对某型车橡胶金属件生命周期的研究

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，人们的生活水平有了很大提高，特别是一些大城市已经开始向现代化的水平发展，对环保的要求也越来越高。与此同时，钢铁的生产将对大气带来严重影响，炼钢会带来大量的粉尘、烟尘以及有毒气体[1]。然而，我国对钢铁的需求仍然十分渴望，如何处理好钢铁的持续供给和环保水平是许多大城市的普遍问题[2]。我国铁道车辆经过数十年的风雨里程，迎来了迅速发展时期，预计到2020年，我国总设计高速客运专线就将达到1.2万km以上，同时城际轨道交通规模也将达到7000 km以上，这也就意味着需要更多的车辆部署，同时也带来了检修车辆数量的激增[3]，对车辆零部件的检修也将随之增加。目前很大一部分金属零件在检修时随其它部件一同报废，造成很大的浪费，不仅是对能源的浪费，还有对大气的污染以及对土壤的损坏。尽管我们采取适当的措施，例如优化配矿、合理配料[4]、应用高温太阳能[5]等方法，可以减少对能源的浪费和大气的污染，但是浪费和污染依旧存在。

基于前述背景，本文研究了如何较有成效地杜绝不必要的浪费与污染，即对橡胶金属件的生命周期进行仔细研究。文章介绍了某型车橡胶金属件的种类，研究现有橡胶金属件的使用现状，结合理论知识、有限元计算和试验验证，得出橡胶金属件的生命周期规律，让金属部件能够充分发挥其功能和价值的同时，还减少了对环境的污染以及能源的浪费，为社会做出一定的贡献。

1 研究橡胶金属件生命周期的必要性

本文研究的橡胶金属件主要是指铁道车辆某型车减震降噪产品中的橡胶金属件，例如球铰、橡胶减震垫、道岔垫板等橡胶金属件，该类橡胶金属件包含橡胶部分和金属件部分，橡胶部分由于疲劳老化等问题，使用寿命不会太长，而其中的金属件由于橡胶部分的包裹而保护良好，且承受的载荷强度远小于其屈服强度，存在研究其生命周期的价值。

新造铁件过程繁琐，包括成型、加工、热处理等诸多环节，而且每一个环节都需要消耗大量的能源，同时给环境带来危害；而对于企业，也需要花费较大的成本，导致利润减少。另一方面，通过研究橡胶金属件的生命周期规律性，使其金属件在性能上满足产品要求的前提下，继续发挥作用，且具有较大的发展潜力和应用前景。本文研究的这类橡胶金属件在使用8年（左右）即将进行更换，而其金属件的使用寿命难道只有8年？带着这种问题，我们对其进行了研究。

2 橡胶金属件生命周期的研究方法

对于铁道车辆某型车金属件检修产品，其检修周期为6~8年，即每6~8年，该橡胶金属件就需要更换，在此过程中，橡胶部分由于各种原因（老化、疲劳、裂纹、鼓泡），已经达到其使用寿命，但金属件是否达到了使用寿命，需要进行研究。为了检查金属件产品的生命周期，本文采取了以下几个方法来进行分析。

1）尺寸测量。对于铁道车辆某型车零部件而言，尺寸是能否保证产品顺利正确安装的关键，在零件使用过程中，难免会有磕碰、锈蚀、腐蚀等情况，造成对产品尺寸的破坏，因此，对产品尺寸的测量必须严格控制。在测量产品尺寸时，一般会用到各种测量工具，例如游标卡尺、高度尺、角度尺、内径千分尺、外径千分尺等，来保证测量的准确性；对于产品的尺寸，通常又分为外形尺寸、装配尺寸等，而影响安装最直接的是装配尺寸，因此对装配尺寸必须做到100的测量，只有符合装配尺寸要求的才能流入下一道工序，而对于其他外形尺寸，由于产品使用过程中的磕碰、划伤等，不可避免地会有所损伤，在不影响产品强度的前提下，可以适当放宽要求；或者将其加工成尺寸更小的产品。

2）无损检测。无损检测是在不破坏产品的前提下，对产品进行检测的方法，常用的无损检测方法很多，例如射线探伤、超声波探伤、红外线探伤、磁粉探伤、涡流探伤[6]、着色检测[7]等。在本文研究的产品中，用到的无损检测主要是磁粉探伤和超声波探伤。

a.磁粉探伤检测。磁粉探伤是对铁磁性工件进行表面质量检验的有效手段，其原理是通过对被检工件施加磁场使其磁化（整体磁化或局部磁化），在工件的表面和近表面缺陷处将有磁力线逸出工件表面而形成漏磁场，有磁极的存在就能吸附施加在工件表面上的磁粉形成聚集磁痕，从而显示出缺陷的存在[8]。从原理上不难看出，磁粉探伤仅适用于检测铁磁性材料表面和近表面的缺陷，因此对那些非铁磁性材料以及埋藏较深的缺陷难以发现。但是磁粉探伤仍然具有众多优点，例如能直观地显示出缺陷的位置、形状和大小，检测速度快、工艺简单、成本低、污染少，灵敏度高、可检测微米级宽的缺陷。因此，在对金属件进行质量确认时，通常采用磁粉探伤方法来检测其表面质量。具体检测标准因产品种类不同而不同。

b.超声波探伤检测。超声波是超声振动在各种介质中的传播，它的实质是以波动形式在弹性介质中传播的机械振动，一般其振动频率在20 kHz以上。较高频率用于细晶材料和高灵敏度检测。超声波的指向性比较好，且传播能量大，对各种材料的穿透力强，设备轻巧、成本低廉、对人体无害，可即时得到探伤结果，因此应用广泛[9]。从超声波的特点可以看出，其可以检测埋藏较深的缺陷。由于超声波指向性比较好，因此通常又分为纵波和横波，两者相辅相成，可以检测出各个方向的缺陷，从而保证探伤的质量。通常情况下，当采用横波探伤时，一旦发现缺陷，金属件将予以报废。具体情况视产品要求及供需双方协议而定。采用磁粉探伤和超声波探伤两者相结合的方式，能够对工件进行较全面的检测，表面和内部质量均能得到较好的控制，因此，二者缺一不可，在对金属件的检测过程中，必须同时采用，除特殊情况外。

3）有限元分析计算。有限元分析是一种在理论上分析产品受力情况的方法，有限元分析软件很多，这里以ABQUS和Fe-safe为例，来阐述有限元分析对金属件生命周期的重要性。ABQUS是功能强大的有限元计算分析软件，可以分析复杂的固体力学和结构力学系统，模拟非常庞大复杂的模型，处理高度非线性问题[10]。利用该分析软件，可以较容易地得到产品在工作载荷及极限载荷下的应力分布、变形分布等有效数据结果，从而一方面可以给我们的设计提供帮助，另一方面可以提供产品的受力状态，让我们对产品的关键部位进行性能测试，来检验继续使用金属件的性能是否合格。

图1 磁粉探伤

图2 有限元分析计算——应力分布图

Fe-safe软件是专门进行设计和疲劳耐久性分析的软件，功能全面，算法先进，在多轴疲劳分析领域一直保持技术领先。不论是基于有限元分析计算结果，还是基于测试应力和应变信号，Fe-safe软件都有相应算法对其进行结构疲劳分析[11]。利用该软件，可以分析计算产品在工作载荷下循环N次之后的应力状态及其产生缺陷与否的判定，从而给出其疲劳寿命值以及在该工作载荷下可以利用的次数。这无疑在理论上给出了金属件生命周期的可靠性。

结合ABQUS和Fe-safe软件的有限元分析计算，以及后续的性能检测，可以对金属件的生命周期进行严格的判定。

4）成分及性能检测。对零件成分和性能检测，均属于破坏性试验，因此通常采用抽检，抽检比例由供需双方协商定义。

a.成分检测。产品的成分是保证其性能的前提，尤其是部分采用表面处理过的产品，例如表面渗碳、表面渗硼等，这类产品的表面性能均是通过改变表面成分来实现的，因此，对成分的检验至关重要。

b.性能检测。性能检测均为本体取样，取样部位视产品受力情况而定，通常选取受力较为严重的区域，这样可以保证其他区域的可靠性。性能是衡量产品能否满足要求的关键因素，必须严格执行。性能检测包括拉伸性能（屈服强度、抗拉强度、伸长率、断面收缩率）、冲击性能（冲击吸收功、剪切断面率百分比）、硬度。通常硬度和拉伸性能是必检项，冲击性能视产品要求而定。对于每一种性能测试，都应当选择适当的国家标准作为衡量依据，而且应当结合产品的受力情况，屈服点应当远大于产品工作时的极限应力，留有较大的安全系数。

如果性能检测结果低于产品工作时的极限应力，则应当增加抽检比例，如果结果仍然较低，则该批金属件由于外在因素，已达到其使用寿命。性能是保证产品质量的关键，因此不能通过降级处理来延长产品的生命周期。

5）产品性能及疲劳试验，对产品本身进行试验，包括模拟工况下产品的疲劳试验。进行这一项检验，主要目的在于验证有限元分析结果的准确性及产品的实际使用寿命，使金属件得到更加可靠的验证，更具有说服力。

以上检验项点可以根据产品具体情况而定，但必须保证检测的准确性和可靠性。通过这类检测的检验，金属件的各项性能指标能够得到技术上的确定，保证了继续使用的安全性。同时，为了更好地完善产品，应当不断地从检修的过程当中总结经验教训，积累知识，逐渐使其发展壮大。

3 生命周期及产品的管理

经过上述分析，可以发现橡胶金属件的橡胶部分，根据其本身的特点限制，使用寿命只有6~8 a，故生命周期只有一个循环；而对于金属件部分，在检修的过程中，通过对其全方位的检测，判定其可以继续使用，其使用寿命远不止8 a，而生命周期自然可以有几个循环，每个循环以检修周期为时间规律。

经过检验合格的金属件，需要将其存放起来，方便再利用。在存放过程中，为了与新造件区别开来，可以采取适当的措施。例如在端面做上记号，记号可以是重复字样（例如CF），或其他便于辨识的字眼，这样可以方便我们同新造件的区分，也可以在以后的检修过程中，对二次利用甚至是三次利用的金属件进行更为严格的检验，来保证其性能的可靠。

将产品做好特殊标记后，应当放入一个特定区域，不能与新造件混放。在使用过程中，同一批产品应尽可能为同一类金属件，这样可以方便对同一批产品进行跟踪和检测，也方便对产品的维修和维护。

4 结语

铁道车辆某型车金属件生命周期的研究，能够在一定程度上减轻企业对新造件的依赖，减少企业生产成本；同时可以减少因生产铁件而造成的大气污染和能源浪费，是一条可持续发展道路。铁道车辆金属件在开发设计时，通常是整体考虑产品使用寿命，而忽略了金属件单独的使用寿命，因此在橡胶件需要更换时，金属件远没有达到使用寿命，如果不予再利用，将是一种资源的浪费、人员的浪费和资金的浪费。

在未来几年里，铁道车辆零部件将面临大范围的检修更换，如果金属件再利用体系能够尽早建立起来，并且不断完善与改进，在理论上、技术上、检测手段上以及管理上不断更新，将会减少铁道行业对钢铁的需求，进而减少钢材的生产，这无疑将给环境带来福音。