城轨车辆用空气弹簧寿命及性能评估方法研究

樊云杰，张晓鹏，蔺 高，马宗斌，宋红光

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111；2.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

为减小因空气弹簧提前报废造成的经济损失，迫切需要研究一种城轨车辆空气弹簧寿命的评估方法，对理论寿命至检修时间节点之间的空气弹簧性能进行评估，从而使空气弹簧的运用风险可控。但是目前针对车辆运用状态下的空气弹簧实际使用寿命方面的研究尚未见诸报道。

针对上述问题，本文提出了一种城轨车辆用空气弹簧寿命评估方法，从空气弹簧性能及橡胶材料性能入手，对运用不同时间的空气弹簧性能进行测试对比，并对橡胶材料进行取样，通过人工加速老化试验，评估橡胶材料物理性能的老化度，从而为合理评判空气弹簧使用性能提供参考。

1 评估方法

空气弹簧为轨道车辆转向架上悬挂系统的关键部件，具有支撑车体、吸收振动的功能，其起主要作用的是气囊，气囊由外层橡胶、帘线层和内层橡胶构成[1]。在外界紫外线或交变应力等的作用下，气囊橡胶会发生老化，进而影响空气弹簧的使用寿命。

橡胶老化影响空气弹簧使用寿命主要表现在以下2个方面：橡胶老化会对气囊的承载力和缓冲特性造成影响，从而使空气弹簧的整体性能下降，造成车辆的平稳性和舒适性降低；橡胶老化会使气囊的橡胶表面形成裂纹，在持续运用过程中，裂纹可能会逐步扩展，导致气囊无法使用，从而影响空气弹簧的使用寿命。因此本文从上述两方面出发，分别对空气弹簧性能和橡胶材料性能进行测试，根据不同运用时间的测试数据及变化趋势，评估未来的空气弹簧性能和橡胶材料性能，以此作为评判空气弹簧是否可将寿命延长至实际检修周期的标准。

1.1 空气弹簧性能评估方法

空气弹簧垂向刚度和横向刚度是影响车辆平稳性和舒适性的主要指标，因此本文对空气弹簧性能的评估以这2个指标作为研究目标。

假设某使用年限为t的空气弹簧垂向刚度为KV(t)，根据不同使用年限的空气弹簧垂向刚度和横向刚度测试数据(图1、图2)，可以发现，空气弹簧垂向刚度和横向刚度随使用年限的变化趋势是线性的，因此可采用一元线性回归分析方法计算回归系数A、B，得到空气弹簧垂向刚度KV(t)同使用年限t之间的关系为：

KV(t)=A·t+B

(1)

同样计算回归系数C、D，得到空气弹簧横向刚度KL(t)同使用年限t之间的关系为：

KL(t)=C·t+D

(2)

根据式(1)和式(2)，计算使用年限为tn时的空气弹簧垂向刚度KV(tn)和横向刚度KL(tn)。

图1 空气弹簧垂向刚度随使用年限的变化趋势

图2 空气弹簧横向刚度随使用年限的变化趋势

1.2 橡胶材料性能评估方法

通过热空气老化测定橡胶的基本物理机械性能随时间的变化情况，以及达到指定临界值所用的时间，并利用阿累尼乌斯方程推算橡胶的寿命[2]。

橡胶老化时间与化学反应的关系可以用阿累尼乌斯方程表示：

K(T)=A·e-E/RT

(3)

式中：K(T)——反应速率常数；

A——指数因数；

T——热力学温度，K；

E——活化能，J/mol；

R——摩尔气体常数，8.314 J/(mol·K)。

化学反应关系以式(4)表示：

Fx(t′)=K(T)·t′

(4)

式中：Fx(t′)——反应关系的函数；

t′——老化时间，min。

由式(3)和式(4)可知，橡胶老化时间的对数logt′与热力学温度的倒数1/T呈阿累尼乌斯曲线的关系[3]。在主要的老化反应相同的温度范围内，活化能是常数，因此可以通过外推法求出橡胶试样在某一温度下的性能达到指定老化程度时所需要的时间[4-10]。本文选取橡胶试样的拉断伸长率性能来表征橡胶材料的老化程度，临界值选取为原始性能值的50%。

2 某城轨车辆空气弹簧寿命及性能评估

以某城轨车辆空气弹簧为例，使用本文提出的寿命评估方法对其寿命进行评估。该城轨车辆空气弹簧理论寿命为8年，而实际车辆分解检修时间为10年。为避免将空气弹簧提前报废造成经济损失，需要对理论寿命至检修时间节点之间的空气弹簧性能进行评估，选取的试验样件如下：2个新品空气弹簧，8个运用时间为5年的空气弹簧。

2.1 空气弹簧性能试验结果

2.1.1 垂向刚度试验结果

空气弹簧垂向刚度试验结果见表1。由表1可以看出，相比新品空气弹簧，运用5年后的空气弹簧在同一载荷下的垂向刚度均有所增大，分别增大3.69%、1.85%和0.48%，但均在要求范围内。采用一元线性回归分析计算得出该空气弹簧继续运用至10年时的垂向刚度预测值均在要求范围内。

2.1.2 横向刚度试验结果

空气弹簧横向刚度试验结果见表2。由表2可以看出，相比新品空气弹簧，运用5年后的空气弹簧在同一载荷下的横向刚度均有所减小，分别减小6.40%、14.74%和14.90%。采用一元线性回归分析计算得出该空气弹簧继续运用至10年时的横向刚度预测值均在要求范围内。

表1 空气弹簧垂向刚度试验结果 N/mm

表2 空气弹簧横向刚度试验结果 N/mm

2.2 橡胶材料性能测试结果

从新品空气弹簧气囊外层橡胶上取样，测试其物理机械性能。新品橡胶拉断伸长率为600%，临界值为300%。

测试在3种热力学温度(363 K、383 K和403 K)下，新品空气弹簧气囊外层橡胶拉断伸长率随老化时间的变化，直至拉断伸长率达到临界值，测试结果如图3所示。

图3 在不同热力学温度下橡胶拉断伸长率随老化时间的变化

从图3可以看出，在3种热力学温度下，橡胶拉断伸长率随着老化时间的延长而下降，热力学温度越高，达到临界拉断伸长率的时间越短。在363 K、383 K和403 K老化条件下，橡胶拉断伸长率达到临界值300%对应的老化时间分别约为500 h、80 h和35 h。

对橡胶热力学温度T取倒数，对达到拉断伸长率临界值的时间t′取对数，两者与热力学温度的关系见表3。

表3 logt′、1/T与T的关系

将表3中的logt′与1/T进行线性拟合，得到拟合曲线如图4所示。

图4 logt′与1/T线性拟合图

从图4可得到线性拟合公式为：y=4 238.4x-9.037 6。温度取25 ℃，将其代入拟合公式，得到老化时间为153 185.9 h，即17.5年，超过了10年的寿命期。

3 结论

(1) 本文以某型城市轨道交通车辆为例，测试了新品空气弹簧和运用5年的空气弹簧性能及橡胶材料性能，提出了一种空气弹簧寿命及性能的评估方法，并对空气弹簧使用至10年时的性能进行了预测。结果表明，空气弹簧运用至10年的性能无较大变化，对车辆使用无影响，但因受应力或紫外线等的影响，空气弹簧气囊外层橡胶材料的物理性能有显著的老化，预测运用至17.5年，该空气弹簧气囊外层性能将下降到原始值的50%。

(2) 目前橡胶产品寿命预测尚无准确的模型，且由于缺乏空气弹簧生产厂家胶料设计性能、老化性能等核心技术指标，上述方法是基于空气弹簧整体性能及橡胶材料性能的试验拟合预测方法，以保证使用性能、控制风险最小为准则，为空气弹簧剩余寿命评估提供了参考，具有一定的积极意义。