CN106404531A - 一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用双参数模型，根据橡胶堆材料在实际使用环境下的状态确定拉伸强度和压缩永久变形参数的阈值，将橡胶试样分为加速老化组和常温老化组，设定橡胶堆材料的老化试验温度和试验周期，并对试验前后的材料拉伸强度和压缩永久变形值进行分析；得到各试验样品拉伸强度和压缩永久变形在不同温度下随试验周期变化的数学模型，根据数学模型，计算加速老化组达到拉伸强度和压缩永久变形参数的阈值所需时间，对应常温老化组的较短的时间即为轨道交通车辆橡胶堆材料寿命。本发明采用双参数预测，预测结果较准确，且简单易用，适宜推广使用。

Description

一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法

技术领域

本发明属于材料性能评价与预测技术领域，具体地说，涉及一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法。

背景技术

橡胶材料在轨道车辆上得到大量的应用，轨道车辆用橡胶材料具有密封、阻尼减震等功能，这些功能会由于橡胶材料的性能随时间老化而逐渐非常变化，对车辆系统的稳定性和可靠性提出了严峻的考验。针对轨道车辆用橡胶材料进行老化因素分析，对其寿命进行预测评估，这将为更好的发挥材料的性能，为材料的全周期管理提供坚实的保证。橡胶堆安装于各种车辆转向架与车体之间及转向架系统上的橡胶弹性定位、支撑和连接元件，具有很好的横向挠性，较大的垂直压缩特性和较小的横向剪切特性，主要用于机车悬挂，起减震和缓冲作用。

中国专利CN0102589976A《基于橡胶常温和高温应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测模型》，采用应力松弛测试装置，采集得到应力松弛数据与老化时间的关系及速率常数与老化温度之间的关系。利用逼近法和线性回归方法以及MATLAB编程软件，得到拟合模型方程中的各个系数，并根据相关方法判定线性回归效果。可在给定的温度和应力松弛临界值下确定橡胶寿命的预测值。但该方法仅能用来预测基于压缩永久变形单一参数的寿命估算模型橡胶材料预测。

中国专利CN102601881A《一种橡胶硬度的在线质量监控和预测模型更新的方法》，根据训练数据集构建硬度在线预测模型，并且计算报警线、警告限和选择限；将随变参数新样品输入硬度在线预测模型中，自动输出橡胶硬度值；该发明通过不断的对模型进行更新，从而得到精确的橡胶硬度值。该方法用于在线质量监控，其预测模型无法解决寿命预测问题。

中国专利CN104568603A《橡胶密封件使用说明的工况仿真预估方法》提出了一种橡胶密封件使用寿命的工况仿真预估方法。通过试验条件选取与试样制备，性能参数测试与曲线绘制，实现仿真高温加速测试与寿命预估。采用永久变形主曲线确定加速系数，用实际工况的加速试验确定失效时间。该发明仅能用来预测基于压缩永久变形单一参数的橡胶密封件寿命的预测。

专利申请号为201010298637.5的中国专利《一种预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法》发明了一种预测粘弹性材料振动疲劳性能的方法。该发明利用热机械分析仪的振动疲劳测试模块，获得粘弹性材料在特定温度、变形幅度以及变形方式下的多轮次振动疲劳下的力值、刚度、动态模量以及损耗因子等数据，研究粘弹性材料在上述条件下的长周期的性能变化规律。分析测试温度、变形幅度、振动疲劳周期等对粘弹性材料性能的影响规律，通过建立数学模型，预测粘弹性材料在实际环境下的振动疲劳特性，预测材料老化寿命。该方法仅能预测橡胶振动疲劳寿命。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明旨在提供一种采用双参数对轨道交通车辆橡胶堆进行寿命预测的方法，与现有技术相比，该方法使用双参数对比来选取适用于寿命预测的最佳参数，大大提高了预测的准确性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，包含如下步骤：

(1)根据要预测的轨道车辆橡胶堆材料的应用场合，确定正常使用条件下的温度下的拉伸强度和压缩永久变形；

根据上述确定的温度和性能参数，作为分析预测堆橡胶材料寿命的数学模型的重要参数。

(2)制备橡胶堆材料试验样品，分为加速老化组和常温老化组；

(3)在加速老化组试验中，对未经老化的橡胶堆材料进行步骤(1)所述拉伸强度和压缩永久变形参数性能测试；设置加速老化组的老化时间和老化温度，对橡胶堆材料进行老化，并对老化后的材料进行步骤(1)的拉伸强度和压缩永久变形参数测试；

(4)根据步骤(3)所述的性能测试，对拉伸强度和压缩永久变形参数进行线性拟合，分别得到拉伸强度和压缩永久变形参数与加速老化时间关系的数学模型；

根据加速老化组的试验数据，建立拉伸强度和压缩永久变形参数与加速老化时间关系的数学模型，为预测堆橡胶寿命做准备。

(5)在常温老化组试验中，对未经老化的橡胶堆材料按照步骤(3)所述拉伸强度和压缩永久变形参数进行性能测试；设置常温老化组的老化时间和老化温度，对橡胶堆材料进行老化，并对老化后的材料按照步骤(3)所述的拉伸强度和压缩永久变形参数参数进行性能测试；

(6)根据步骤(5)所述的性能测试，对拉伸强度和压缩永久变形参数的测试数据进行线性拟合，分别得到拉伸强度和压缩永久变形参数与常温老化时间关系的数学模型；

根据常温老化组的试验数据，建立加速老化组试验中拉伸强度和压缩永久变形参数与常温老化时间关系的数学模型，为预测堆橡胶寿命做准备。

(7)根据应用场合确定橡胶堆材料如步骤(3)所述的拉伸强度和压缩永久变形参数数值，将数值代入步骤(4)所述的数学模型，分别计算得出拉伸强度和压缩永久变形参数对应的加速老化时间，根据判定方法选择加速老化时间和其对应的性能参数；

(8)取步骤(7)所述经判定方法选择的加速老化时间和其对应的性能参数数值，代入步骤(6)所述的数学模型，计算得出常温老化时间，即为轨道车辆橡胶堆的寿命。

根据判定方法从加速老化数学模型中选择更能预测堆橡胶寿命的性能参数值，代入常温老化数学模型中，计算得出的时间即为该堆橡胶材料的预测寿命。

由于加速老化试验将试样处于相对极端的环境，因此在此环境下达到不同参数性能值需要的时间就会有所差异，相比选择加速老化时间较长的性能参数，选择加速老化时间最短的性能参数可以更好地体现堆橡胶材料的寿命。

本发明的进一步方案为：步骤(7)所述的性能参数数值与步骤(1)所述的正常使用条件下的性能参数数值相等。

本发明的进一步方案为：步骤(2)中所述加速老化组采用的加速老化方法为热空气加速老化试验。

加速老化试验可以在短时间内对堆橡胶材料进行性能表征测试，为材料寿命预测做出数据支持。

本发明的进一步方案为：步骤(2)中所述常温老化组采用的老化方法为将橡胶样品放置于常温条件进行长时间缓慢老化。

常温老化试验模拟了堆橡胶材料在工作状态下的情况，通过选择所建立的数学模型中的参数，可以预测材料的寿命。

本发明的进一步方案为：步骤(5)所述的老化温度与步骤(1)所述的正常使用条件下的温度相等。

本发明的进一步方案为：步骤(4)和步骤(6)所述的数学模型为一元一次线性回归方程，按0.05为显著性水平，采用F检验。。

一元一次线性回归方程便于理解操作，适合推广使用。

本发明的有益效果为：

(1)本发明的预测方法采用双参数预测，预测结果精度高；

(2)本发明的预测方法所采用的试验方法简单易行，适合对各种类型的轨道交通用橡胶堆材料进行试验；

(3)本发明的预测方法采用的数学模型构建方法简单，方便技术人员掌握使用。

具体实施方式

以下为本发明的具体实施方式，所述的实施例是为了进一步描述本发明，而不是限制本发明。

实施例

具体实施步骤如下所示：

(1)根据要预测的轨道车辆橡胶堆材料的应用场合，确定正常使用条件下的温度条件为25℃，选择的性能参数为表征受力状态的拉伸强度和压缩永久变形；

(2)制备橡胶堆材料试验样品，分为加速热空气老化组和常温老化组；

(3)在加速热空气老化组试验中，对未经老化的橡胶堆材料进行拉伸强度和压缩永久变形的性能测试；设置加速热空气老化组的老化时间为1天、2天、3天、7天、14天，老化温度为90℃，对橡胶堆材料进行老化，并对老化后的材料进行拉伸强度和压缩永久变形的性能测试，结果如表1和表2所示：

表1 90℃加速热空气老化后橡胶堆材料的拉伸强度

表2 90℃加速热空气老化前后橡胶堆材料的压缩永久变形数据

(4)根据步骤(3)所述的性能测试，对拉伸强度和25℃×70h压缩永久变形测试数据进行线性拟合，分别得到拉伸强度和25℃×70h压缩永久变形与加速热空气老化时间关系的数学模型：

y(90℃热空气加速老化拉伸强度，MPa)＝-0.441x(老化时间，天)+22.14

y(90℃热空气加速老化压缩永久变形，％)＝0.631x(老化时间，天)+18.95

(5)在常温老化组试验中，对未经老化的橡胶堆材料按照步骤(3)所述的拉伸强度和压缩永久变形的性能测试；设置常温老化组的老化时间为1个月、2个月、3个月、6个月、12个月、24个月，老化温度为25℃，对橡胶堆材料进行老化，并对老化后的材料按照步骤(3)所述的拉伸强度和压缩永久变形的性能测试，结果如表3和表4所示：

表3 25℃常温老化后橡胶堆材料的拉伸强度

25℃老化时间	0	1个月	2个月	3个月	6个月	12个月	24个月
								拉伸强度/MPa	21.6	21.5	20.14	20.02	19.01	16.88	15.98

表4 25℃常温老化前后橡胶堆材料的压缩永久变形数据

(6)根据步骤(5)所述的性能测试，对拉伸强度和25℃×70h压缩永久变形测试数据进行线性拟合，分别得到拉伸强度和25℃×70h压缩永久变形与常温老化时间关系的数学模型：

y(25℃老化拉伸强度，MPa)＝-0.237x(老化时间，月)+20.93

y(25℃老化压缩永久变形，％)＝0.239x(老化时间，月)+17.88

(7)根据应用场合，确定橡胶堆材料性能参数的指标阈值为25℃×70h压缩永久变形为25％和拉伸强度16MPa，分别从拉伸强度和压缩永久变形随90℃加速热空气老化时间变化的数学模型求解达到指标下限所需的时间，记录所需时间最小值和性能参数。

计算达到压缩永久变形25％时间为：6.45天

计算达到拉伸强度16MPa时间为：20.8天

最小时间为6.45天，参数指标为压缩永久变形。

(8)取步骤(7)经判断选择的最短加速热空气老化时间6.45天和其对应的性能参数压缩永久变形25％，代入步骤(6)所述的数学模型，计算得出常温老化时间为29.8个月，即为轨道车辆橡胶堆的寿命。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉本领域的技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，其特征在于，包含如下步骤：

(1)根据要预测的轨道车辆橡胶堆材料的应用场合，确定正常使用条件下的温度及拉伸强度和压缩永久变形参数的阈值；

(2)制备橡胶堆材料试验样品，分为加速老化组和常温老化组；

(3)在加速老化组试验中，对未经老化的橡胶堆材料进行步骤(1)所述拉伸强度和压缩永久变形性能测试；设置加速老化组的老化时间和老化温度，对橡胶堆材料进行老化，并对老化后的材料进行步骤(1)所述拉伸强度和压缩永久变形性能测试；

(4)根据步骤(3)所述的性能测试，对拉伸强度和压缩永久变形测试数据进行线性拟合，分别得到不同性能参数与加速老化时间关系的数学模型；

(5)在常温老化组试验中，对未经老化的橡胶堆材料按照步骤(3)所述的拉伸强度和压缩永久变形参数进行测试；设置常温老化组的老化时间和老化温度，对橡胶堆材料进行老化，并对老化后的材料按照步骤(3)所述的拉伸强度和压缩永久变形参数进行测试；

(6)根据步骤(5)所述的测试结果，对拉伸强度和压缩永久变形测试数据进行线性拟合，分别得到不同性能参数与常温老化时间关系的数学模型；

(7)根据应用场合确定橡胶堆材料拉伸强度和压缩永久变形阈值，将数值代入步骤(4)所述的数学模型，分别计算得出不同性能参数对应的加速老化时间，根据判定方法选择加速老化时间和其对应的性能参数；

(8)取步骤(7)所述经判定方法选择的加速老化时间和其对应的性能参数数值，代入步骤(6)所述的数学模型，计算得出常温老化时间，即为轨道车辆橡胶堆的寿命。

2.根据权利要求1所述的一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，其特征在于，步骤(7)和步骤(8)所述的判定方法为选择不同性能参数对应的最短的加速老化时间。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，其特征在于，步骤(1)所述的性能参数包括拉伸强度和压缩永久变形。

4.根据权利要求3所述的一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，其特征在于，步骤(7)所述的性能参数数值与步骤(1)所述的正常使用条件下的性能参数数值相等。

5.根据权利要求1或2任意一项所述的一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，其特征在于，步骤(2)中所述加速老化组采用的加速老化方法为热空气加速老化试验。

6.根据权利要求1或2任意一项所述的一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，其特征在于，步骤(2)中所述常温老化组采用的老化方法为将橡胶样品放置于常温条件进行长时间缓慢老化。

7.根据权利要求6所述的一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，其特征在于，步骤(5)所述的老化温度与步骤(1)所述的正常使用条件下的温度相等。

8.根据权利要求1所述的一种预测轨道交通车辆用橡胶堆材料寿命的方法，其特征在于，步骤(4)和步骤(6)所述的数学模型为一元一次线性回归方程，按0.05为显著性水平，采用F检验。