軌道車輛某型橡膠一系彈簧結構優(yōu)化

王 俊，孫海燕，程海濤，譚 方，常 浩，朱泓吉

（1.湘潭大學，湖南 湘潭 411100；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

橡膠一系彈簧是軌道車輛重要的減震部件，安裝于軸箱與構架之間，主要起垂向彈性支撐作用，并傳遞縱向牽引或制動載荷和橫向導引作用。橡膠一系彈簧需要緩沖線路對輪對的沖擊載荷，由于長時間進行周期振動可能會產(chǎn)生疲勞破壞，因此疲勞壽命是橡膠一系彈簧設計需關注的重點。

1 某型橡膠一系彈簧結構及主要技術要求

橡膠一系彈簧由帶錐度的金屬件與橡膠硫化而成。某型橡膠一系彈簧初始結構如圖1所示，由金屬外錐體、橡膠、金屬內錐體組成，可通過調整金屬件角度滿足不同剛度要求。由于橡膠彈性模量很小，二期內部損耗大，因此振動衰減快。橡膠的此種特性提高了一系彈簧的減震性能[1]。

圖1 某型橡膠一系彈簧初始結構示意

該型橡膠一系彈簧主要技術要求為：在（28±3） kN垂向載荷下的垂向靜剛度值為2.5×（1±15%） kN·mm-1，滿載時最大垂向變形控制在23 mm以內，300萬次疲勞試驗后剛度變化率小于20%，裝車運行達到200萬km以上。雖然這種初始結構更易于進行硫化處理，但是應變過大且由于橡膠鼓出引起的應力集中而導致其疲勞壽命大大縮短。

2 結構優(yōu)化與分析

2.1 結構優(yōu)化

為了改善初始結構剛度與疲勞性能，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)與有限元分析對初始結構進行了優(yōu)化，優(yōu)化結構見圖2。對鐵件角度進行了調整以改善剛度性能，更改了橡膠型面，以解決應變過大與應力集中問題。與初始結構相比，優(yōu)化結構具有以下優(yōu)點。

圖2 某型橡膠一系彈簧優(yōu)化結構示意

（1）優(yōu)化結構采用流線形橡膠型面，有利于降低橡膠的應力應變水平[2]；同時流線形圓滑過渡的橡膠型面在產(chǎn)品垂向受載時，與初始結構相比不易產(chǎn)生褶皺，疲勞過程中不會產(chǎn)生裂紋，利于延長疲勞壽命。

（2）芯軸與橡膠粘合的上端面及外套與橡膠粘合的下端面有更多的空間容納橡膠變形，避免了產(chǎn)品在垂向受載時此兩處的應力集中。

2.2 有限元分析

為了研究橡膠一系彈簧受力情況，對初始結構與優(yōu)化結構進行了有限元分析。由于橡膠一系彈簧主要承受垂向載荷，本研究采用軸對稱模型，內錐體下端固定，對模型外錐體垂向加載23 mm位移。兩種結構的應力應變分布如圖3～6所示。兩種結構應力應變計算結果對比如表1所示。

圖3 初始結構應力云圖

圖4 優(yōu)化結構應力云圖

圖5 初始結構應變云圖

圖6 優(yōu)化結構應變云圖

表1 兩種結構應力應變結果對比

從圖3～6可以看出，與初始結構相比，優(yōu)化結構橡膠鼓出情況有明顯改善，證明流線形型面設計能夠提供更大的橡膠變形空間。從表1可以看出，應力集中問題得到了解決，優(yōu)化結構最大應力僅為2.355 MPa，相當于初始結構的14.1%，最大應變減小了46.3%。由此可見，優(yōu)化結構力學性能相對于初始結構得到了很大程度的改善。

3 試驗驗證

剛度性能與疲勞壽命是橡膠一系彈簧設計關注重點[3]。為研究橡膠一系彈簧剛度及疲勞性能，分別對兩種結構進行剛度試驗與疲勞試驗，如圖7和8所示。疲勞試驗前兩種結構垂向剛度均接近2.5 kN·mm-1，滿足技術要求。在對兩種結構進行疲勞試驗的同時，每50萬次疲勞試驗后分別對兩種結構進行剛度測試。試驗載荷歷程見圖9，疲勞試驗結果見表2，剛度試驗條件及結果見表3。

表2 兩種結構疲勞試驗結果

圖7 剛度試驗示意

圖8 疲勞試驗示意

圖9 疲勞試驗載荷歷程

從表2可以看出，初始結構在150萬次疲勞試驗后開始出現(xiàn)鼓包發(fā)粘，200萬次后便出現(xiàn)了裂紋，而優(yōu)化結構完成300萬次疲勞試驗后只出現(xiàn)了輕微發(fā)粘，說明優(yōu)化結構的耐疲勞性能得到很大程度的改善。

從表3可以看出，初始結構的剛度值隨著疲勞次數(shù)的增大而越來越小，在200萬次疲勞試驗后已經(jīng)不符合剛度變化率不低于20%的技術要求。優(yōu)化結構完成250萬次疲勞試驗后剛度值下降率僅為14.0%，說明優(yōu)化結構剛度性能更加穩(wěn)定，抗機械損傷能力強，有利于延長產(chǎn)品的疲勞壽命。

表3 兩種結構垂向剛度試驗結果

剛度與疲勞試驗證明優(yōu)化結構滿足技術要求。

4 結論

優(yōu)化結構采用流線形型面與圓滑過渡，減小了橡膠應變，解決了應力集中問題，有效地延長了產(chǎn)品疲勞壽命，且剛度性能穩(wěn)定，抗機械損傷能力強。