叠层橡胶弹簧表面微裂纹原因浅析

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1、叠层橡胶弹簧表面微裂纹原因浅析高晓鹏蔺习英郭世成重庆轨道交通集团有限公司车工程研宄院股份有限公司重庆市轨道交通（集团）有限公司摘要：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而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

2、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闘柱体，屮间嵌入金属薄片，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（见阁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

3、性（见图2）。工作环境温度：-40〜70°Co图1结构简图下载原图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，丑呈周向均匀分布（见图3）。图3裂纹分布形状及位罝下载原图图4解体橡胶断而下载原图外观检奔项目及结果:外观检斉硬度、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

4、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（见阁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耍承受轴向压缩变形，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。图6拟合曲线下载原图从图中可以看出，试验刚度与仿真刚度最大误差小于15%。仿真结果具

5、冇较高的可信度。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。2.1.3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

6、表氧化环境屮，容易助长橡胶老化，降低弹性而开裂。可加速表面开裂。(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耍求。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。图8橡胶件最大vonmiss应力下载原图图7整体最大vonmiss应力下载原图图9钢件最大vonmiss应力下载原图2.2制造原因分

7、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:图10工艺流程简图下载原图其中，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°C;硫化时间1800S;橡胶邵氏硬度70±5。硫化过程屮

8、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)釆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飞8;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；(