軸向橡膠墊剛度試驗方法探究

蘇硯幫，丁 盛，樊令舉

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

軸向橡膠墊是我國鐵路貨車交叉支撐式轉向架重要的彈性元件，成對安裝在交叉支撐裝置端部，為轉向架提供合理的抗菱剛度，在轉K2型、轉K6型、DZ1型等多型號轉向架中廣泛應用。

自1998年引進側架彈性下交叉技術以來，國內學者對交叉支撐裝置進行了大量的研究與改進[1-4]。本文以交叉支撐裝置軸向橡膠墊產品為研究對象，從試驗角度出發，研究分析不同試驗設備、不同試驗方法對軸向橡膠墊產品剛度試驗檢測結果的影響，以及不同試驗工裝對橡膠層應力水平的影響，并對既有技術標準的修訂工作提出建議。

1 試驗內容

目前，對軸向橡膠墊的考核主要依據Q/CR 548.1—2017《鐵道貨車轉向架 第1部分：交叉支撐式轉向架》和TJ/CL 264—2013《軸向橡膠墊技術條件》進行，型式試驗項點包括單件常溫剛度試驗、-40 ℃低溫剛度試驗、50 ℃高溫剛度試驗、組合件常溫剛度試驗、疲勞試驗以及強化疲勞試驗。其中，單件常溫剛度試驗的試驗方法是將單件軸向橡膠墊安裝在特定的試驗工裝上，以2～4 mm/min的速度加載至50 kN，加載3次，記錄第3次加載過程中的力-位移曲線，分別計算在35 kN時的軸向剛度值。組合件常溫剛度試驗的試驗方法是將一對軸向橡膠墊安裝在特定的試驗工裝上，施加大小為675 N·m的扭矩，以2～4 mm/min的速度加載至40 kN，加載3次，記錄第3次加載過程中的力-位移曲線，分別計算在10 kN、20 kN、30 kN時的軸向剛度值。-40 ℃低溫剛度試驗、50 ℃高溫剛度試驗在剛度測試方法上與單件常溫剛度試驗完全相同，在此不再贅述。

2 試驗設備對檢測結果的影響

2.1 試驗準備

為了對比不同試驗設備對軸向橡膠墊剛度試驗檢測結果的影響，選取5件軸向橡膠墊產品，分別在3臺不同型號的試驗設備(表1)上進行單件常溫剛度試驗。為了避免環境溫度、加載工裝、加載方法等對試驗檢測結果產生影響，3組試驗環境溫度均為(23±2) ℃，不同試驗設備測試時間均至少間隔1天。

表1 試驗設備信息

2.2 試驗結果分析

5件軸向橡膠墊產品在35 kN載荷下的單件常溫剛度試驗結果見表2。從表2中可以看出，對于同一軸向橡膠墊產品，不同的試驗設備所測得的剛度值存在一定的差異。

表2 單件常溫剛度試驗結果 kN/mm

3組試驗的環境溫度、加載工裝、加載方法均相同，數據也均由試驗設備自動采集，可以排除上述因素對于試驗檢測結果的影響。加載工裝劃對角線，加載中心劃中心圓，可以排除加載偏心對試驗檢測結果的影響。由此可以判斷，試驗檢測結果的差異是由試驗設備自身剛度和精度造成的。經分析，試驗設備測得的載荷值即為施加在軸向橡膠墊上的載荷值，而試驗設備測得的位移量不僅包含軸向橡膠墊的變形量，還包含加載橫梁變形量、加載工裝變形量、作動器連接間隙、橫梁提升螺桿間隙等。試驗設備所測得的位移量往往大于軸向橡膠墊的實際變形量。

分別以空白試驗和引伸計測量2種方式來分析試驗設備自身剛度和精度對軸向橡膠墊單件常溫剛度試驗檢測結果的影響。

(1) 分別在3個試驗設備上進行空白試驗，通過計算得到試驗過程中軸向橡膠墊的實際變形量，進而計算軸向橡膠墊單件常溫剛度值，結果見表3。

表3 對試驗設備進行空白試驗后的單件常溫剛度試驗結果 kN/mm

通過空白試驗消除了加載橫梁變形、加載工裝變形、作動器連接間隙、橫梁提升螺桿間隙等因素的影響，經過計算得出了軸向橡膠墊的實際變形量。對照表2、表3數據可知，消除上述因素影響后，軸向橡膠墊的剛度普遍變大。同時，不同試驗設備測得的同一軸向橡膠墊的剛度結果離散度變小。

(2) 利用電子萬能試驗機自帶的引伸計直接測量軸向橡膠墊產品的實際變形量(工裝變形量忽略不計)，消除加載橫梁變形、橫梁提升螺桿間隙等因素的影響。引伸計測得的位移數據為設備自動讀取，避免了人工讀數所造成的誤差。

表4為不同測試方法測得的單件常溫剛度試驗結果對比。如表4所示，增加引伸計測量后所測得的剛度試驗結果比原始試驗所測得的試驗結果大12.7%～15.5%。同時，增加引伸計測量后所測得的剛度試驗結果與增加空白試驗測量后所測得的試驗結果差別不大(圖1)，最大相差2.1%。

表4 不同測試方法測得的單件常溫剛度試驗結果對比 kN/mm

圖1 不同測試方法的剛度試驗結果對比圖

軸向橡膠墊產品在35 kN載荷下，變形量為2.5～3.5 mm，變形量較小。此時，不能忽略試驗臺加載橫梁變形、橫梁提升螺桿間隙、作動器連接間隙等因素的影響。采用空白試驗或者引伸計測量的方法可以相對精確地計算或者直接測得軸向橡膠墊在試驗過程中的變形量，有效避免上述因素對剛度試驗結果的影響。因此，對于小位移量的剛度試驗，為了保證試驗結果的精確性，應采用增加空白試驗或者增加引伸計測量的方法。

3 試驗工裝對橡膠層應力水平的影響

Q/CR 548.1—2017和TJ/CL 264—2013標準要求軸向橡膠墊在疲勞試驗前后均需進行組合件常溫剛度試驗，試驗加載示意圖見圖2，要求剛度變化率不得大于10%。

圖2 組合件常溫剛度試驗加載示意圖

顯然，在軸向橡膠墊組裝示意圖(圖3)中，高度H(由總高度(35.6±1.0) mm減去有效高度(24.6±0.8) mm)在9.2～12.8 mm區間均合格。同時，Q/CR 548.1—2017和TJ/CL 264—2013標準建議加載工裝板厚為(22.7±0.1) mm。當2件符合技術圖紙尺寸要求的軸向橡膠墊產品按照圖3進行組裝時，在未施加扭矩情況下，2件產品的A面會存在貼合或未貼合2種情況。

圖3 軸向橡膠墊組裝示意圖

經分析，在施加675 N·m扭矩后，2件符合技術圖紙尺寸要求的軸向橡膠墊產品按照圖3組裝時，2件產品的A面均會貼合，不同高度H的軸向橡膠墊產品的橡膠層壓縮量不同，橡膠層的應力水平不同。同理，當產品尺寸H一定時，不同試驗工裝板厚對軸向橡膠墊橡膠層的應力水平也會有一定影響。由于試驗手段很難測得橡膠層的應力，故借助ABAQUS軟件進行仿真分析。分別計算了試驗工裝板厚為22.7 mm、24.0 mm、26.0 mm時，軸向橡膠墊產品(H=11 mm)在施加了675 N·m扭矩下橡膠層的應力水平，如圖4所示。

圖4 不同試驗工裝板厚下橡膠層的應力水平

由圖4可知，當板厚為22.7 mm時，橡膠層的最大應力為3.084 MPa；當板厚為24.0 mm時，橡膠層的最大應力為4.692 MPa；當板厚為26.0 mm時，橡膠層的最大應力為12.510 MPa。顯然，試驗工裝板厚不同時，軸向橡膠墊橡膠層的應力有較大差異。同理，在實際運用中，當側架上軸向橡膠墊工裝板厚一定時，由于軸向橡膠墊尺寸(H值)不同，橡膠層的應力水平也會存在較大差異。橡膠層長期處于高應力水平，會影響軸向橡膠墊產品的整體運用性能。因此，在制造加工允許的情況下，應減小軸向橡膠墊產品技術圖紙中的相應尺寸公差。

另外，目前很多客車用橡膠產品疲勞試驗前后剛度變化率要求不大于15%，而現行軸向橡膠墊的技術文件要求在疲勞試驗前后軸向橡膠墊的組合件常溫剛度變化率不得大于10%，指標定得明顯偏嚴。建議在后期標準修訂時，在不影響轉向架整體抗菱剛度的前提下，該指標應適當放寬。

4 數據處理方法對檢測結果的影響

4.1 剛度計算方法

單件常溫剛度和組合件常溫剛度中所提到的剛度均是指割線剛度，計算方法可參照TB/T 2843—2015《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》中第6.3.3條款，橡膠彈性元件剛度計算示例見圖5。

F0.試驗最小加載載荷；F1.起始點載荷；F2.截止點載荷；FM.試驗最大加載載荷；d1.起始點位移；d2.截止點位移。圖5 橡膠彈性元件剛度計算示例

剛度K計算公式為：

4.2 不同計算方法對剛度結果的影響

以組合件常溫剛度試驗為例，分析不同計算方法對剛度結果的影響。

組合件常溫剛度試驗的載荷-位移曲線見圖6。按照割線剛度計算方法，在計算10 kN、20 kN、30 kN載荷下的組合剛度時，起始點載荷F1取值為0。由于A-B段較為平緩，F1對應的位移S1的選取易產生偏差，而當載荷值為35 kN時，位移量也不到1.2 mm，故微小的偏差會對最終結果產生較大影響。同時，對比其他鐵路貨車彈性元件產品的剛度計算方法，如承載鞍橡膠墊產品在計算剛度時，F1取值為5 kN；彈性旁承在計算剛度時，F1取值為0.3 kN。因此，為了降低試驗誤差，建議將F1取值為5 kN。

圖6 組合件常溫剛度試驗載荷-位移曲線

5 結論與建議

(1) 同一軸向橡膠墊產品用不同的試驗設備測得的剛度差別較大，用空白試驗或引伸計測量的方法可消除設備自身所帶來的誤差。同時，為了降低載荷起始點選取所帶來的誤差，建議在計算剛度時，起始點載荷取值為5 kN。

(2) 軸向橡膠墊現行標準要求疲勞試驗前后組合件常溫剛度變化率不得大于10%，指標明顯偏嚴，在不影響轉向架整體抗菱剛度的前提下，建議對疲勞前后組合件常溫剛度變化率指標適當放寬。

(3) 組合件常溫剛度試驗中，試驗工裝板厚對組合件剛度影響不大，但是對橡膠層的應力水平影響較大。在后期產品圖紙或者技術標準修訂時，應適當減小產品尺寸公差。

此外，《鐵路貨車段修規程》中規定，軸向橡膠墊產品的使用壽命為6年，滿6年后需報廢更換新品。而實際運用中裝用軸向橡膠墊產品的敞車、棚車等車型的廠修期為9年。這樣，在段修中更換的軸向橡膠墊在使用 3 年后又必須報廢，不僅增加了段修的工藝難度，也造成了軸向橡膠墊的浪費。因此，建議主機廠和科研院所開展軸向橡膠墊產品延長使用壽命方面的研究。