橡膠減振制品同時具有承載和緩和沖擊的作用，由于體積小、重量輕、免維護等優(yōu)點，故可以取代傳統(tǒng)的金屬彈簧和摩擦阻尼裝置。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)則和疲勞試驗在使用壽命預(yù)測中的應(yīng)用，以及國內(nèi)外在橡膠減振制品壽命預(yù)測方面的研究進展。
一、國外研究進展
近年來，國外發(fā)達(dá)國家對橡膠減振制品的強度設(shè)計已由依據(jù)靜強度和無限壽命設(shè)計發(fā)展到了定量壽命設(shè)計，抗 疲勞設(shè)計中使用了“一體化耐久管理”的方法，疲勞試驗已經(jīng)采用隨機載荷譜或道路譜加載進行。因為，用程序載荷譜加載的疲勞試驗一般只能夠?qū)Ξa(chǎn)品進行合格檢驗或產(chǎn)品的性能對比，不能夠真正用于研究產(chǎn)品的壽命。采 用隨機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構(gòu)件壽命的影響。能夠較為真實的模擬構(gòu)件所承受的載荷,使所得的試驗壽命能夠真實地反映運行壽命 [7，8] 。由于不能直接采集到制品的隨機載荷譜，只能采集到制品上某些點的應(yīng)變譜，所以，現(xiàn)代的疲勞試驗控制系統(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，國外可以對采集的應(yīng)變譜進行編輯，使編輯前后的信號產(chǎn)生的損傷分布基本一致，即真實的反映了使用壽命，又縮短了疲勞試驗時間。而國內(nèi)大多數(shù)的疲勞試驗還采用程序載荷譜，即使有的采用了道路譜，也不能合理的進行編輯，只是用線形放大載荷信號或者用“等效”的常幅載荷信號來加載疲勞試驗的做法，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和噪聲、沖擊剛度大于動剛度和靜剛度以及體積小、重量輕、免維護等優(yōu)點，故可以取代傳統(tǒng)金屬彈簧和摩擦阻尼裝置。國外此類產(chǎn)品的應(yīng)用非常廣泛，但在國內(nèi)還處于引進與仿制階段。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際使用條件下對實物進行評價，但這需要較長的試驗時間和昂貴的費用。目前，預(yù)測橡膠減振制品疲勞壽命方法有虛擬分析和疲勞試驗，而使用軟件來仿真計算產(chǎn)品的使用壽命，并不能代替疲勞試驗，產(chǎn)品疲勞可靠性最終要通過疲勞試驗來檢驗。因此，如何準(zhǔn)確的通過疲勞試驗來預(yù)測橡膠減振制品的疲勞壽命，對于縮短產(chǎn)品開發(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為在循環(huán)次數(shù)超過10 7 次后，曲線也并不一定水平，所以，疲勞試驗并不要求制品直到疲勞破壞時才終止試驗，即當(dāng)試驗進行到一定次數(shù)后，對制品進行性能檢驗，如滿足要求，即認(rèn)為壽命達(dá)到設(shè)計要求。橡膠材料的彈性模量在使用過程中會不斷下降，往往在發(fā)生破壞前，其強度就已降到不足以承受額定載荷的程度，因此，必須在疲勞使用過程中對制品的剛度進行檢驗，以掌握失效程度。靜剛度的損失率計算公式為：
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，因此橡膠產(chǎn)品在使用過一段時間后，在其受力方向會產(chǎn)生永久變形，從而改變產(chǎn)品的部分尺寸。若產(chǎn)品的蠕變量過大將直接影響車輛的運行安全，因此，為了確保整車高度的均衡性與安全性，必須對橡膠減振制品進行疲勞試驗后的自由高檢測。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，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)品的高度會下降。由于產(chǎn)品是用于機車車輛的一系懸掛，因此車體和車鉤的高度也會隨之下降，從而影響前后車輛的連接。對于此種情況，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，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，而溫度過高是橡膠發(fā)生破壞的重要因素。溫升與載荷幅值、振動頻率、膠料配方以及散熱條件等有關(guān)。有研究表明，對于橡膠材料，當(dāng) 表面溫升大于 20℃時，材料開始破壞。
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，會使內(nèi)部的溫度上升，這種現(xiàn)象隨振動頻率的加大而愈加嚴(yán)重。因此，大多數(shù)橡膠材料疲勞試驗的頻率均控制在 0.5Hz 左右，但試驗頻率應(yīng)取何值才能達(dá)到既節(jié)省時間又不會發(fā)生過高溫升，在橡膠減振制品試驗標(biāo)準(zhǔn)中均無具體規(guī)定，需根據(jù)橡膠減振制品的使用場合、要求、經(jīng)試驗方可確定。
三、國內(nèi)研究進展
國內(nèi)在壽命預(yù)測研究領(lǐng)域，對 金屬類線性材料制品研究比較成熟，而 對橡膠或橡膠－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收都是通過做程序載荷譜加載的疲勞試驗來確定。如 TB/T2843-1997，TB/T2589-1995，TB/T2841-1997，GB/T13061-91 等標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗方法。太原重型機械工程學(xué)院的孫大剛對大型履帶式拖拉機鏈輪橡膠減振器疲勞試驗程序載荷譜進行了研究 [1] 。該程序載荷譜的載荷分為 8 級，并把試驗載荷按低-高-低的次序進行排列，同時把總程序分成20 個子程序進行循環(huán)，每 個子程序的循環(huán)次數(shù)為 105(總疲勞試驗次數(shù)為2×106)。為了加快試驗進程，對試驗程序進行了提高試驗頻率、加大載荷幅值的強化程序。較大載荷下(≥53KN)的振動頻率為 0.5Hz，較小載荷下( <53KN)的 振動頻率可以加快至( 1~3)Hz。當(dāng)把各級載荷均擴大了 42%后，總疲勞次數(shù)為強化前的 1/10，即 2×10 5次，大大縮短了試驗時間。
總之，國內(nèi)在橡膠減振制品研制開發(fā)方面的手段還比較落后，仍停留在經(jīng)驗設(shè)計和靜強度設(shè)計階段。有 些制品的抗疲勞設(shè)計仍使用常規(guī)的無限壽命設(shè)計方法；有些制品只對可能的幾個危險點或危險截面使用經(jīng)驗公式進行疲勞強度校核，以計算所得的安全系數(shù)不小于許用的安全系數(shù)作疲勞強度的判據(jù)，以通過程序加載的疲勞試驗作為產(chǎn)品壽命合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果，有些通過了檢驗的制品在使用過程中發(fā)生了疲勞失效，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。有些產(chǎn)品并未失效就根據(jù)維修規(guī)程早早的進行了更換，未充分發(fā)揮產(chǎn)品的使用價值，造成了浪費。這說明常規(guī)的抗疲勞設(shè)計方法在產(chǎn)品的壽命估算和產(chǎn)品抗疲勞設(shè)計方面都存在不足。
