軌道車輛某型橡膠一系彈簧結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王 俊，孫海燕，程海濤，譚 方，常 浩，朱泓吉

（1.湘潭大學(xué)，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(gòu)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?qū)б饔?。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(shè)計需關(guān)注的重點。

1 某型橡膠一系彈簧結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)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(jié)構(gòu)如圖1所示，由金屬外錐體、橡膠、金屬內(nèi)錐體組成，可通過調(diào)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(nèi)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(jié)構(gòu)示意

該型橡膠一系彈簧主要技術(shù)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(nèi)，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(jié)構(gòu)更易于進行硫化處理，但是應(yīng)變過大且由于橡膠鼓出引起的應(yīng)力集中而導(dǎo)致其疲勞壽命大大縮短。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為了改善初始結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖2。對鐵件角度進行了調(diào)整以改善剛度性能，更改了橡膠型面，以解決應(yīng)變過大與應(yīng)力集中問題。與初始結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點。

圖2 某型橡膠一系彈簧優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意

（1）優(yōu)化結(jié)構(gòu)采用流線形橡膠型面，有利于降低橡膠的應(yīng)力應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(nèi)錐體下端固定，對模型外錐體垂向加載23 mm位移。兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖3～6所示。兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果對比如表1所示。

圖3 初始結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖5 初始結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖

表1 兩種結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果對比

從圖3～6可以看出，與初始結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)橡膠鼓出情況有明顯改善，證明流線形型面設(shè)計能夠提供更大的橡膠變形空間。從表1可以看出，應(yīng)力集中問題得到了解決，優(yōu)化結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力僅為2.355 MPa，相當(dāng)于初始結(jié)構(gòu)的14.1%，最大應(yīng)變減小了46.3%。由此可見，優(yōu)化結(jié)構(gòu)力學(xué)性能相對于初始結(jié)構(gòu)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(shè)計關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)垂向剛度均接近2.5 kN·mm-1，滿足技術(shù)要求。在對兩種結(jié)構(gòu)進行疲勞試驗的同時，每50萬次疲勞試驗后分別對兩種結(jié)構(gòu)進行剛度測試。試驗載荷歷程見圖9，疲勞試驗結(jié)果見表2，剛度試驗條件及結(jié)果見表3。

表2 兩種結(jié)構(gòu)疲勞試驗結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)要求。優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)垂向剛度試驗結(jié)果

剛度與疲勞試驗證明優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足技術(shù)要求。

4 結(jié)論

優(yōu)化結(jié)構(gòu)采用流線形型面與圓滑過渡，減小了橡膠應(yīng)變，解決了應(yīng)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。