叠层橡胶弹簧表面微裂纹原因浅析

高晓鹏+蔺习英+郭世成

摘要：叠层橡胶弹簧是轨道交通转向架上固定减速传动装置用的核心弹性元件，通过对装车试运行过程中叠层橡胶弹簧表面出现的微裂纹原因分析，结合CAE仿真计算、工艺分析、试验验证等方法，找到其形成原因及改进措施，加速了叠层橡胶弹簧国产化进程，为轨道交通橡胶弹性元件研制提供借鉴和参考。

关键词：叠层橡胶弹簧、弹性元件、轴向刚度、强度分析

1 概述

1.1结构及工作原理

叠层橡胶弹簧是轨道交通转向架上固定减速传动装置用的核心弹性元件。外形为橡胶与金属钢板组成的实心圆柱体，中间嵌入金属薄片，金属薄片内有四个孔，轴向对齐，经高温高压多层橡胶和多层钢板交互堆叠硫化而成（见图1）。具有结构简单、重量轻、垂向挠度大、隔震效果好、承受载荷大等优点，

叠层橡胶弹簧装配时，经专用工装预压缩，一端通过C型支架配对安装固定在转向架上，另一端径向对称布置安装在轮对上的齿轮箱输入轴位置，将齿轮箱浮动支承固定在转向架上，并吸收通过轮对传递到齿轮箱的路面激励和振动，起良好的隔振和缓冲功能，能满足减速传动装置各种使用工况特性（见图2）。工作环境温度：-40～70℃。

1.2 裂纹现象描述

某高铁试验动车已在线试运行约6万公里，专项检查时，发现减速传动装置叠层橡胶弹簧橡胶层表面存在轴向轻微裂纹，且呈周向均匀分布（见图3）。

外观检查项目及结果：外观检查硬度、刚度、尺寸符合产品图纸设计要求；无腐蚀、无机械损伤，表面黑色 ，无变色。除橡胶表面周向均布微裂纹外，未发现其它异常。局部裂纹呈网状，轴向裂纹比较显著，裂纹分布量从轴向中间至两端逐渐减少，离薄金属板金件越近的橡胶部位永久变形量越大，裂纹分布越多；表面呈灰色，擦拭后显橡胶本色；橡胶有弹性。解体检查发现，裂纹出现在断面表层，内部无裂纹；裂纹深度最大0.5mm，裂纹长度最大5mm（见图4）。

2原因分析

2.1理论分析

2.1.1 轴向刚度拟合分析

叠层橡胶弹簧在实际工作中主要承受轴向压缩变形，根据试验边界条件，设置仿真边界结果，根据CAE分析计算结果，提取参考点支反力，绘制刚度曲线，并与试验结果进行拟合对比，评估其轴向压缩刚度。

从图中可以看出，试验刚度与仿真刚度最大误差小于15%。仿真结果具有较高的可信度。

2.1.2 强度分析

（1）材料参数

叠层橡胶弹簧采用橡胶与金属板硫化成型，在轴向强迫压缩至极限位移11.5mm工况下，分析其结构的刚强度。分析中使用的材料参数及应用范围如下表。

（2）CAE分析过程（见图7、8、9）

（3）CAE分析结果

根据冯.米塞斯屈服准则，从有限元计算结果与试验结果对比分析得出：叠层橡胶弹簧在极限工况条件下安全系数足够，设计刚度合理，完全能满足使用工况要求。对于如此高安全系数的产品，其安全可靠度较高，在30万公里运行试验里程内，因浅表微裂纹导致其断裂的风险较小。

2.1.3 工作受力分析

从其工作受力状态分析，叠层橡胶弹簧工作时，表面呈鼓形，表明工作主要是受压，压应力较显著传递到表面，形成轴向裂纹。另该产品为实心体结构，从其内部释放应力能力较差，实心体助长内应力向外表传递，在外表面周向形成单向拉应力导致开裂，在垂向交变高负荷作用下，橡胶表面应力过大也可能导致裂纹，单向拉应力在外表氧化环境中，容易助长橡胶老化，降低弹性而开裂。可加速表面开裂。

2.2制造原因分析

2.2.1 工艺流程

叠层橡胶弹簧制作主要工艺流程如下图所示：

其中，胶料配比和硫化工艺是其制作过程控制的关键工序。

2.2.2胶料

按叠层橡胶弹簧的使用功能和性能指标要求制定胶料配方，主材质为单一的普通天然胶。其裂纹外观表象特征为浅表网状（轴向更显著）龟裂；表面硬化，失去弹性；脆化后掉渣易脆落；从裂纹外观表象特征分析，橡胶材料抗老化差， 使用受热过速氧化，橡胶老化是早期失效主因。

2.2.3硫化工艺

硫化工艺参数：模具温度 155℃；硫化时间 1800S；橡胶邵氏硬度70±5。硫化过程中可能会因局部应力过大，橡胶硬度较高，工作时处于压缩状态，表面会鼓起，表面橡胶内部受挤压应力增大，会加速表面橡胶老化、出现微裂纹现象。

2.3 改进措施

（1）采用高品质美国进口烟片胶和进口三元乙丙胶混合使用，在原配方的基础上调整NR与EPDM的并用配比，提高EPDM占比（因EPDM耐热性优于NR）。通过调整材料配方和比例，适当降低邵氏硬度到65～68；加入耐热性助剂，提高其耐候性、抗高低温性能；

（2）通过调整材料配方，多次试验优化胶料配方，增加防老剂的用量，提高抗老化性能；

（3）通过硫变试验多次调整硫化参数。如采取降低注塑温度，加大注塑口，减小注塑压力等措施， 实现工艺参数优化。

（4）减小动静刚度比，降低胶料发热，采用进口粘合剂提高橡胶与金属骨架的粘合强度，来提升产品抗疲劳寿命性能。

2.4产品验证

（1）验证方法：实施相应改进措施，重新试制合格样品，经原材料基本性能检测、电阻测试、蠕变试验、极限压缩试验、动静刚度试验、剪切刚度试验、高低温性能试验后、定制专用试验工装，输入150%超载负荷、模拟实际运行工况進行台架疲劳试验验证。

（2）验证结果：经过300万次台架疲劳试验验证，橡胶表面无微裂纹产生。

3 结论

（1）叠层橡胶弹簧由于胶料配比失衡、硫化工艺参数控制不当及工作时实心结构承受交变载荷，压应力释放等原因产生浅表微裂纹；

（2）利用CAE仿真刚强度分析、优化工艺参数、产品台架验证等方法，实施相应的改进措施，有效提高了产品质量，满足了用户装车使用要求。

参考文献

[1] 叠层橡胶弹簧刚强度分析报告[R]，中国汽车工程研究院股份有限公司. 2014-09-12 何章涛

[2.] 胶堆设计分析报告[R]，中国汽车工程研究院股份有限公司 2012-12-10韩鹏endprint