疲劳实验在橡胶减震制品寿命预测中的应用

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的做法，不能准确的反映使用寿命。 疲劳编辑的方法主要有：时域内的疲劳
编辑、频域内的疲劳编辑、直方图编辑、设 置循环幅门槛值、峰谷值抽取、设置 SWT 损 伤门槛值等。其中，设置 SWT 损伤门槛值和 直方图编辑只能用于单通道的疲劳试验，其 它还可用于多通道。
德国的 Eckwerth 对机车车辆用橡胶件 的寿命试验进行了研究[9]。他以 ICE2 的高 速转向架轮对转向装置的导向套为例，采用 将道路谱信号编辑处理后变换成试验台的 控制信号的方法，对其进行了寿命预测研 究。他认为估算寿命的可靠性还不能与近似 实际的结构件试验相媲美的主要原因是橡 胶件有许多影响工作强度特性的参数。试验 台寿命试验的结论始终取决于所用负荷数 据的质量。
外，橡胶球关节三瓣之间的缝隙对制品的静 刚度有较大影响，比较将销轴直接压到缝隙 上和一整瓣处的试验结果表明，压缝时的静 刚度比不压缝时的静刚度小了 2KN/mm。疲劳 试验表明，采用正弦波，18Hz，最大和最小 载荷分别为 42.5KN 和 10KN 的试验条件下， 疲劳次数 210 万次的橡胶球关节可以实际运 行 40 万公里，疲劳次数超过 620 万次的橡 胶球关节可以实际运行 100 万公里，满足了 铁道部一个大修期的使用要求。表 1 为两种 球关节疲劳试验结果。其中 2#的使用寿命为 40 万公里。
无锡中策的吴亚军对橡胶减振器疲劳 寿命与模具设计的关系进行了研究[2]，分析 了橡胶模压注孔开设位置对产品粘接、疲劳 性能产生影响的原因，认为压注孔的开设应 尽量减少型腔内胶料流经关键部位处的流 动量，即尽量减少关键部位的胶粘剂流失， 并尽可能使得各个型腔同时得到充满。
铁科院金化所的毛鲲鹏对 DF11 型机车用 橡胶球关节进行了研究[3]。通过对胶料的配 方试验和产品的动静态试验的全面研究，发 现胶料的压缩疲劳生热性能直接影响到橡 胶球关节的使用寿命，采用合适ห้องสมุดไป่ตู้硫化体系 和补强体系可以获得很好的耐疲劳性能。另
关键词：橡胶减振制品；疲劳失效；寿命预测
橡胶减振制品具有制品弹性参数可调、 可以衰减和吸收高频振动和噪声、冲击刚度 大于动刚度和静刚度以及体积小、重量轻、 免维护等优点，故可以取代传统金属弹簧和 摩擦阻尼装置。国外此类产品的应用非常广 泛，但在国内还处于引进与仿制阶段。由于， 橡胶减振制品通常是在周期应力状态下使 用的，所以，橡胶减振制品的耐疲劳特性与 其使用寿命密切相关。最可靠的办法是在实 际使用条件下对实物进行评价，但这需要较 长的试验时间和昂贵的费用。目前，预测橡 胶减振制品疲劳寿命方法有虚拟分析和疲 劳试验，而使用软件来仿真计算产品的使用 寿命，并不能代替疲劳试验，产品疲劳可靠 性最终要通过疲劳试验来检验。因此，如何 准确的通过疲劳试验来预测橡胶减振制品 的疲劳寿命，对于缩短产品开发周期、节省 资金，最终研制出性能满足使用要求的高技 术含量的产品有重要意义。
该减振块的工作变形量为 14.5mm，因此当其
压缩永久变形量为 30%时，变形值为 4.35mm，
为总高度的 6.21%，即以此计算，在等效温
度 25℃下，压缩永久变形值为 4.35mm（工
作变形 30%）的时间为 3.2 年。
基础隔振叠层橡胶支座是建筑结构地
震防护的一种新方法，要求其使用寿命不小
于上部结构的使用年限，也就是超过 50 年。
2
温度 39℃
度 39℃
V 型橡胶弹簧安装于轴箱和转向架构架
之间，每个轮对轴箱使用两个 V 形橡胶弹簧，
它们将转向架与轮对轴箱连接起来并承担
轮对导向作用，用于传递轮对的牵引力和制
动力；并在垂直方向给车体以弹性支撑；在
列车的纵向和横向提供柔性连接和限位的
作用，是对主要减震性能的补充。对橡胶 V
型弹簧的疲劳寿命研究表明，试验的频率和
表 1 为两种球关节疲劳试验结果
疲 劳 次 数 1#
2#
/万次
38.47
正常
正常
59.01
正常
正常
135.88 正常
正常
216
正常
受压处橡胶下方脱
出外圈 3mm
286
正常
受压处橡胶下方脱
出外圈 10mm
295.83 正常 ，受压 处 受 压 处 橡 胶 温 度
橡胶温度 36℃ 39℃
352
正常 ，受压 处 脱出 25mm，橡胶温
交变载荷的均值是影响其疲劳寿命的主要 因素[4]。疲劳试验的频率为 2Hz，载荷均值 为 V 型弹簧的额定工作载荷的条件下，振动 次数为 2×106 相当于实际运行 7×104 公里， 基本能验证出 V 型弹簧的抗疲劳性能。目 前，一般认为，V 型弹簧的刚度变化率在 ­10%~10%之间是满足使用要求的。
许斌等采用热空气老化的方法研究了橡胶 支座的使用寿命[6]，产品的使用寿命与不同
温度下劣化试验所需时间的关系见表 1。
表 2 使用寿命与不同温度下劣化试验所需 时间（小时）
使用年
使用环境温度
限/年 10℃
15℃
20℃
30
129.3
252.0 497.0
50
215.4
419.6 799.0
80
344.7
疲劳试验在橡胶减振制品寿命预测中的应用
王进，左国兵
（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲， 412007）
摘要：橡胶减振制品同时具有承载和缓和冲击的作用，由于体积小、重量轻、免维护等优点，故可以取代传统的金属弹簧 和摩擦阻尼装置。橡胶减振制品的耐疲劳特性严重影响其使用寿命，本文综述了橡胶减振制品疲劳失效的判断准则和疲劳试验 在使用寿命预测中的应用，以及国内外在橡胶减振制品寿命预测方面的研究进展。
1 橡胶减振制品疲劳失效的判断准则 1.1 制品静刚度损失率
橡胶减振制品是国内外目前应用最为 广泛的减振降噪装置，在轨道交通中占总量 的 90％以上（按产值计算），主要起承载、 悬挂、牵引、隔振和缓冲的作用，所以刚度 是橡胶减振制品的关键特性之一。橡胶减振 制品的疲劳曲线的特点为在循环次数超过 107 次后，曲线也并不一定水平，所以，疲 劳试验并不要求制品直到疲劳破坏时才终 止试验，即当试验进行到一定次数后，对制 品进行性能检验，如满足要求，即认为寿命 达到设计要求。橡胶材料的弹性模量在使用 过程中会不断下降，往往在发生破坏前，其
铁岭橡胶工业研究所的史艳玲等根据
橡胶恒定压缩永久变形的经验公式及化学
反应过程中反应速度常数与温度的关系服
从阿仑尼乌斯方程，用不同温度下橡胶减振
块胶料的恒定压缩永久变形的变化规律来 预测橡胶减振块使用寿命[5]。NR 橡胶减振块
的压缩永久变形量不大于总高度的（6~7）% 时，虽然刚度增加，但仍可工作一定时间。
671.6 1266.0
另外，通过比较 80℃下劣化现象对橡胶支座
产品和橡胶试片的水平刚度的影响，发现由 于橡胶支座产品中钢板使橡胶大面积与空 气隔离，提高了橡胶的使用寿命。
总之，国内在橡胶减振制品研制开发方 面的手段还比较落后，仍停留在经验设计和 静强度设计阶段。有些制品的抗疲劳设计仍 使用常规的无限寿命设计方法；有些制品只 对可能的几个危险点或危险截面使用经验 公式进行疲劳强度校核，以计算所得的安全 系数不小于许用的安全系数作疲劳强度的 判据，以通过程序加载的疲劳试验作为产品 寿命合格的判断标准。结果，有些通过了检 验的制品在使用过程中发生了疲劳失效，造 成了严重的经济损失。有些产品并未失效就 根据维修规程早早的进行了更换，未充分发 挥产品的使用价值，造成了浪费。这说明常 规的抗疲劳设计方法在产品的寿命估算和 产品抗疲劳设计方面都存在不足。
2 国内研究进展 国内在寿命预测研究领域，对金属类线
性材料制品研究比较成熟，而对橡胶或橡胶 －金属相结合的非线性类制品研究还刚起 步。
目前，铁道车辆用减振降噪部件的验收 都是通过做程序载荷谱加载的疲劳试验来 确定。如 TB/T2843-1997，TB/T2589-1995， TB/T2841-1997，GB/T13061-91 等标准所规 定的试验方法。太原重型机械工程学院的孙 大刚对大型履带式拖拉机链轮橡胶减振器 疲劳试验程序载荷谱进行了研究 [1]。该程序 载荷谱的载荷分为 8 级，并把试验载荷按低 -高-低的次序进行排列，同时把总程序分成 20 个子程序进行循环，每个子程序的循环次 数为 105（总疲劳试验次数为 2×106）。为了 加快试验进程，对试验程序进行了提高试验 频率、加大载荷幅值的强化程序。较大载荷 下（≥53KN）的振动频率为 0.5Hz，较小载 荷下（<53KN）的振动频率可以加快至（1~3） Hz。当把各级载荷均扩大了 42%后，总疲劳 次数为强化前的 1/10，即 2×105 次，大大 缩短了试验时间。
橡胶温度 36℃ 度 39℃
433
正常 ，受压 处 脱出 30mm，橡胶温
橡胶温度 36℃ 度 39℃
495
正常 ，受压 处 脱出 32mm，橡胶温
橡胶温度 36℃ 度 39℃
582
正常 ，受压 处 脱出 34mm，橡胶温
橡胶温度 36℃ 度 39℃
624
脱出 2mm，橡胶 脱出 35mm，橡胶温
温度 39℃
3 国外研究进展 近年来，国外发达国家对橡胶减振制品
的强度设计已由依据静强度和无限寿命设 计发展到了定量寿命设计，抗疲劳设计中使 用了“一体化耐久管理”的方法，疲劳试验 已经采用随机载荷谱或道路谱加载进行。因 为,用程序载荷谱加载的疲劳试验一般只能 够对产品进行合格检验或产品的性能对比， 不能够真正用于研究产品的寿命。采用随机 载荷谱或道路谱就能消除程序载荷谱高低 载荷的加载次序和各加载位置载荷相位差 对构件寿命的影响。能够较为真实的模拟构 件所承受的载荷,使所得的试验寿命能够真 实地反映运行寿命[7，8]。由于不能直接采集 到制品的随机载荷谱，只能采集到制品上某 些点的应变谱，所以，现代的疲劳试验控制 系统以这些应变谱为控制参量，迭代产生用 于加载的载荷谱，精度一般在 5%以内。并且， 国外可以对采集的应变谱进行编辑，使编辑 前后的信号产生的损伤分布基本一致，即真 实的反映了使用寿命，又缩短了疲劳试验时 间。而国内大多数的疲劳试验还采用程序载 荷谱，即使有的采用了道路谱，也不能合理 的进行编辑，只是用线形放大载荷信号或者 用“等效”的常幅载荷信号来加载疲劳试验