)措施

于忠建，韓俊臣，高純友

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心，吉林 長(zhǎng)春 130062）

軌道車輛中央懸掛裝置用橫向止擋限制車輛直線運(yùn)行和曲線通過(guò)時(shí)車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架過(guò)大的橫向位移，縱向止擋限制車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架過(guò)大的縱向位移，并傳遞車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力[1]。典型的止擋由橡膠、金屬板、調(diào)整墊及止擋座組成，是金屬與橡膠疊層粘合構(gòu)成的整體構(gòu)件。止擋安裝在構(gòu)架的止擋座上，與中心銷或中心銷座之間預(yù)留一定的自由間隙。金屬與橡膠是兩種不同性質(zhì)的材料，其化學(xué)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能差別較大，因此，高強(qiáng)度的粘合意味著產(chǎn)品能獲得相對(duì)穩(wěn)定的性能。

重慶單軌3號(hào)線部分車輛轉(zhuǎn)向架橫向和縱向止擋橡膠出現(xiàn)開(kāi)裂問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析確認(rèn)為橫向止擋6處，縱向止擋1處。止擋橡膠開(kāi)裂表現(xiàn)為橡膠與金屬板粘合處開(kāi)裂及橡膠頂部開(kāi)裂。本工作分析止擋橡膠開(kāi)裂的原因，并提出改進(jìn)措施。

1 中央懸掛裝置總體結(jié)構(gòu)

橫縱向止擋在中央懸掛裝置的安裝位置如圖1所示。無(wú)搖枕中央懸掛裝置是通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧作為底座直接支撐車體的[2-5]。通過(guò)由空氣彈簧、減振器、橫向止擋和高度閥裝置組成的懸掛系統(tǒng)緩沖和衰減車體的振動(dòng)；通過(guò)由中心銷、中心銷座、牽引橡膠堆、牽引橡膠座和縱向止擋組成的牽引系統(tǒng)傳遞車體與轉(zhuǎn)向架之間的縱向力（牽引力和制動(dòng)力）。

圖1 橫縱向止擋在中央懸掛裝置的安裝位置

中心銷通過(guò)螺栓與車體枕梁相連，中心銷螺栓和中心銷螺母將中心銷與中心銷座連接在一起，中心銷座通過(guò)4個(gè)牽引橡膠堆與安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的兩個(gè)牽引橡膠座彈性連接，將縱向力從轉(zhuǎn)向架傳遞至車體。橫向止擋通過(guò)螺栓固定在構(gòu)架上，通過(guò)加減調(diào)整墊片，使橫向止擋與中心銷（相當(dāng)于車體）的間隙為10 mm，用于限制車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的過(guò)度橫向位移?？v向止擋通過(guò)螺栓固定在構(gòu)架上，通過(guò)加減調(diào)整墊片，使縱向止擋與中心銷座（相當(dāng)于車體）的間隙為3 mm，用于限制車體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的過(guò)度縱向位移[6]。

2 止擋橡膠開(kāi)裂原因分析

2.1 受力分析

車體與轉(zhuǎn)向架之間的載荷通過(guò)中央懸掛裝置傳遞的具體過(guò)程如下：

轉(zhuǎn)向架的三向振動(dòng)→中央懸掛裝置（空氣彈簧、減振器、牽引橡膠堆等）→車體；

車體橫向擺動(dòng)→中央懸掛裝置（空氣彈簧、減振器、橫向止擋、牽引橡膠堆等）→轉(zhuǎn)向架；

車體側(cè)滾運(yùn)動(dòng)→中央懸掛裝置（大跨距空氣彈簧等）→轉(zhuǎn)向架；

車體縱向力→中央懸掛裝置（縱向止擋、牽引橡膠堆等）→轉(zhuǎn)向架。

由以上分析可知，止擋系統(tǒng)在車輛運(yùn)行過(guò)程中承擔(dān)車體與轉(zhuǎn)向架間的橫縱向交變載荷，并限制車體和轉(zhuǎn)向架間的各向變位，在長(zhǎng)期的疲勞載荷作用下，極易發(fā)生開(kāi)裂或脫膠失效情況。在受力方面，不同編組列車或不同類型轉(zhuǎn)向架的止擋橡膠因長(zhǎng)時(shí)間接觸碰撞和擠壓導(dǎo)致受力開(kāi)裂只是程度上的差異，而且差異很小，因此，受力情況可不予考慮。

2.2 線路原因分析

線路問(wèn)題主要指軌道（包括軌道梁上平面和側(cè)面）不平順。重慶單軌正線曲線半徑小，坡度大，線路長(zhǎng)，載客量大，站間距小，啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，碰撞率高。對(duì)于不同線路或不同站點(diǎn)，止擋橡膠因長(zhǎng)時(shí)間接觸碰撞和擠壓導(dǎo)致受力開(kāi)裂只是程度上的差異，且差異很小，因此，線路問(wèn)題可不予考慮。

2.3 剛度性能分析

車輛止擋系統(tǒng)提供了一個(gè)較大的剛度。采購(gòu)技術(shù)條件規(guī)定：在整個(gè)壽命期內(nèi)，產(chǎn)品剛度性能變化不得超過(guò)±15%。

取一個(gè)典型的止擋橡膠頂部開(kāi)裂的樣品按照試驗(yàn)大綱和圖紙的要求，重新進(jìn)行剛度試驗(yàn)。產(chǎn)品垂向放置，從0～10 kN加載，位移速率為20 mm·min-1，然后卸載，往復(fù)循環(huán)3次，第3個(gè)循環(huán)記錄載荷-位移數(shù)據(jù)，并繪制曲線，新舊橫向止擋剛度試驗(yàn)對(duì)比曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，橫向止擋橡膠剛度沒(méi)有太大變化，說(shuō)明產(chǎn)品剛度相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 新舊橫向止擋橡膠剛度對(duì)比

2.4 粘合開(kāi)裂故障分析

目前應(yīng)用最廣和最有效的金屬與橡膠粘合方法為熱硫化粘合工藝。該方法首先對(duì)金屬進(jìn)行表面處理，然后涂敷膠粘劑，再把橡膠貼合在金屬上，加熱加壓進(jìn)行硫化，實(shí)現(xiàn)粘合[7]。因此，從膠料性能、金屬骨架表面處理、粘合工藝等方面對(duì)粘合開(kāi)裂故障進(jìn)行分析。

2.4.1 膠料質(zhì)量

將現(xiàn)車止擋使用的膠料制成產(chǎn)品部件，委托橡膠制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心根據(jù)TB/T 2843—2015《機(jī)車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》對(duì)膠料物理性能進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明，產(chǎn)品的硬度、拉伸強(qiáng)度、拉斷伸長(zhǎng)率、金屬與橡膠粘合強(qiáng)度和脆性溫度等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4.2 金屬骨架的表面處理

金屬骨架表面處理方法大致可以分為機(jī)械法和化學(xué)法，表面處理使工件的外表面或形狀發(fā)生變化，從而獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使工作表面的機(jī)械性能得到改善，增大金屬與涂層之間的附著力，延長(zhǎng)涂膜的耐久性。止擋橡膠骨架表面處理采取槍式手工噴砂的方式，經(jīng)分析個(gè)別部件噴砂力度不夠或不均勻，金屬表面粗糙度不夠，影響后續(xù)粘合質(zhì)量。

2.4.3 金屬骨架的脫脂處理

金屬骨架在噴砂后，需通過(guò)脫脂處理清洗金屬表面的油脂。常用的脫脂方法包括有機(jī)溶劑脫脂法、化學(xué)脫脂法、乳液脫脂法、電解脫脂法和超聲波脫脂法等。止擋橡膠骨架采取有機(jī)溶劑脫脂的方式，脫脂后放入老化箱進(jìn)行干燥處理。經(jīng)分析個(gè)別部件脫脂不徹底，或因脫脂溶劑用量過(guò)大或放置時(shí)間太久，導(dǎo)致空氣中的水分凝聚在金屬表面，影響后續(xù)粘合質(zhì)量。

2.4.4 金屬骨架涂膠

金屬骨架采用底膠-面膠雙涂層體系，兩次涂膠間隔為20 min，底膠必須徹底干燥后才能涂面膠，否則與金屬粘合性較差的面膠會(huì)融入底膠，滲透至金屬-底膠結(jié)合處，造成橡膠-金屬粘合不牢固[8]。骨架烘干后放到模具內(nèi)，24 h內(nèi)進(jìn)行注膠。經(jīng)分析個(gè)別部件兩次涂膠的時(shí)間間隔不夠或涂層太厚，影響后續(xù)粘合質(zhì)量。

2.5 橡膠頂部開(kāi)裂故障分析

經(jīng)分析頂部開(kāi)裂是由于止擋橡膠為首批硫化部件，個(gè)別硫化溫度誤差導(dǎo)致模具預(yù)熱不足，或因注膠時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致先期注入的膠料發(fā)生交聯(lián)后形成隔熱層，影響后續(xù)注入膠料的分子鏈反應(yīng)所致。

3 改進(jìn)措施

通過(guò)對(duì)影響止擋橡膠開(kāi)裂的受力及線路情況、剛度對(duì)比以及原料品質(zhì)、金屬骨架表面處理等生產(chǎn)過(guò)程和加工工藝等因素的分析，得出以下結(jié)論，并提出改進(jìn)措施。

（1）出于安全考慮，為不影響車輛安全運(yùn)營(yíng)，立即對(duì)橡膠開(kāi)裂甚至脫膠的橫向止擋和縱向止擋進(jìn)行更換。后續(xù)對(duì)變形、開(kāi)裂、鼓包、氣孔、脫膠等缺陷的止擋系統(tǒng)也須更換。

（2）為確保產(chǎn)品質(zhì)量，在混煉時(shí)，結(jié)合氯丁橡膠耐老化性能好和阻燃的特性，改進(jìn)工藝，添加2～3份補(bǔ)強(qiáng)劑。建立庫(kù)管員責(zé)任制，保證原料合規(guī)使用，要求每批次膠料都出具檢測(cè)報(bào)告。

（3）加大金屬骨架表面機(jī)械噴砂力度，人為增加表面粗糙度。避免骨架脫脂不徹底或在空氣中放置太久，導(dǎo)致粘合表面凝聚水分。嚴(yán)格控制底涂和面涂的工藝和質(zhì)量，兩次涂膠間隔時(shí)間確保在20 min左右。建立技工質(zhì)量崗位責(zé)任制，按加工的產(chǎn)品型號(hào)及序號(hào)實(shí)行檔案化管理。

（4）膠料硫化前要有一定的存放時(shí)間，確保膠料中各種添加劑達(dá)到真正的分子鏈結(jié)合，嚴(yán)格控制硫化溫度，定期檢查硫化溫度控制機(jī)。

（5）改進(jìn)加工工藝，根據(jù)氯丁橡膠分子鏈反應(yīng)活躍、交聯(lián)速度快的特點(diǎn)，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)，由原來(lái)的4 mm注膠孔擴(kuò)大為6 mm注膠孔，提高注膠速度，縮短注膠時(shí)間，保證整個(gè)部件交聯(lián)反應(yīng)均衡。在設(shè)備初始運(yùn)行時(shí)，充分調(diào)試，首次注膠硫化的部件不作為合格產(chǎn)品供貨使用。

（6）加強(qiáng)質(zhì)量管理控制體系，嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品質(zhì)量責(zé)任制，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)單軌止擋橡膠開(kāi)裂原因分析并實(shí)施相應(yīng)改進(jìn)措施，有效解決了止擋橡膠的開(kāi)裂問(wèn)題。