唐定全 劉柏兵 卜繼玲

(株洲時代新材料科技股份有限公司 湖南 株洲 412007)

隨著近年來鐵路運輸?shù)目焖侔l(fā)展，對于客運列車的安全舒適性要求逐步提高，高速動車組目前已普遍采用具有兩系懸掛系統(tǒng)的無搖枕轉(zhuǎn)向架，取代了傳統(tǒng)笨重的搖動臺機構(gòu)[1]。橡膠彈簧因具備低剛度、高彈性的特性，且可通過結(jié)構(gòu)的靈活設(shè)計實現(xiàn)垂向、橫向和縱向剛度的自由搭配，常用于滿足軌道車輛設(shè)計過程中各種不同結(jié)構(gòu)、功能的懸掛系統(tǒng)的開發(fā)[2]。

橡膠材料必須經(jīng)過硫化加工后才具備實用的物理機械性能，橡膠彈簧尺寸較大，在研發(fā)制造過程中由于缺乏科學(xué)的工藝設(shè)計手段，往往需要結(jié)合經(jīng)驗公式及試錯法進行多次試制，才能最終確定產(chǎn)品硫化工藝方案，導(dǎo)致產(chǎn)品研發(fā)成本較高，生產(chǎn)效率不高等問題。

下文以某型軌道車輛用橡膠彈簧為研究對象，對現(xiàn)有工藝方案進行分析研究，借助仿真技術(shù)對工藝方案進行分析與優(yōu)化，最終以產(chǎn)品垂向剛度試驗驗證優(yōu)化后的工藝方案，結(jié)果表明可以滿足產(chǎn)品設(shè)計要求，實現(xiàn)對產(chǎn)品硫化工藝的提升。

1 研究對象

以某型軌道車輛用橡膠彈簧為研究對象，該產(chǎn)品用于二系懸掛裝置的安裝和導(dǎo)向，安裝在構(gòu)架和車體之間，主要承受壓力和剪切負荷，支承、傳遞和隔離載荷，確保轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體之間的連接，滿足車輛的安全要求。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，如圖1所示，由上下兩層金屬隔板及中間橡膠體組成，最大外徑為320 mm，高為154 mm，產(chǎn)品垂向剛度設(shè)計要求為750×(1±20%) N/mm。

圖1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

2 現(xiàn)有工藝方案

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，其硫化模具設(shè)計如圖2所示，在模具上設(shè)有中間加熱圈，并同時由平板硫化機的上下加熱板提供熱源。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，上、中、下加熱源的設(shè)計溫度分別為165 ℃、134 ℃和145 ℃。參照傳統(tǒng)經(jīng)驗公式[3]T=T90+H×(S-6)+Tb(式中：T為硫化時間，T90為設(shè)定硫化溫度下的膠料正硫化時間，H為經(jīng)驗系數(shù)0.78，Tb是與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)溫度補償時間)，計算得到產(chǎn)品的硫化時間為180 min。

以計算得到的時間180 min作為第一模試制硫化時間，產(chǎn)品硫化結(jié)束出模后，剖開產(chǎn)品通過氣泡點法判定產(chǎn)品交聯(lián)程度。按照上述方法再依次進行170 min、160 min、150 min硫化時間的試制(見表1)，最終確定產(chǎn)品硫化時間為160 min。

橡膠材料是熱的不良導(dǎo)體，產(chǎn)品出模后冷卻速度較慢，同時又由于橡膠材料在高溫狀態(tài)下有軟化效應(yīng)存在，試制過程中工藝人員通常會在產(chǎn)品出模后迅速進行剖切，該方法雖可快速獲取產(chǎn)品內(nèi)部的硫化交聯(lián)程度，但卻不能充分考慮產(chǎn)品仍可利用自身預(yù)熱持續(xù)進行交聯(lián)反應(yīng)的后硫化效應(yīng)，且通過肉眼來觀測交聯(lián)程度誤差也較大。

圖2 模具設(shè)計示意圖

表1 氣泡點法

3 仿真計算及優(yōu)化

橡膠制品在模具內(nèi)部完成預(yù)成型后的加熱保壓硫化過程是一個熱源、模具、環(huán)境介質(zhì)和橡膠制品之間復(fù)雜的熱量傳遞過程，以及橡膠大分子間交聯(lián)反應(yīng)的化學(xué)過程。借助有限元分析可揭示橡膠制品硫化過程中的溫度傳遞情況以及交聯(lián)程度變化情況。

橡膠硫化過程中產(chǎn)品及模具間的熱量傳遞是一個非穩(wěn)態(tài)過程，其中橡膠材料在交聯(lián)反應(yīng)過程中還有內(nèi)生熱的產(chǎn)生，瞬態(tài)傳熱微分方程式如下，各個部位的溫度不僅是空間的函數(shù)，也是時間的函數(shù)[4]。

(1)

硫化程度是指膠料在特定溫度和時間條件下，橡膠大分子間所達到的交聯(lián)程度，是對膠料硫化狀態(tài)的一種表征。Deng-Isayev硫化動力學(xué)模型可用于定量描述硫化反應(yīng)程度與時間、溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，其本構(gòu)方程如下[5]：

(2)

(3)

在SigmaSoft軟件中建立產(chǎn)品及模具的有限元分析模型，完整地包含產(chǎn)品及上中下加熱源、注膠塞、上模、中模和底模等部件。

以現(xiàn)有工藝方案參數(shù)作為工藝邊界條件輸入至軟件中，得到產(chǎn)品硫化時間為160 min，硫化過程中產(chǎn)品及模具的溫度分布情況如圖3所示，金屬材料導(dǎo)熱特性較好，升溫速度較快，模具在被熱源加熱的同時還會以輻射及對流換熱的形式向周圍散熱，型腔內(nèi)表面硫化溫度穩(wěn)定在140.5 ℃～142.7 ℃左右；而橡膠材料導(dǎo)熱性能較差，經(jīng)160 min保壓加熱后，膠料中心區(qū)域溫度僅為130.0 ℃左右，產(chǎn)品中心區(qū)域與外表面溫差超過10 ℃。

圖3 現(xiàn)有工藝方案溫度場分析結(jié)果

從圖4產(chǎn)品硫化程度分析結(jié)果可以看出，經(jīng)160 min硫化后，膠料最低硫化程度為75%，出模后產(chǎn)品利用自身余熱持續(xù)進行交聯(lián)反應(yīng)，空氣冷卻1 h的硫化程度分析結(jié)果如圖5所示，膠料最低硫化程度可達99.7%；而此時膠料中心區(qū)域溫度仍還有126.9 ℃，如圖6所示。由此表明，產(chǎn)品硫化時間仍有優(yōu)化空間。

圖4 產(chǎn)品硫化結(jié)束時刻硫化程度結(jié)果

圖5 出模冷卻1 h產(chǎn)品硫化程度結(jié)果

圖6 出模冷卻1 h產(chǎn)品溫度場結(jié)果

在不改變其他工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計硫化時間為120 min、130 min、140 min、150 min，計算各個不同硫化時間的硫化程度。硫化結(jié)束時刻的最低硫化程度分別為8.7%、15.7%、28.9%、50.7%；而出?？绽? h后，各不同硫化時間的最低硫化程度分別為91.5%、96.4%、98.4%、99.4%。由以上可知，將產(chǎn)品硫化時間縮短至130 min，膠料最低硫化程度仍可達到96.4%，可滿足生產(chǎn)要求。

4 試驗驗證

按照相同工藝條件進行130 min的生產(chǎn)試制，產(chǎn)品硫化結(jié)束后開模取出產(chǎn)品，并立即實施橡膠膠體的剖切工作。從圖7的剖開結(jié)果可以看出，產(chǎn)品仍還存在局部區(qū)域硫化不熟，與仿真分析結(jié)果一致。而待產(chǎn)品完全冷卻后再剖開，產(chǎn)品已經(jīng)硫化完全。

圖7 出模后剖開實物圖

圖8 垂向剛度曲線

在18.5 kN垂向載荷作用下，得到硫化時間分別為130 min和160 min的兩個產(chǎn)品垂向剛度曲線(見圖8)，其5 kN～15 kN的剛度值分別為618.6 N/mm、654.5 N/mm，均在750×(1±20%)N/mm的設(shè)計要求范圍之內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

上文通過對橡膠彈簧現(xiàn)有工藝方案的研究及仿真分析優(yōu)化，使其硫化時間縮短30 min，且垂向剛度性能仍滿足設(shè)計要求，達到了降本增效的目的，實現(xiàn)了對產(chǎn)品硫化工藝性的提升。

厚橡膠制品是在一個變溫、不等溫的溫度環(huán)境下進行硫化，采用傳統(tǒng)設(shè)計方法難以準確設(shè)計工藝參數(shù)，文中基于SigmaSoft軟件的硫化工藝仿真可有效地揭示模具及產(chǎn)品在硫化過程中的溫度變化歷程及交聯(lián)程度隨溫度、時間的變化關(guān)系，可協(xié)助工藝設(shè)計師對任意結(jié)構(gòu)形式的產(chǎn)品進行快速準確的工藝設(shè)計，為軌道車輛橡膠彈性元件的工藝設(shè)計提供了一種新的參考思路。