机车二系悬挂系统橡胶垫粘结工艺研究
2020-09-10朱志勇张敬勋张万泉
朱志勇 张敬勋 张万泉
关键词：DOE;橡胶垫;粘结工艺;粘结强度
橡胶垫是机车二系悬挂系统中的重要组成部分，对机车减隔震、提高乘坐舒适性起到十分重要作用。二系悬挂橡胶垫在使用过程中，受到压缩与多向剪切应力，橡胶体与金属的粘结强度是橡胶垫发挥作用的决定性因素[1-3]。在实际生产过程中，胶粘剂的种类、厚度、金属表面结构等是影响粘结强度的主要因素。目前，橡胶垫的粘结强度影响了其使用寿命。因此，为了提高橡胶与金属粘结强度，采用DOE实验设计[4]的思想进行探究，以期得到更优化的粘结工艺，用于指导生产。
1 实验部分
1.1 原料与设备
①主要原料：胶黏剂，橡胶，金属，均为自制;②主要设备：开炼机，XK550，青岛环宇科技有限公司;橡胶硫化机，常州市第一橡塑设备有限公司;自动喷胶机，AJL.ZP40，苏州安捷伦精密机械有限公司;抛丸机，Q3730，青岛华盛泰抛丸机械有限公司;万能实验机，SHT4305，美特斯工业系统（中国）有限公司。
1.2 试样制备与数据测试
①试样的制备及实验步骤。利用开炼机制备了橡胶材料并进行硫化，利用自动抛丸机对金属表面进行处理，使用自动喷胶设备进行喷胶，然后进行粘结;②数据测试。粘结强度参照GB/T13936-92进行测定。
1.3 粘结工艺设计
经过分析，粘结工艺试验满足响应曲面设计的要求[4]，因此本文采用响应曲面法进行实验设计。
1.3.1 工艺参数分析与选择
影响橡胶与金属粘结强度的因素比较多，主要有橡胶材料、金属表面状况、胶黏剂种类、胶黏剂厚度等。经过实际的跟踪发现，采用相同的材料、相同的胶黏剂、以及相同的金属件时，其粘结强度差异也会比较大，因此粘结工艺对粘结强度影响比较大。生产中，胶黏剂一般采用底胶和面胶配合使用，二者总厚度约为40μm，底胶和面胶的厚度差可能会影响粘结强度。因此，选择底胶和面胶的厚度差和金属表面结构为研究对象，保持其他因素一致，进行实验。
1.3.2 工艺参数水平的确定
1.4 DOE实验设计
本实验通过minitab软件进行2因子实验设计，实验方案如表2所示。
本方案中，共有13组实验，按照表中的顺序依次进行实验。
2 结果与讨论
上述13组实验的粘结强度结果详见表3。表中数据可以看出，不同粘结工艺条件下，橡胶垫的粘结强度差异比较大。
2.1 响应曲面回归模型表达式
以粘结强度为响应值，利用DOE的方法进行，经拟合后的模型为：
式中：X1为厚度差;X2为钢丸尺寸。
P值为假设检验的概率值，可以表征项的显著性。表达式中各项的P值均为0.000，表明各项均显著，模型是有效的。调整后，R-Sq（调整）为99.82%，说明模型的回归效果比较好。
2.2 曲面图
从图1中可以看出，随着胶黏剂厚度差的减小和钢丸尺寸的下降，橡胶垫的粘结强度呈现上升趋势，并且在图片的左下角区域出现粘结强度的极大值。这就说明在胶黏剂厚度差越小，钢丸尺寸越小，粘结强度越大。这就为提高粘结强度指明了方向。
结合式（1）可知，2个影响因素中，胶黏剂的厚度差对粘结强度的影响比较大，钢丸尺寸次之。这是因为底胶和面胶之间会产生化学反应，如果厚度差异比较大，必然会使反应不充分，导致粘结强度较低，甚至与基体剥离。而钢丸尺寸影响了金属表面的粗糙度，相比而言，钢丸尺寸越小，则金属表面的粗糙度越大，有利于提高粘结强度。
2.3 实验优化
为提高粘结强度，使用优化工具进行优化，设置钢丸尺寸约束区间为0.6mm-1.0mm，可知当厚度差为0μm，钢丸尺寸为0.6mm时，其粘结强度最大，最大值为7.5MPa。
2.4 实验验证
按照优化的粘结工艺进行验证，实验数据见表4。
由表4可知，粘结强度实验值为7.4MPa，拟合值7.5MPa，二者相差0.1MPa，差异很小，说明该模型符合实际状况。
3 结论
本文选择底胶和面胶的厚度差和钢丸尺寸为实验变量，选择粘结强度为响应值，进行DOE实验设计，建立了粘结强度的预测模型，并经过试验验证了数据的可靠性和模型的合理性。结论如下：①粘结强度的大小与底胶和面胶的厚度差、钢丸尺寸呈负相关，其中底胶和面胶的厚度差的影响比较大，钢丸尺寸的影响次之;②经过优化，当底胶和面胶的厚度差为0μm，钢丸尺寸为0.5mm时粘结强度最高;③通过实际实验验证，当底胶和面胶的厚度差为0μm，钢丸尺寸为0.6mm时，粘结强度为7.4MPa，与预测值相差很小。
参考文献：
[1]李学民，王千士.橡胶与金属的粘结强度研究[J].广西輕工业，2007（10）：21-22.
[2]阳光武，肖守讷.螺旋圆弹簧加橡胶垫的横向刚度研究[J].铁道车辆，2013，51（9）：1-4.
[3]王铁英，辛亚军.隔振橡胶垫选择和优化软件开发[J].建筑结构，2009，39（12）：152-155.
[4]何桢.六西格玛管理[M].北京：中国人民大学出版社，2014.
