空气弹簧用橡胶复合材料制备及疲劳性能研究

作     者：吕宁宁 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林广义

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：空气弹簧 疲劳性能 气体阻隔性能 裂纹扩展 

摘      要：空气弹簧作为悬挂系统的关键组件,承担着减震、缓冲和高频隔振等作用。2017年提出的“一带一路倡议措施,使中国高铁走出国门,面临更多的挑战。每年国内空气弹簧的需求量在2000万件以上,市场金额将近1500亿元,为了保证车辆行驶的稳定性和乘客的安全性,绝大部分空气弹簧未达到使用年限就进行更换,售后维修费用也将近300亿元。气囊漏风是悬挂系统最常见的故障之一,因此提高在恶环境下空气弹簧的使用耐久性以及降低企业工业化生产成本成为研究的关键。本文主要采用机械混炼法、气相沉积法、电泳沉积法制备了空气弹簧外层橡胶配方以及乳液共混法和干-湿层叠法制备了空气弹簧内层橡胶配方,最后对囊式空气弹簧的裂纹区域进行有限元分析,所做工作如下:（1）对橡胶疲劳理论以及裂纹扩展的研究方法进行总结,并进行裂纹扩展的实验研究,对拉伸断面和曲挠断面的微观裂纹进行对比,结果表明两种不同受力形式所产生的断裂裂纹以及钝化方向不同。（2）为了提高外层橡胶的耐老化性能以及耐疲劳性能,用气相沉积法制备了改性碳纤维补强体以及电泳沉积法制备了MWCNTs@CF,将两种补强体分别加入氯丁橡胶/天然橡胶复合材料中,通过导热分析仪、数字高阻仪表、扫描电子显微镜、曲挠试验机测试复合材料的导热性能、导电性能、微观结构、曲挠性能等。结果表明,加入CF/MWCNTs比例为1:1时,曲挠一级和三级裂口分别提高了83.3%和30.9%,可以大幅度提高复合材料的耐疲劳、老化等性能。（3）为了提高空气弹簧内层橡胶的密封性,用乳液共混法和干-湿层叠法制备了天然胶乳/蒙脱土/石墨烯复合材料和天然胶乳/蒙脱土/多壁碳纳米管复合材料,探究复合材料的气体阻隔性能、插层间距、导热性等性能。结果表明,添加10份蒙脱土作为补强体系,1.5份石墨烯作为润滑剂,复合材料的气密性比原有的炭黑为补强剂提高一个数量级。（4）建立了囊式空气弹簧轴对称二维有限元模型,利用ABAQUS软件对空气弹簧进行有限元分析并在最大应力处进行标记,且与实验测得的裂纹区域进行对比,结果表明最大应力处和产生裂纹的区域几乎一致,为优化囊式空气弹簧结构奠定了理论基础。