帶塑膠套減震器吊環(huán)的長期使用性能衰減規(guī)律研究(一)

帶塑膠套減震器吊環(huán)的長期使用性能衰減規(guī)律研究

摘要

帶塑膠套減震器吊環(huán)是汽車懸架系統(tǒng)、工程機械減震裝置中的核心承載緩沖部件，其性能穩(wěn)定性直接決定設(shè)備的行駛平順性、操作安全性及使用壽命。塑膠套作為吊環(huán)的關(guān)鍵彈性元件，長期處于交變載荷、環(huán)境侵蝕（溫度波動、紫外線、臭氧、泥沙介質(zhì)等）雙重作用下，易發(fā)生材料老化、結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致吊環(huán)整體承載能力下降、緩沖減震性能衰減，甚至引發(fā)部件失效、安全隱患。本文以帶塑膠套減震器吊環(huán)為研究對象，通過理論分析、試驗測試與數(shù)據(jù)擬合相結(jié)合的方法，探究其長期使用過程中性能衰減的特征、速率及影響因素，揭示性能衰減機理，提煉衰減規(guī)律，為吊環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料選型、壽命預(yù)測及維護策略制定提供理論依據(jù)與試驗支撐。研究結(jié)果表明，帶塑膠套減震器吊環(huán)的長期使用性能衰減呈現(xiàn)“初期緩慢衰減—中期加速衰減—后期趨于平緩”的三階段特征，塑膠套材料老化、界面剝離及結(jié)構(gòu)疲勞是導(dǎo)致性能衰減的核心原因，載荷幅值、環(huán)境溫度及介質(zhì)侵蝕對衰減速率具有顯著調(diào)控作用。

關(guān)鍵詞

塑膠套；減震器吊環(huán)；長期使用；性能衰減；老化機理；壽命預(yù)測

1 引言 1.1 研究背景與意義

減震器吊環(huán)作為連接減震器與設(shè)備車架、懸架的關(guān)鍵部件，主要承擔(dān)載荷傳遞、緩沖減震及角度補償功能，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機械、軌道交通等領(lǐng)域。為降低振動傳遞、抑制金屬部件直接接觸產(chǎn)生的異響，提升緩沖性能與使用舒適性，現(xiàn)階段絕大多數(shù)減震器吊環(huán)均配備塑膠套（常用材料為丁腈橡膠、聚氨酯、TPE等），塑膠套與金屬吊環(huán)基體通過硫化、壓裝等工藝復(fù)合成型，形成“金屬承載+塑膠緩沖”的復(fù)合結(jié)構(gòu)，既能利用金屬的高強度實現(xiàn)載荷穩(wěn)定傳遞，又能借助塑膠材料的高彈性、高阻尼特性吸收路面沖擊與振動能量，維持部件定位精度[4]。

在長期實際使用過程中，帶塑膠套減震器吊環(huán)面臨復(fù)雜的工作環(huán)境與載荷條件：一方面，設(shè)備行駛或作業(yè)時，吊環(huán)需承受頻繁的交變拉壓、剪切及扭轉(zhuǎn)載荷，塑膠套反復(fù)發(fā)生彈性變形與恢復(fù)，長期累積易引發(fā)材料疲勞；另一方面，戶外使用環(huán)境中的紫外線、臭氧、高低溫交替、雨水泥沙、化學(xué)介質(zhì)（如融雪劑）等，會持續(xù)侵蝕塑膠套材料，導(dǎo)致其分子結(jié)構(gòu)破壞、性能劣化[1][5]。這種“載荷疲勞+環(huán)境老化”的協(xié)同作用，會導(dǎo)致吊環(huán)的承載能力、彈性模量、阻尼比等關(guān)鍵性能逐步衰減，具體表現(xiàn)為塑膠套硬化、開裂、粉化或與金屬基體剝離，進(jìn)而引發(fā)吊環(huán)異響、緩沖失效，甚至出現(xiàn)塑膠套斷裂、金屬吊環(huán)變形等故障[3][7]。據(jù)統(tǒng)計，汽車懸架系統(tǒng)故障中，約30%與減震器吊環(huán)塑膠套性能衰減相關(guān)，而工程機械中該比例更高，不僅增加了設(shè)備維護成本，還可能因部件失效引發(fā)安全事故[1]。

目前，國內(nèi)外針對減震器吊環(huán)的研究多集中于結(jié)構(gòu)設(shè)計、短期力學(xué)性能測試，而對其長期使用過程中的性能衰減規(guī)律、老化機理及影響因素的系統(tǒng)性研究較為匱乏。現(xiàn)有研究多將塑膠套與金屬吊環(huán)割裂分析，忽略了二者界面結(jié)合狀態(tài)對整體性能衰減的影響，且未充分考慮實際使用中載荷、環(huán)境等多因素的協(xié)同作用，導(dǎo)致無法精準(zhǔn)描述吊環(huán)的長期性能演化特征，難以滿足工程實踐中壽命預(yù)測與維護優(yōu)化的需求[5]。因此，開展帶塑膠套減震器吊環(huán)的長期使用性能衰減規(guī)律研究，揭示其衰減機理與影響因素，建立性能衰減模型，對提升吊環(huán)產(chǎn)品可靠性、延長使用壽命、降低安全隱患具有重要的理論意義與工程應(yīng)用價值。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外對減震器吊環(huán)的研究起步較早，重點集中于塑膠材料老化機理、復(fù)合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)化及壽命預(yù)測方面。歐美等發(fā)達(dá)國家通過加速老化試驗，探究了溫度、濕度、載荷等因素對塑膠套材料性能衰減的影響，建立了基于材料老化動力學(xué)的壽命預(yù)測模型，但該模型多針對單一材料，未充分考慮塑膠套與金屬吊環(huán)的界面結(jié)合效應(yīng)，且試驗條件與實際使用場景存在差異，預(yù)測精度有待提升[5]。日本相關(guān)企業(yè)通過改進(jìn)塑膠套材料配方（如添加抗氧劑、光穩(wěn)定劑）與復(fù)合成型工藝，提升了吊環(huán)的抗老化性能，但對其長期性能衰減的系統(tǒng)性監(jiān)測與規(guī)律提煉較為欠缺，且核心技術(shù)多處于保密狀態(tài)。

國內(nèi)近年來隨著汽車、工程機械產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對減震器吊環(huán)的性能要求不斷提升，相關(guān)研究逐步增多。部分高校與企業(yè)聚焦于吊環(huán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，通過有限元分析方法，優(yōu)化金屬吊環(huán)與塑膠套的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升其短期承載與緩沖性能[4]；還有研究針對塑膠套材料的老化特性，開展了單一環(huán)境因素（如高溫、紫外線）下的加速老化試驗，分析了材料性能的衰減特征[5]。但現(xiàn)有研究仍存在明顯不足：一是試驗周期短，多采用加速老化替代長期實際使用，難以真實反映吊環(huán)性能的自然衰減過程；二是研究視角單一，多關(guān)注塑膠套材料本身的老化，忽略了載荷疲勞與環(huán)境老化的協(xié)同作用，以及塑膠套與金屬吊環(huán)界面剝離對整體性能的影響；三是未建立完善的性能衰減規(guī)律模型，難以實現(xiàn)吊環(huán)長期使用壽命的精準(zhǔn)預(yù)測，無法為工程實踐中的維護策略制定提供有效支撐[1][7]。

1.3 研究內(nèi)容與技術(shù)路線 1.3.1 研究內(nèi)容

本文圍繞帶塑膠套減震器吊環(huán)的長期使用性能衰減規(guī)律展開系統(tǒng)性研究，具體研究內(nèi)容如下：

（1）帶塑膠套減震器吊環(huán)的結(jié)構(gòu)特性與工作機理分析。明確吊環(huán)的結(jié)構(gòu)組成（金屬基體、塑膠套、界面結(jié)合層），探究其在實際使用中的載荷傳遞路徑、緩沖減震原理，識別影響其長期性能的關(guān)鍵因素（材料特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)、載荷條件、環(huán)境因素）。

（2）長期使用性能衰減試驗設(shè)計與實施。搭建吊環(huán)長期性能測試平臺，模擬實際使用中的交變載荷、環(huán)境侵蝕條件，開展長期耐久性試驗；監(jiān)測試驗過程中吊環(huán)的承載能力、彈性模量、阻尼比、塑膠套厚度、界面結(jié)合強度等關(guān)鍵性能參數(shù)的變化規(guī)律，記錄塑膠套的外觀老化特征（開裂、硬化、粉化等）。

（3）性能衰減機理分析。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)與微觀表征結(jié)果，從塑膠套材料老化、結(jié)構(gòu)疲勞、界面結(jié)合失效三個維度，揭示帶塑膠套減震器吊環(huán)長期性能衰減的內(nèi)在機理，明確各因素對性能衰減的影響權(quán)重。

（4）性能衰減規(guī)律提煉與模型建立。基于試驗數(shù)據(jù)，擬合吊環(huán)關(guān)鍵性能參數(shù)的衰減曲線，提煉其長期性能衰減的階段特征與速率規(guī)律；結(jié)合老化機理，建立吊環(huán)長期性能衰減模型，實現(xiàn)使用壽命的精準(zhǔn)預(yù)測。

（5）性能提升與維護策略建議。基于衰減規(guī)律與機理分析，從材料選型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝改進(jìn)三個方面，提出吊環(huán)性能提升措施；結(jié)合衰減模型，制定科學(xué)合理的維護周期與維護策略，為工程實踐提供參考。

1.3.2 技術(shù)路線

本文采用“理論分析—試驗測試—機理探究—規(guī)律提煉—模型建立—策略優(yōu)化”的技術(shù)路線，具體如下：

1. 查閱相關(guān)文獻(xiàn)、標(biāo)準(zhǔn)及工程資料，明確研究背景、意義與國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，梳理帶塑膠套減震器吊環(huán)的結(jié)構(gòu)特性與工作機理，識別性能衰減關(guān)鍵影響因素；

2. 設(shè)計吊環(huán)長期使用性能衰減試驗方案，搭建試驗平臺，確定試驗載荷、環(huán)境條件、測試指標(biāo)與試驗周期，開展長期耐久性試驗；

3. 采集試驗過程中的各項性能參數(shù)與外觀特征數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理與分析，探究性能參數(shù)的變化規(guī)律，觀察塑膠套老化與界面結(jié)合狀態(tài)的演化；

4. 結(jié)合微觀表征技術(shù)（如掃描電鏡、紅外光譜），分析塑膠套材料分子結(jié)構(gòu)變化、結(jié)構(gòu)疲勞損傷及界面剝離機制，揭示性能衰減內(nèi)在機理；

5. 擬合性能衰減曲線，提煉衰減階段特征與速率規(guī)律，建立吊環(huán)長期性能衰減模型，驗證模型精度；

6. 基于衰減機理與規(guī)律，提出吊環(huán)性能提升措施與維護策略，總結(jié)研究成果，指出后續(xù)研究方向。