城軌車輛用空氣彈簧壽命及性能評估方法研究

樊云杰，張曉鵬，藺 高，馬宗斌，宋紅光

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

為減小因空氣彈簧提前報廢造成的經(jīng)濟(jì)損失，迫切需要研究一種城軌車輛空氣彈簧壽命的評估方法，對理論壽命至檢修時間節(jié)點(diǎn)之間的空氣彈簧性能進(jìn)行評估，從而使空氣彈簧的運(yùn)用風(fēng)險可控。但是目前針對車輛運(yùn)用狀態(tài)下的空氣彈簧實(shí)際使用壽命方面的研究尚未見諸報道。

針對上述問題，本文提出了一種城軌車輛用空氣彈簧壽命評估方法，從空氣彈簧性能及橡膠材料性能入手，對運(yùn)用不同時間的空氣彈簧性能進(jìn)行測試對比，并對橡膠材料進(jìn)行取樣，通過人工加速老化試驗(yàn)，評估橡膠材料物理性能的老化度，從而為合理評判空氣彈簧使用性能提供參考。

1 評估方法

空氣彈簧為軌道車輛轉(zhuǎn)向架上懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，具有支撐車體、吸收振動的功能，其起主要作用的是氣囊，氣囊由外層橡膠、簾線層和內(nèi)層橡膠構(gòu)成[1]。在外界紫外線或交變應(yīng)力等的作用下，氣囊橡膠會發(fā)生老化，進(jìn)而影響空氣彈簧的使用壽命。

橡膠老化影響空氣彈簧使用壽命主要表現(xiàn)在以下2個方面：橡膠老化會對氣囊的承載力和緩沖特性造成影響，從而使空氣彈簧的整體性能下降，造成車輛的平穩(wěn)性和舒適性降低；橡膠老化會使氣囊的橡膠表面形成裂紋，在持續(xù)運(yùn)用過程中，裂紋可能會逐步擴(kuò)展，導(dǎo)致氣囊無法使用，從而影響空氣彈簧的使用壽命。因此本文從上述兩方面出發(fā)，分別對空氣彈簧性能和橡膠材料性能進(jìn)行測試，根據(jù)不同運(yùn)用時間的測試數(shù)據(jù)及變化趨勢，評估未來的空氣彈簧性能和橡膠材料性能，以此作為評判空氣彈簧是否可將壽命延長至實(shí)際檢修周期的標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 空氣彈簧性能評估方法

空氣彈簧垂向剛度和橫向剛度是影響車輛平穩(wěn)性和舒適性的主要指標(biāo)，因此本文對空氣彈簧性能的評估以這2個指標(biāo)作為研究目標(biāo)。

假設(shè)某使用年限為t的空氣彈簧垂向剛度為KV(t)，根據(jù)不同使用年限的空氣彈簧垂向剛度和橫向剛度測試數(shù)據(jù)(圖1、圖2)，可以發(fā)現(xiàn)，空氣彈簧垂向剛度和橫向剛度隨使用年限的變化趨勢是線性的，因此可采用一元線性回歸分析方法計算回歸系數(shù)A、B，得到空氣彈簧垂向剛度KV(t)同使用年限t之間的關(guān)系為：

KV(t)=A·t+B

(1)

同樣計算回歸系數(shù)C、D，得到空氣彈簧橫向剛度KL(t)同使用年限t之間的關(guān)系為：

KL(t)=C·t+D

(2)

根據(jù)式(1)和式(2)，計算使用年限為tn時的空氣彈簧垂向剛度KV(tn)和橫向剛度KL(tn)。

圖1 空氣彈簧垂向剛度隨使用年限的變化趨勢

圖2 空氣彈簧橫向剛度隨使用年限的變化趨勢

1.2 橡膠材料性能評估方法

通過熱空氣老化測定橡膠的基本物理機(jī)械性能隨時間的變化情況，以及達(dá)到指定臨界值所用的時間，并利用阿累尼烏斯方程推算橡膠的壽命[2]。

橡膠老化時間與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系可以用阿累尼烏斯方程表示：

K(T)=A·e-E/RT

(3)

式中：K(T)——反應(yīng)速率常數(shù)；

A——指數(shù)因數(shù)；

T——熱力學(xué)溫度，K；

E——活化能，J/mol；

R——摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)。

化學(xué)反應(yīng)關(guān)系以式(4)表示：

Fx(t′)=K(T)·t′

(4)

式中：Fx(t′)——反應(yīng)關(guān)系的函數(shù)；

t′——老化時間，min。

由式(3)和式(4)可知，橡膠老化時間的對數(shù)logt′與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)1/T呈阿累尼烏斯曲線的關(guān)系[3]。在主要的老化反應(yīng)相同的溫度范圍內(nèi)，活化能是常數(shù)，因此可以通過外推法求出橡膠試樣在某一溫度下的性能達(dá)到指定老化程度時所需要的時間[4-10]。本文選取橡膠試樣的拉斷伸長率性能來表征橡膠材料的老化程度，臨界值選取為原始性能值的50%。

2 某城軌車輛空氣彈簧壽命及性能評估

以某城軌車輛空氣彈簧為例，使用本文提出的壽命評估方法對其壽命進(jìn)行評估。該城軌車輛空氣彈簧理論壽命為8年，而實(shí)際車輛分解檢修時間為10年。為避免將空氣彈簧提前報廢造成經(jīng)濟(jì)損失，需要對理論壽命至檢修時間節(jié)點(diǎn)之間的空氣彈簧性能進(jìn)行評估，選取的試驗(yàn)樣件如下：2個新品空氣彈簧，8個運(yùn)用時間為5年的空氣彈簧。

2.1 空氣彈簧性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 垂向剛度試驗(yàn)結(jié)果

空氣彈簧垂向剛度試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可以看出，相比新品空氣彈簧，運(yùn)用5年后的空氣彈簧在同一載荷下的垂向剛度均有所增大，分別增大3.69%、1.85%和0.48%，但均在要求范圍內(nèi)。采用一元線性回歸分析計算得出該空氣彈簧繼續(xù)運(yùn)用至10年時的垂向剛度預(yù)測值均在要求范圍內(nèi)。

2.1.2 橫向剛度試驗(yàn)結(jié)果

空氣彈簧橫向剛度試驗(yàn)結(jié)果見表2。由表2可以看出，相比新品空氣彈簧，運(yùn)用5年后的空氣彈簧在同一載荷下的橫向剛度均有所減小，分別減小6.40%、14.74%和14.90%。采用一元線性回歸分析計算得出該空氣彈簧繼續(xù)運(yùn)用至10年時的橫向剛度預(yù)測值均在要求范圍內(nèi)。

表1 空氣彈簧垂向剛度試驗(yàn)結(jié)果 N/mm

表2 空氣彈簧橫向剛度試驗(yàn)結(jié)果 N/mm

2.2 橡膠材料性能測試結(jié)果

從新品空氣彈簧氣囊外層橡膠上取樣，測試其物理機(jī)械性能。新品橡膠拉斷伸長率為600%，臨界值為300%。

測試在3種熱力學(xué)溫度(363 K、383 K和403 K)下，新品空氣彈簧氣囊外層橡膠拉斷伸長率隨老化時間的變化，直至拉斷伸長率達(dá)到臨界值，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 在不同熱力學(xué)溫度下橡膠拉斷伸長率隨老化時間的變化

從圖3可以看出，在3種熱力學(xué)溫度下，橡膠拉斷伸長率隨著老化時間的延長而下降，熱力學(xué)溫度越高，達(dá)到臨界拉斷伸長率的時間越短。在363 K、383 K和403 K老化條件下，橡膠拉斷伸長率達(dá)到臨界值300%對應(yīng)的老化時間分別約為500 h、80 h和35 h。

對橡膠熱力學(xué)溫度T取倒數(shù)，對達(dá)到拉斷伸長率臨界值的時間t′取對數(shù)，兩者與熱力學(xué)溫度的關(guān)系見表3。

表3 logt′、1/T與T的關(guān)系

將表3中的logt′與1/T進(jìn)行線性擬合，得到擬合曲線如圖4所示。

圖4 logt′與1/T線性擬合圖

從圖4可得到線性擬合公式為：y=4 238.4x-9.037 6。溫度取25 ℃，將其代入擬合公式，得到老化時間為153 185.9 h，即17.5年，超過了10年的壽命期。

3 結(jié)論

(1) 本文以某型城市軌道交通車輛為例，測試了新品空氣彈簧和運(yùn)用5年的空氣彈簧性能及橡膠材料性能，提出了一種空氣彈簧壽命及性能的評估方法，并對空氣彈簧使用至10年時的性能進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明，空氣彈簧運(yùn)用至10年的性能無較大變化，對車輛使用無影響，但因受應(yīng)力或紫外線等的影響，空氣彈簧氣囊外層橡膠材料的物理性能有顯著的老化，預(yù)測運(yùn)用至17.5年，該空氣彈簧氣囊外層性能將下降到原始值的50%。

(2) 目前橡膠產(chǎn)品壽命預(yù)測尚無準(zhǔn)確的模型，且由于缺乏空氣彈簧生產(chǎn)廠家膠料設(shè)計性能、老化性能等核心技術(shù)指標(biāo)，上述方法是基于空氣彈簧整體性能及橡膠材料性能的試驗(yàn)擬合預(yù)測方法，以保證使用性能、控制風(fēng)險最小為準(zhǔn)則，為空氣彈簧剩余壽命評估提供了參考，具有一定的積極意義。