一種電機支撐梁橡膠墊的改進

王喜利 李 陽 張春良

（中國南車株洲時代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，工程師）

現有廣州地鐵4、5號線地鐵車輛電機支撐梁橡膠墊（以下簡稱“橡膠墊”）為國外某廠家提供。該產品在實際使用過程中永久變形很大，且橡膠破損嚴重，無法滿足正常運行要求。株洲時代新材料科技股份有限公司（以下簡稱“時代新材”）應客戶要求對其進行改進，開發新產品，以替換現有產品并應用于廣州6號線地鐵車輛。本文對該產品的結構優化、橡膠材料選擇、有限元分析和試驗驗證進行了詳細的敘述。

1 產品結構及安裝特點

1.1 產品結構特點

目前使用的橡膠墊結構如圖1所示。除了安裝的螺紋孔尺寸不同外，老產品的上、下橡膠墊都采用了如圖1所示類似錐形彈簧的設計。

圖1 橡膠墊老產品簡圖

1.2 產品安裝特點

廣州地鐵4、5號線地鐵車輛每個轉向架安裝2個電機支撐梁，每個支撐梁兩端各安裝一組橡膠墊與軸箱相連。橡膠墊的安裝方式如圖2所示。每組橡膠墊包括上橡膠墊和下橡膠墊兩部分。電機支撐梁安裝在上、下橡膠墊之間。上、下橡膠墊在安裝時通過軸向預壓縮預緊，通過橡膠材料的柔性降低車輛運行時電機的振動，改善電機的運行環境。根據圖2可以看出，上、下橡膠墊在不考慮電機質量引起的橡膠變形情況下，處于相同的壓縮狀態，具有相同的軸向變形。但當安裝電機后，由于電機質量影響，下橡膠墊將受到進一步壓縮，變形將加大；反之，上橡膠墊將得到放松，變形將減小［1］。

圖2 橡膠墊裝配簡圖

2 使用中發現的問題

2.1 永久變形過大

通過測量用于廣州地鐵4、5號線上使用6個月時間的產品發現，產品自由高較新產品下降了近4 mm。而產品在安裝時的名義預壓縮量為4 mm，考慮到制造誤差，部分產品的實際預壓縮量可能小于4 mm。一旦產品高度下降達到4 mm，上、下橡膠墊理論上都將沒有預壓縮而處于放松的狀態。但在實際應用中，由于電機質量的作用，下橡膠墊仍將處于壓縮狀態。即便如此，由于預壓縮量的減小而使產品剛度產生較大變化，從而影響電機懸掛系統的振動特性，對車輛運行的平穩性產生不良影響。

2.2 橡膠破壞

圖3是從5號線地鐵車輛更換下來的橡膠墊產品照片。可以看出，產品周向橡膠損壞嚴重，出現了橡膠發粘、橡膠與金屬骨架粘接破壞以及橡膠鼓出超出最大金屬骨架外徑的現象。

圖3 橡膠墊破壞情況照片

3 原因分析

（1）上、下橡膠墊結構和剛度相同但受力不同，加大了組裝后的整體永久變形。前文已經分析，下橡膠墊要比上橡膠墊多承受電機自身的重力，如果上、下橡膠墊的剛度相同，那么如表1所示，下橡膠墊的變形就將會遠大于上橡膠墊的變形。相對較大的橡膠應變將使下關節更容易疲勞破壞。

表1 老產品上、下橡膠墊軸向變形對比

（2）橡膠材料選用不合理，導致永久變形加大。根據對客戶樣品檢測可知，其橡膠材料采用的是天然橡膠。盡管天然橡膠具有較好的綜合性能，但相對一些特殊的橡膠，其蠕變性能沒有優勢。而該橡膠墊內部結構是一種類似用于機車車輛一系懸掛用錐形橡膠彈簧的錐面結構，是一種典型的剪切型橡膠彈性元件，其蠕變性能要差于平面疊層橡膠彈簧，因此需要采用蠕變性能更好的橡膠配方來降低其永久變形。

（3）橡膠自由面設計不合理，導致應力集中，加速產品破壞。由圖1和圖3可以看出，老產品采用了橡膠與金屬骨架最大外徑幾乎相同的設計，且橡膠截面外形輪廓為直面結構，因此當橡膠變形鼓出時，在金屬骨架與橡膠粘接的最外緣處容易產生應力集中，加速產品破壞。

圖4是利用有限元對老產品橡膠墊在最大動載荷50 k N軸向載荷下的應力應變云圖。分析表明，橡膠層在受力后產生了很大的變形，橡膠沿自由面鼓出后，最大外徑已遠遠超出金屬骨架，對金屬骨架形成反包的形狀；在橡膠與金屬粘接的邊緣，橡膠的應力達到了44.1 MPa，應變達到2.16。如此高的應力和應變很容易使該處的橡膠開裂破損［2］。

圖4 老產品軸向承載有限元分析云圖

4 解決方案

4.1 結構設計

（1）改變老產品內部錐面傾斜方向，充分利用空間，增加膠層厚度，降低橡膠應變。新的設計如圖5所示，其內部結構傾斜方向與老產品相反，膠層厚度由14 mm提高到24.5 mm。由于膠層厚度的增加，新設計將橡膠層數由老產品的2層增加為3層，在使用合適硬度的膠料的前提下保持原有上、下橡膠墊組合后的軸向剛度，以滿足技術要求。

圖5 橡膠墊新產品簡圖

通過表2可以看出，客戶樣品實際未能滿足要求的軸向剛度，而新產品上橡膠墊采用60左右的橡膠材料、下橡膠墊采用邵氏硬度為65左右的橡膠材料將能夠滿足組裝后的軸向剛度要求。在50 k N軸向載荷下，上橡膠墊橡膠應變由1.6降低為0.86，下橡膠墊橡膠應變由2.16降低為0.9。

（2）上、下橡膠墊采用等應變設計，避免上、下橡膠墊組合后局部過載而破壞。由于產品的接口尺寸已確定，不能再做修改，因此，新產品設計是內部結構的改進。新的設計采用了上、下橡膠墊相同結構但不同剛度的設計；下橡膠墊受力大，因此剛度也適當大于上橡膠墊，從而保證每個橡膠墊受力與剛度呈一定比例，實現上、下橡膠墊等應變，避免出現下橡膠墊過早破壞的現象。由表2可知，在50 k N軸向載荷下，老產品上、橡膠墊橡膠應變分別為1.6和2.16，而新產品上、下橡膠墊橡膠應變分別為0.86和0.9。可以看出，新產品上、下橡膠墊橡膠應變趨于一致。

表2 新老產品橡膠硬度和軸向剛度對比

（3）優化橡膠自由面，降低應力集中。新的設計將老產品的橡膠自由面平面輪廓改為內凹式曲面輪廓，這種結構給了橡膠在產品承載時發生變形而鼓出的空間，因而不會出現橡膠反包金屬骨架的現象，有利于降低橡膠局部應力應變。圖6是新產品在50 k N軸向載荷下的應力云圖，表3是新老產品橡膠最大應力、應變對比。

圖6 新產品中橡膠的模擬應力、應變情況

表3 新老產品橡膠應力對比 MPa

可以看出，相比老產品，新產品的橡膠變形較為合理、平緩，橡膠最大應力明顯降低。

4.2 橡膠材料選擇

選用抗蠕變性能更好的異戊橡膠，降低產品永久變形，提高壽命期內性能穩定性。

時代新材近些年開發了一種采用原位接枝技術的異戊橡膠。與以往普通的天然橡膠相比，這種橡膠材料能降低蠕變量50%以上。即便與世界先進供應商相比，用異戊橡膠配方制成的產品在蠕變性能方面也有明顯的優勢。圖7所示就是時代新材采用該種橡膠做成的一系圓錐形彈簧與歐洲某供應商產品的蠕變測試對比結果。可以看出，時代新材產品的蠕變量只有歐洲產品的50%左右，且蠕變過程更加穩定。

圖7 時代新材異戊橡膠產品與國外某供應商產品蠕變性能對比

5 試驗驗證

筆者對新老產品在靜態剛度、應力松弛和疲勞三方面性能進行了對比。結果表明，采用新的結構和橡膠材料后，新產品靜態剛度滿足原技術要求，應力松弛和疲勞性能遠優于老產品。

5.1 靜態剛度

表4是新產品某次試制的結果，可以看出，上、下橡膠墊的組合軸向剛度滿足技術要求，與表2的分析結果基本一致。

表4 新產品靜態軸向剛度試驗結果

5.2 應力松弛

表5是新老產品應力松弛試驗的對比結果，可以看出，老產品載荷在7天時間內變化5 k N，且繼續下降的趨勢較為明顯；而新產品載荷最大變化為2.5 k N，只有老產品的50%，且后續變化趨勢較為平緩，與老產品相比也有明顯的優勢。

表5 應力松弛試驗結果

5.3 疲勞試驗

5.3.1 疲勞前后軸向剛度變化

表6是新老產品在相同疲勞條件下的軸向剛度變化對比，在150萬次疲勞條件下，新產品軸向剛度變化率僅為1%，而老產品軸向剛度變化達到了24.5%。

表6 疲勞試驗前后軸向剛度變化

5.3.2 疲勞前后產品高度變化（永久變形）

表7是新、老產品的上、下橡膠墊在疲勞150萬次后產品高度變化情況：老產品的高度變化較大，且在金屬與橡膠粘結處出現開裂現象，與產品使用過程中出現的破壞形式一致；而新產品疲勞后高度僅微小變化，且橡膠表面無任何損壞現象出現。

表7 疲勞試驗前后高度變化情況

6 結語

綜上所述，通過對上、下橡膠墊結構和橡膠自由面進行了優化，選用蠕變性能更好的異戊橡膠后，通過試驗驗證表明，新的電機支撐梁橡膠墊能夠滿足要求的靜態軸向剛度，且在永久變形和疲勞性能方面均遠優于老產品。

［1］ 戴煥云.直線電機轉向架結構形式研究［J］.內燃機車，2008（12）：1.

［2］ 戶原春彥.防震橡膠及其應用［M］.北京：中國鐵道出版社，1982.