帶塑膠套減震器吊環(huán)的長期使用性能衰減規(guī)律研究(三)

2.3.2 外部因素

外部因素主要與吊環(huán)的實際使用環(huán)境、載荷條件相關(guān)，是性能衰減的主要驅(qū)動因素：

（1）載荷條件：吊環(huán)長期承受的交變載荷幅值、頻率及載荷類型（拉壓、剪切、扭轉(zhuǎn)），是導(dǎo)致其性能衰減的核心外部因素。載荷幅值越大，塑膠套的彈性變形量越大，材料內(nèi)部的分子摩擦與損傷越嚴(yán)重，疲勞壽命越短；載荷頻率越高，塑膠套的變形與恢復(fù)速度越快，熱量累積越多，加速材料老化與疲勞損傷[5]。例如，工程機械吊環(huán)承受的載荷波動較大，其性能衰減速率明顯快于汽車吊環(huán)[1]。

（2）環(huán)境因素：實際使用環(huán)境中的溫度波動、紫外線、臭氧、水分、泥沙、化學(xué)介質(zhì)等，會持續(xù)侵蝕塑膠套材料，加速其老化與性能衰減[2][5]。溫度波動會導(dǎo)致塑膠套材料發(fā)生熱脹冷縮，長期累積易產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致材料開裂、硬化；紫外線會破壞塑膠套材料的分子鏈，導(dǎo)致材料表面粉化、褪色、開裂[2][5]；臭氧會與塑膠套材料中的不飽和雙鍵發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致材料老化、變脆，彈性下降[1][5]；水分、泥沙會侵蝕塑膠套表面，加速其磨損與老化，同時可能滲透至界面結(jié)合層，降低界面結(jié)合強度，引發(fā)界面剝離[1][6]；化學(xué)介質(zhì)（如融雪劑、油污）會腐蝕塑膠套材料，破壞其分子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料性能劣化[1][5]。

（3）使用工況：設(shè)備的使用工況（如行駛路面、作業(yè)強度、維護頻率），間接影響吊環(huán)的性能衰減速率。設(shè)備長期在顛簸路面行駛、高強度作業(yè)，會增加吊環(huán)的載荷沖擊，加速性能衰減；維護不及時，泥沙、油污等堆積在吊環(huán)表面，會加劇塑膠套的磨損與老化，縮短吊環(huán)使用壽命[1][7]。

3 帶塑膠套減震器吊環(huán)長期使用性能衰減試驗設(shè)計與實施 3.1 試驗?zāi)康?/p>

本次試驗的核心目的的是：模擬帶塑膠套減震器吊環(huán)的實際長期使用場景，監(jiān)測試驗過程中吊環(huán)關(guān)鍵性能參數(shù)的變化規(guī)律，觀察塑膠套的外觀老化特征與界面結(jié)合狀態(tài)演化，獲取性能衰減數(shù)據(jù)，為后續(xù)衰減機理分析、規(guī)律提煉及模型建立提供可靠的試驗支撐。具體試驗?zāi)繕?biāo)如下：

（1）獲取吊環(huán)在長期交變載荷、環(huán)境侵蝕協(xié)同作用下，承載能力、彈性模量、阻尼比等關(guān)鍵性能參數(shù)的變化曲線；

（2）觀察塑膠套在長期使用過程中的外觀變化（開裂、硬化、粉化、變色等），監(jiān)測界面結(jié)合狀態(tài)的演化（是否出現(xiàn)剝離、滑動等現(xiàn)象）；

（3）分析載荷幅值、環(huán)境溫度、介質(zhì)侵蝕等因素對吊環(huán)性能衰減速率的影響；

（4）確定吊環(huán)性能衰減的臨界值，判斷其使用壽命。

3.2 試驗樣品

本次試驗選用某汽車懸架系統(tǒng)常用的一體式帶塑膠套減震器吊環(huán)作為試驗樣品，樣品規(guī)格與實際使用一致，具體參數(shù)如下：

（1）金屬吊環(huán)基體：材料為45，經(jīng)淬火、回火處理，抗拉強度650MPa，屈服強度400MPa，延伸率18%，外形尺寸為Φ50mm×120mm（內(nèi)徑×長度）；

（2）塑膠套：材料為丁腈橡膠（NBR），添加抗氧劑、光穩(wěn)定劑等添加劑，硬度（邵氏A）60±5，厚度5mm，密度1.15g/cm3，阻尼比0.25，界面結(jié)合強度12MPa；

（3）樣品數(shù)量：共制備30件試驗樣品，分為5組，每組6件，分別用于不同試驗條件（載荷幅值、環(huán)境溫度、介質(zhì)侵蝕）下的長期性能衰減試驗，確保試驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性與可靠性。

試驗前，對所有樣品進行外觀檢查與初始性能測試，剔除外觀存在缺陷（如塑膠套開裂、氣泡、界面剝離）、初始性能不符合要求的樣品，確保試驗樣品的一致性。

3.3 試驗設(shè)備與測試指標(biāo) 3.3.1 試驗設(shè)備

為模擬帶塑膠套減震器吊環(huán)的實際長期使用條件，搭建由載荷加載系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成的長期性能測試平臺，具體設(shè)備如下：

（1）載荷加載系統(tǒng)：采用電液伺服疲勞試驗機（型號：MTS-810），加載方式為交變拉壓加載，載荷幅值可調(diào)范圍0~50kN，加載頻率可調(diào)范圍0.1~10Hz，加載精度±1%，能夠模擬吊環(huán)實際使用中的交變載荷作用；

（2）環(huán)境模擬系統(tǒng)：采用高低溫濕熱試驗箱（型號：GDJS-1000），溫度調(diào)節(jié)范圍-40℃~150℃，濕度調(diào)節(jié)范圍20%~95%RH，可模擬高低溫交替、濕熱等環(huán)境條件；配備紫外線老化試驗?zāi)K與臭氧老化試驗?zāi)K，可模擬紫外線、臭氧對塑膠套的侵蝕作用；

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：采用動態(tài)信號采集分析儀（型號：DH5922），配合力傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片等，實時采集試驗過程中的載荷、位移、應(yīng)變等數(shù)據(jù)，測試精度±0.5%；采用邵氏硬度計（型號：LX-A），測試塑膠套的硬度變化；采用掃描電鏡（型號：SEM-SU8010），觀察塑膠套的微觀結(jié)構(gòu)變化與界面結(jié)合狀態(tài)；采用紅外光譜儀（型號：Nicolet iS50），分析塑膠套材料的分子結(jié)構(gòu)變化。

3.3.2 測試指標(biāo)

結(jié)合吊環(huán)的工作機理與性能衰減特征，確定本次試驗的核心測試指標(biāo)，分為宏觀性能指標(biāo)與微觀性能指標(biāo)兩大類，具體如下：

（1）宏觀性能指標(biāo)（核心監(jiān)測指標(biāo)）：

① 承載能力：吊環(huán)能夠承受的最大拉壓載荷，反映吊環(huán)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，測試方法參照GB/T 15706-2012《機械安全 設(shè)計通則》；

② 彈性模量：塑膠套的彈性模量，反映其彈性變形能力，通過載荷-位移曲線擬合計算得出；

③ 阻尼比：塑膠套的阻尼比，反映其緩沖減震性能，通過自由振動衰減法測試；

④ 塑膠套硬度：采用邵氏硬度計測試，反映塑膠套材料的老化程度（硬度升高表示材料硬化，硬度降低表示材料軟化）；

⑤ 塑膠套厚度：采用游標(biāo)卡尺測試，反映塑膠套的磨損與變形程度；

⑥ 界面結(jié)合強度：采用剝離試驗測試，反映塑膠套與金屬基體的界面結(jié)合狀態(tài)；

⑦ 外觀特征：觀察塑膠套的開裂、粉化、變色、剝離等現(xiàn)象，記錄缺陷的出現(xiàn)時間、位置與發(fā)展程度[3][6]。

（2）微觀性能指標(biāo)（輔助分析指標(biāo)）：

① 塑膠套材料分子結(jié)構(gòu)：通過紅外光譜儀分析，觀察分子鏈斷裂、交聯(lián)等變化；

② 塑膠套微觀形貌：通過掃描電鏡觀察，分析塑膠套材料內(nèi)部的孔隙、裂紋等缺陷變化；

③ 界面結(jié)合微觀狀態(tài)：通過掃描電鏡觀察，分析界面結(jié)合層的交聯(lián)狀態(tài)、剝離情況[5]。

3.4 試驗方案設(shè)計

本次試驗采用單因素變量法，結(jié)合吊環(huán)的實際使用場景，設(shè)計5組試驗，分別探究載荷幅值、環(huán)境溫度、紫外線侵蝕、臭氧侵蝕、泥沙介質(zhì)對吊環(huán)長期性能衰減的影響，同時設(shè)置1組空白對照組（標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境、額定載荷），確保試驗的對比性。試驗周期設(shè)定為1000小時，模擬吊環(huán)約3~5年的實際使用時長（根據(jù)汽車、工程機械吊環(huán)的實際使用頻率換算）。具體試驗方案如下表所示（表2）：

（1）對照組試驗方案：環(huán)境條件為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境（溫度25℃、濕度50%RH，無紫外線、臭氧、泥沙介質(zhì)）；載荷條件為交變拉壓載荷，幅值10kN（額定載荷），頻率1Hz；試驗周期1000小時；每100小時測試一次宏觀性能指標(biāo)，每200小時測試一次微觀性能指標(biāo)，記錄塑膠套外觀變化。

（2）變量組試驗方案：

① 載荷幅值變量組：環(huán)境條件與對照組一致；載荷幅值分別設(shè)置為8kN（低于額定載荷）、12kN（高于額定載荷），加載頻率1Hz；其他試驗條件與對照組一致。

② 環(huán)境溫度變量組：載荷條件與對照組一致；環(huán)境溫度分別設(shè)置為-20℃（低溫環(huán)境）、80℃（高溫環(huán)境），濕度50%RH；其他試驗條件與對照組一致。

③ 紫外線侵蝕變量組：載荷條件與對照組一致；環(huán)境溫度25℃、濕度50%RH，開啟紫外線老化模塊（紫外線波長290~400nm，輻射強度0.8W/m2）；其他試驗條件與對照組一致[2][5]。

④ 臭氧侵蝕變量組：載荷條件與對照組一致；環(huán)境溫度25℃、濕度50%RH，開啟臭氧老化模塊（臭氧濃度50pphm）；其他試驗條件與對照組一致[1][5]。

⑤ 泥沙介質(zhì)變量組：載荷條件與對照組一致；環(huán)境溫度25℃、濕度50%RH，在試驗樣品表面噴灑泥沙懸浮液（泥沙粒徑0.1~0.5mm，濃度20%），每24小時噴灑一次，模擬實際使用中的泥沙侵蝕；其他試驗條件與對照組一致[1][6]。