一款高速車牽引橡膠球鉸承載特性的研究

孫海燕，馮萬盛，黃友劍，榮繼剛，劉建勛

（中國南車集團 株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

作為轉向架關鍵部件之一的牽引裝置系統，承擔傳遞車輛牽引力和制動力的功能，而牽引拉桿結構在牽引裝置中的應用越來越普遍，牽引橡膠節點作為牽引拉桿中的彈性元件，是一個為牽引系統提供合適剛度、吸收振動的重要部件。為此，本文主要探討一款高速車牽引裝置上所用的橡膠球鉸承載特性方面的問題。

1 高速車牽引系統對牽引球鉸的要求

1.1 剛度特性要求

用于高速車牽引裝置上的橡膠球鉸，需要提供的剛度要求，與普通車牽引裝置上的橡膠球鉸所需要提供的剛度要求不同（表1），在剛度匹配上，高速車上的橡膠球鉸需要實現較低的偏、扭轉剛度，而正常承載下，需要提供較低的徑向剛度（如圖1所示）。

表1 傳統牽引球鉸與高速車牽引球鉸剛度對比

圖1 高速車牽引球鉸徑向特性曲線

1.2 疲勞特性要求

在疲勞承載上，與普通車牽引裝置上橡膠關節大多只需要承受30kN的載荷不同，高速車牽引裝置上的橡膠關節需要承受42kN的疲勞載荷；在疲勞壽命上，普通車上的橡膠球鉸大多只需提供50萬次的疲勞壽命，而高速車上的橡膠球鉸則需要提供100萬次以上的疲勞要求。

2 傳統式牽引球鉸結構及承載特點

傳統式牽引球鉸根據不同的承載特性及應用環境，基本結構主要有內置（止擋）式和組合式牽引球鉸兩種，如圖2、圖3所示。

圖2 內置（止擋）式橡膠球鉸

圖3 組合式橡膠球鉸

2.1 內置（止擋）式牽引球鉸

內置（止擋）式橡膠球鉸［1］的特點是橡膠厚度較薄，徑向承載方向均設置了一對抵抗過載時能產生大剛度的變剛度內孔和止擋；另外，該橡膠球鉸結構簡單，金屬件加工成本低，模具加工及工藝也較簡單。但產品在進行疲勞驗證時，開孔處附近是薄弱的地方，容易產生疲勞問題，而產品制造過程中出現的各種偏差，也容易出現產品的質量問題。

2.2 組合式牽引球鉸

組合式橡膠球鉸［2］的特點是由獨立的3件硫化體壓裝在芯軸上組成，即2件球鉸A、1件球鉸B和1根芯軸。由于芯軸與球鉸B間存在一定的設計間隙，產品加載時由于間隙的存在，首先承載的是兩端的球鉸A；隨著載荷的增大，球鉸B與芯軸也發生接觸，間隙變為零，球鉸B開始為整個球鉸提供剛度，從而使得整個產品具有較大的剛度，從整個加載狀態上看，產品實現了變剛度的設計要求。

從另外一個角度上看，該結構的組裝工藝比較復雜，而且組裝件的應用增加了產品使用的風險，因為任何一個部件破壞意味著這個產品的失效，同時過多的部件占據了橡膠本身的設計空間，不利于橡膠球鉸的設計，從而不利于對疲勞壽命有過高要求的牽引裝置上使用。

3 新型單件式牽引球鉸的承載特性

根據第2節所作分析，傳統式牽引球鉸由于結構局限無法滿足高速車牽引裝置大載荷、高疲勞壽命的要求。在傳統式牽引球鉸的基礎上，本文設計出一種應用在高速動車組上的新型單件式牽引球鉸。其主要的技術要求見表2。

表2 高速車用牽引球鉸的技術要求

3.1 結構特點

此種新型單件式牽引球鉸的結構特點是（1）橡膠型面采用開放式結構設計，利于橡膠在承載時的應力釋放；（2）厚膠層設計利于橡膠承受大載荷所產生的變形；（3）設計最為合適的橡膠預壓縮量，合適的預壓縮量充分抵消了橡膠硫化后冷卻產生的殘余拉應力，并給橡膠以合適的預壓縮應力，避免產品在使用過程中出現影響疲勞壽命的拉應力，延長產品使用壽命［3］，該產品橡膠預壓縮量的設計是2mm。見圖4。

圖4 單件式牽引球鉸

3.2 承載特性分析

為驗證3.1所述的結構滿足表2所示的載荷要求，對該結構（見圖5）進行了FEA分析，FEA分析所用材料參數來源于株洲時代新材料科技股份有限公司（以下稱時代新材）FEA基礎數據庫，分析結果見表3。

通過對產品在徑向載荷42kN下的FEA分析，橡膠的最大應變為79.5%，根據時代新材關于橡膠球鉸疲勞壽命的設計準則［4］，應變水平控制在80%以內完全可以滿足產品150萬次疲勞試驗的要求；金屬的最大應力為61.7MPa，遠遠小于42CrMo的屈服強度（屈服強度≥930MPa）。因此產品的可靠性能夠得到很好的保證。

圖5 橡膠球鉸徑向載荷42kN、偏轉角度5°及扭轉角度5°下的橡膠應變云圖

表3 單件式牽引球鉸FEA計算結果及試驗結果

3.3 試驗驗證

通過試驗對橡膠球鉸的各向剛度及疲勞性能進行了驗證，試驗結果見表3。

3.3.1 剛度驗證

對橡膠球鉸的剛度驗證包括徑向剛度、偏轉剛度及扭轉剛度試驗驗證。

（1）徑向剛度試驗條件。徑向連續3次加載0～100kN，加載速度10m／min，記錄第3次的載荷—位移曲線；

（2）偏轉剛度試驗條件。連續偏轉±5°，速度18°／min，記錄第3次的扭矩—角度曲線；

（3）扭轉剛度試驗條件。連續扭轉±5°，速度18°／min，記錄第3次的扭矩—角度曲線。

根據上述試驗條件得到的試驗結果（表3）表明，本文所設計的橡膠球鉸能夠滿足高速車牽引球鉸的剛度要求。剛度試驗加載示意圖見圖6。

圖6 牽引球鉸徑向、偏轉及扭轉試驗

3.3.2 疲勞試驗驗證

對橡膠球鉸的疲勞試驗條件是徑向動態載荷±42 kN，疲勞次數150萬次，該試驗在南車時代電力機車研究所檢測中心進行。試驗時樣品壓入試驗外套中，試驗外套的內孔尺寸與牽引拉桿的內孔尺寸相等，然后以螺栓固定于試驗支座上，如圖7進行正弦波載荷±42kN的循環加載，疲勞次數150萬次。在整個疲勞試驗過程中，實時監測產品狀態，橡膠表面溫度超過40℃時，采用降低試驗頻率或吹風冷卻的方式降低橡膠表面溫度。樣品在150萬次疲勞試驗完成后，狀態良好；疲勞試驗樣品在23℃恒溫24h后，檢測樣品的徑向剛度，疲勞試驗前后徑向剛度變化率為10%，完全滿足技術要求。

圖7 橡膠球鉸疲勞試驗測試

3.4 裝車考核

該結構牽引球鉸于2009－04開始裝車運行，到2011年已運行2年，行駛200萬km。根據已制定的維護手冊，進行牽引球鉸的跟蹤檢查。運行200萬km后，產品外觀良好，性能穩定。通過對牽引球鉸200萬km的運行情況分析，該牽引球鉸仍可以繼續進行100萬km的應用，完全滿足高速車對牽引球鉸壽命的要求。

圖8 牽引球鉸安裝圖

4 結束語

通過對高速車用牽引橡膠球鉸結構和承載特性的研究，本文提出了一種新型單件式牽引球鉸結構，給橡膠球鉸以足夠的設計空間，滿足高速車用牽引球鉸的徑向、偏轉及扭轉剛度匹配，滿足高速列車苛刻的疲勞載荷條件。

同時此種結構的牽引球鉸可以廣泛應用于輕軌、地鐵、有軌電車等各種軌道車輛上，應用的范圍和前景非常廣闊。

［1］郭春杰.SSL牽引桿研制報告［R］.中國南車時代新材料科技股份有限公司，2008.

［2］劉文松.上海9號線牽引桿組件研制報告［R］.中國南車時代新材料科技股份有限公司，2008.

［3］榮繼剛，黃友劍，等.預壓縮量對橡膠球鉸綜合性能的影響［J］.特種橡膠制品，2006，（4）：32－34.

［4］黃友劍.橡膠材料基礎試驗與疲勞特性研究報告［R］.株洲中國南車時代新材料科技股份有限公司，2009.

［5］孟 光，陳 進，等.高速軌道交通減振降噪的研究及其關鍵技術的展望［J］.機車電傳動，2003，（增刊）：12－14.