橡膠減振制品同時(shí)具有承載和緩和沖擊的作用，由于體積小、重量輕、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，故可以取代傳統(tǒng)的金屬?gòu)椈珊湍Σ磷枘嵫b置。橡膠減振制品的耐疲勞特性嚴(yán)重影響其使用壽命，本文綜述了橡膠減振制品疲勞失效的判斷準(zhǔn)則和疲勞試驗(yàn)在使用壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用，以及國(guó)內(nèi)外在橡膠減振制品壽命預(yù)測(cè)方面的研究進(jìn)展。
一、國(guó)外研究進(jìn)展
近年來(lái)，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)橡膠減振制品的強(qiáng)度設(shè)計(jì)已由依據(jù)靜強(qiáng)度和無(wú)限壽命設(shè)計(jì)發(fā)展到了定量壽命設(shè)計(jì)，抗 疲勞設(shè)計(jì)中使用了“一體化耐久管理”的方法，疲勞試驗(yàn)已經(jīng)采用隨機(jī)載荷譜或道路譜加載進(jìn)行。因?yàn)?，用程序載荷譜加載的疲勞試驗(yàn)一般只能夠?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行合格檢驗(yàn)或產(chǎn)品的性能對(duì)比，不能夠真正用于研究產(chǎn)品的壽命。采 用隨機(jī)載荷譜或道路譜就能消除程序載荷譜高低載荷的加載次序和各加載位置載荷相位差對(duì)構(gòu)件壽命的影響。能夠較為真實(shí)的模擬構(gòu)件所承受的載荷,使所得的試驗(yàn)壽命能夠真實(shí)地反映運(yùn)行壽命 [7，8] 。由于不能直接采集到制品的隨機(jī)載荷譜，只能采集到制品上某些點(diǎn)的應(yīng)變譜，所以，現(xiàn)代的疲勞試驗(yàn)控制系統(tǒng)以這些應(yīng)變譜為控制參量，迭代產(chǎn)生用于加載的載荷譜，精 度一般在 5%以內(nèi)。并且，國(guó)外可以對(duì)采集的應(yīng)變譜進(jìn)行編輯，使編輯前后的信號(hào)產(chǎn)生的損傷分布基本一致，即真實(shí)的反映了使用壽命，又縮短了疲勞試驗(yàn)時(shí)間。而國(guó)內(nèi)大多數(shù)的疲勞試驗(yàn)還采用程序載荷譜，即使有的采用了道路譜，也不能合理的進(jìn)行編輯，只是用線形放大載荷信號(hào)或者用“等效”的常幅載荷信號(hào)來(lái)加載疲勞試驗(yàn)的做法，不能準(zhǔn)確的反映使用壽命。
橡膠減振制品具有制品彈性參數(shù)可調(diào)、可以衰減和吸收高頻振動(dòng)和噪聲、沖擊剛度大于動(dòng)剛度和靜剛度以及體積小、重量輕、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，故可以取代傳統(tǒng)金屬?gòu)椈珊湍Σ磷枘嵫b置。國(guó)外此類產(chǎn)品的應(yīng)用非常廣泛，但在國(guó)內(nèi)還處于引進(jìn)與仿制階段。由于，橡膠減振制品通常是在周期應(yīng)力狀態(tài)下使用的，所以，橡膠減振制品的耐疲勞特性與其使用壽命密切相關(guān)。最可靠的辦法是在實(shí)際使用條件下對(duì)實(shí)物進(jìn)行評(píng)價(jià)，但這需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間和昂貴的費(fèi)用。目前，預(yù)測(cè)橡膠減振制品疲勞壽命方法有虛擬分析和疲勞試驗(yàn)，而使用軟件來(lái)仿真計(jì)算產(chǎn)品的使用壽命，并不能代替疲勞試驗(yàn)，產(chǎn)品疲勞可靠性最終要通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。因此，如何準(zhǔn)確的通過(guò)疲勞試驗(yàn)來(lái)預(yù)測(cè)橡膠減振制品的疲勞壽命，對(duì)于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、節(jié)省資金，最終研制出性能滿足使用要求的高技術(shù)含量的產(chǎn)品有重要意義。
二、橡膠減振制品疲勞失效的判斷準(zhǔn)則
1.1 制品靜剛度損失率
橡膠減振制品是國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用最為廣泛的減振降噪裝置，在軌道交通中占總量的 90％以上(按產(chǎn)值計(jì)算)，主要起承載、懸掛、牽引、隔振和緩沖的作用，所以剛度是橡膠減振制品的關(guān)鍵特性之一。橡膠減振制品的疲勞曲線的特點(diǎn)為在循環(huán)次數(shù)超過(guò)10 7 次后，曲線也并不一定水平，所以，疲勞試驗(yàn)并不要求制品直到疲勞破壞時(shí)才終止試驗(yàn)，即當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到一定次數(shù)后，對(duì)制品進(jìn)行性能檢驗(yàn)，如滿足要求，即認(rèn)為壽命達(dá)到設(shè)計(jì)要求。橡膠材料的彈性模量在使用過(guò)程中會(huì)不斷下降，往往在發(fā)生破壞前，其強(qiáng)度就已降到不足以承受額定載荷的程度，因此，必須在疲勞使用過(guò)程中對(duì)制品的剛度進(jìn)行檢驗(yàn)，以掌握失效程度。靜剛度的損失率計(jì)算公式為：
ΔK=[(K2-K1)/K1]×100%
式中ΔK 為靜剛度損失率；K1、K2 分別為疲勞前后的靜剛度值。
1.2 制品變形量
蠕變是橡膠產(chǎn)品的特點(diǎn)，因此橡膠產(chǎn)品在使用過(guò)一段時(shí)間后，在其受力方向會(huì)產(chǎn)生永久變形，從而改變產(chǎn)品的部分尺寸。若產(chǎn)品的蠕變量過(guò)大將直接影響車輛的運(yùn)行安全，因此，為了確保整車高度的均衡性與安全性，必須對(duì)橡膠減振制品進(jìn)行疲勞試驗(yàn)后的自由高檢測(cè)。在不影響產(chǎn)品使用性能的前提下，任何橡膠產(chǎn)品都允許在有一定的永久變形的情況下繼續(xù)使用，但當(dāng)永久變形影響產(chǎn)品與其它部件的連接時(shí)，則應(yīng)采取措施，加以調(diào)整。比如火車一系金屬－橡膠復(fù)合錐形彈簧，當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生蠕變，產(chǎn)品的高度會(huì)下降。由于產(chǎn)品是用于機(jī)車車輛的一系懸掛，因此車體和車鉤的高度也會(huì)隨之下降，從而影響前后車輛的連接。對(duì)于此種情況，必須加調(diào)整墊片，以調(diào)整產(chǎn)品的高度。當(dāng)調(diào)整墊片不足以調(diào)整時(shí)，必須更換產(chǎn)品。
1.3 橡膠材料的溫升
橡膠材料的耐疲勞性能嚴(yán)重影響制品的疲勞壽命，而溫度過(guò)高是橡膠發(fā)生破壞的重要因素。溫升與載荷幅值、振動(dòng)頻率、膠料配方以及散熱條件等有關(guān)。有研究表明，對(duì)于橡膠材料，當(dāng) 表面溫升大于 20℃時(shí)，材料開(kāi)始破壞。
橡膠是導(dǎo)熱性差的材料，當(dāng)生成的熱量高于散發(fā)的熱量時(shí)，會(huì)使內(nèi)部的溫度上升，這種現(xiàn)象隨振動(dòng)頻率的加大而愈加嚴(yán)重。因此，大多數(shù)橡膠材料疲勞試驗(yàn)的頻率均控制在 0.5Hz 左右，但試驗(yàn)頻率應(yīng)取何值才能達(dá)到既節(jié)省時(shí)間又不會(huì)發(fā)生過(guò)高溫升，在橡膠減振制品試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中均無(wú)具體規(guī)定，需根據(jù)橡膠減振制品的使用場(chǎng)合、要求、經(jīng)試驗(yàn)方可確定。
三、國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展
國(guó)內(nèi)在壽命預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域，對(duì) 金屬類線性材料制品研究比較成熟，而 對(duì)橡膠或橡膠－金屬相結(jié)合的非線性類制品研究還剛起步。
目前，鐵道車輛用減振降噪部件的驗(yàn)收都是通過(guò)做程序載荷譜加載的疲勞試驗(yàn)來(lái)確定。如 TB/T2843-1997，TB/T2589-1995，TB/T2841-1997，GB/T13061-91 等標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗(yàn)方法。太原重型機(jī)械工程學(xué)院的孫大剛對(duì)大型履帶式拖拉機(jī)鏈輪橡膠減振器疲勞試驗(yàn)程序載荷譜進(jìn)行了研究 [1] 。該程序載荷譜的載荷分為 8 級(jí)，并把試驗(yàn)載荷按低-高-低的次序進(jìn)行排列，同時(shí)把總程序分成20 個(gè)子程序進(jìn)行循環(huán)，每 個(gè)子程序的循環(huán)次數(shù)為 105(總疲勞試驗(yàn)次數(shù)為2×106)。為了加快試驗(yàn)進(jìn)程，對(duì)試驗(yàn)程序進(jìn)行了提高試驗(yàn)頻率、加大載荷幅值的強(qiáng)化程序。較大載荷下(≥53KN)的振動(dòng)頻率為 0.5Hz，較小載荷下( <53KN)的 振動(dòng)頻率可以加快至( 1~3)Hz。當(dāng)把各級(jí)載荷均擴(kuò)大了 42%后，總疲勞次數(shù)為強(qiáng)化前的 1/10，即 2×10 5次，大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間。
總之，國(guó)內(nèi)在橡膠減振制品研制開(kāi)發(fā)方面的手段還比較落后，仍停留在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)階段。有 些制品的抗疲勞設(shè)計(jì)仍使用常規(guī)的無(wú)限壽命設(shè)計(jì)方法；有些制品只對(duì)可能的幾個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)或危險(xiǎn)截面使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核，以計(jì)算所得的安全系數(shù)不小于許用的安全系數(shù)作疲勞強(qiáng)度的判據(jù)，以通過(guò)程序加載的疲勞試驗(yàn)作為產(chǎn)品壽命合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果，有些通過(guò)了檢驗(yàn)的制品在使用過(guò)程中發(fā)生了疲勞失效，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。有些產(chǎn)品并未失效就根據(jù)維修規(guī)程早早的進(jìn)行了更換，未充分發(fā)揮產(chǎn)品的使用價(jià)值，造成了浪費(fèi)。這說(shuō)明常規(guī)的抗疲勞設(shè)計(jì)方法在產(chǎn)品的壽命估算和產(chǎn)品抗疲勞設(shè)計(jì)方面都存在不足。
