CRH2系列动车组车钩缓冲装置橡胶缓冲器失效分析

张晋伟　吴刚　杜利清

【摘 要】为研究CRH2系列动车组车钩缓冲装置橡胶缓冲器的失效原因，通过动载荷耐久试验和热老化试验对橡胶缓冲器的失效状态进行了再现。试验表明，老化因素是造成橡胶缓冲器失效的主要原因。本文的研究结果将为橡胶缓冲器的改进提供重要的研究依据。

【关键词】缓冲器；车钩缓冲装置；动车组

0 概述

CRH2系列动车组是国内的主力动车组车型之一，与其它动车组车型相比，其检修周期较短，返厂大修频次较高，给主机企业及配套厂家带来了较大的生产压力。若能通过技术改进延长动车组检修周期，将大大减轻生产企业的生产压力。

按照现有技术，延长CRH2系列动车组检修周期的最大障碍是其车钩缓冲装置必须在运行120万公里（约3年）后返厂分解更换橡胶缓冲器。因此，研究橡胶缓冲器失效原因，对延长橡胶缓冲器的使用寿命及CRH2系列动车组的检修周期有重要意义。

1 橡胶缓冲器功能

CRH2系列动车组车钩缓冲装置用于连接动车组车厢并吸收运行过程中车厢间的冲击能量，其中能量吸收元件即为橡胶缓冲器。每套车钩缓冲装置包含2组橡胶缓冲器，如图1所示，橡胶缓冲器1用于吸收拉伸方向的冲击能量，橡胶缓冲器2用于吸收压缩方向的冲击能量。

2 橡胶缓冲器失效原因分析

从橡胶缓冲器的检修情况看，现有橡胶缓冲器报废的主要原因是橡胶缓冲器在运行120万公里（约3年）后自由高度下降，超出其最低使用限度无法继续使用。橡胶缓冲器1和橡胶缓冲器2失效后自由高的统计平均值分别为152.4mm和212.2mm。

根据橡胶缓冲器的受力方式、应用环境及橡胶材料的特性，造成橡胶缓冲器自由高度下降可能的原因主要有两个方面，一是交变动态拉压载荷，二是环境因素造成的橡胶材料老化。为找到造成橡胶缓冲器自由高度下降的主要原因，在实验室环境下通过动载荷耐久试验和热老化试验分别模拟橡胶缓冲器受到的交变动态拉压载荷及由环境因素造成的橡胶材料老化。

2.1 动载荷耐久试验

动载荷耐久试验通过在实验室环境下模拟橡胶缓冲器的受力状态，并对其进行最大载荷连续加载，再现橡胶缓冲器运行120万公里后的劣化状态，以判断交变动态拉压载荷是否为造成橡胶缓冲器自由高度下降的最主要原因。

CRH2系列动车组车钩缓冲装置组装完成后的预压力约为60kN，在运行过程中实测的最大车钩力约为100kN。在橡胶缓冲器的动载荷耐久试验过程中，采用1Hz的频率对橡胶缓冲器进行500万次重复拉压加载，每完成100万次加载后将橡胶缓冲器拆下静置24h，测量并记录其自由高。当试验次数分别为0万次、100万次、200万次、300万次、400万次、500万次时，橡胶缓冲器1的自由高分别为168.38mm、165.18mm、164.99mm、164.52mm、163.23mm、163.20mm；橡胶缓冲器2的自由高分别为231.80mm、230.26mm、229.91mm、228.93mm、228.52mm、228.50mm。

根据试验结果，橡胶缓冲器在在耐久试验过程中自由高度有明显下降，但在加载300万次后，自由高度已趋于稳定，且高度远大于橡胶缓冲器失效后的统计平均值，未能再现橡胶缓冲器运行120万公里后的劣化状态。

因此，交变动态拉压载荷不是橡胶缓冲器失效的主要原因。

2.2 热老化试验

热老化试验通过在高温环境下模拟橡胶缓冲器的老化过程，记录橡胶缓冲器自由高度的变化倾向，利用阿伦尼乌斯方程推算橡胶缓冲器自由高度达到失效统计平均值所需时间，判断由环境因素造成的橡胶材料老化是否为橡胶缓冲器失效的主要原因。

橡胶缓冲器1和橡胶缓冲器2的结构和橡胶胶料完全相同，僅自由高不同，因此本试验选用使用量相对较大的橡胶缓冲器2作为研究对象。

根据橡胶缓冲器实际运用工况，热老化试验时将橡胶缓冲器2安装于试验工装，通过试验工装对其施加约60kN的预压力，然后整体静置于高温环境箱内进行试验。试验时分别将3组橡胶缓冲器2置于3个高温环境试验箱内，试验温度分别为50℃、70℃、100℃，试验时间约为1500h-2000h，在相同的时间间隔时将橡胶缓冲器取出静置24小时后测量并记录其自由高。

通过记录橡胶缓冲器2在各温度下高度变化数据，并用图表表示50℃、70℃、100℃情况下橡胶缓冲器2自由高与老化时间关系，利用阿伦尼乌斯方程推算出橡胶缓冲器2在常温（23℃）环境下自由高与老化时间的关系。根据阿伦尼乌斯方程推算结果，当橡胶缓冲器在常温（23℃）下达到212.2mm时，对应的时间约为3.1年，与橡胶缓冲器2的实际应用情况（约3年）相符，达到了胶缓冲器运行120万公里（约3年）后的劣化状态。

因此，由环境因素造成的橡胶材料老化是橡胶缓冲器失效的主要原因。

3 结论

随着国内高铁检修技术的发展，通过优化产品性能，进一步延长产品检修周期将是动车组车钩缓冲装置的发展方向之一。本文通过对CRH2系列动车组车钩缓冲装置橡胶缓冲器检修数据的统计，并采用动载荷耐久试验和热老化试验的方式对橡胶缓冲器失效原因进行验证。试验表明，橡胶缓冲器失效（自由高度下降超标）是动载荷和老化因素共同作用的结果，但老化因素是造成橡胶缓冲器自由高下降超标的主要原因。该研究结果将为后期橡胶缓冲器的改进提供重要依据。

【参考文献】

[1]暴长春.CRH2型动车组密接式车钩和缓冲器四级检修方案分析[J].设备管理与改造，2014（3）：50-51.

[2]欧阳素芳，王丽静.橡胶疲劳失效行为的研究进展[J].发展述评，2015（3）：5-10.

[责任编辑：朱丽娜]