某型平衡臂軸襯優(yōu)化設(shè)計(jì)

袁可 馮萬盛 王金輝 趙斌 韋怡 黃江彪

摘 要：從某自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架的兩瓣式平衡臂軸襯失效案例入手，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行工況整體分析，進(jìn)而對(duì)原結(jié)構(gòu)不同的失效問題進(jìn)行一一剖析之后，做出預(yù)壓量、膠層厚度分布、自由面、膠層型式等多方面的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析結(jié)果。最終根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證該產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)的效果，產(chǎn)品的疲勞優(yōu)化預(yù)計(jì)將疲勞壽命由2-5年優(yōu)化至10年左右。

關(guān)鍵詞：自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架;平衡臂軸襯;層疊式橡膠節(jié)點(diǎn);有限元仿真分析;疲勞試驗(yàn)

Abstract： starting from the failure of 2-sleeves marty bar bushing on the truck， after analyzing the overall running load conditions， causes of failures were uncovered individually. Improvements were obtained on the new structure in many aspects like pre-compression， rubber thickness， free surface contour of rubber， rubber layer structure. Fatigue test was performed eventually and it proved that the design improvement was achieved. The service life of current product could be enhanced from 2-5 years to about 10 years.

Keywords： Self-steering Truck; Marty Bar Bushing; Multiple Layer Rubber Bushing; Finite Element Analysis; Fatigue Test.

引言

自導(dǎo)向轉(zhuǎn)向架[1]（見圖1）包括一系列把兩端車軸連接在一起的桿件，在車輛前端車軸通過曲線時(shí)，載荷通過一系拉桿等桿件傳遞至后端車軸，起到帶動(dòng)后端車軸一同運(yùn)動(dòng)的自導(dǎo)向功能，改善曲線軌道上粘著[2]以及避免出現(xiàn)蛇形運(yùn)動(dòng)的作用。

美國(guó)GE的自導(dǎo)向式機(jī)車轉(zhuǎn)向架用平衡臂軸襯在運(yùn)行過程中（2-5年期間），出現(xiàn)了批量產(chǎn)品失效情況，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品躥出、橡膠開裂等多個(gè)問題，導(dǎo)致其傳遞自導(dǎo)向式轉(zhuǎn)向架行進(jìn)過程中水平載荷的功能基本喪失，給車輛帶來了安全隱患。

同時(shí)本產(chǎn)品屬于層疊式橡膠節(jié)點(diǎn)（3層橡膠），相對(duì)單層節(jié)點(diǎn)而言，設(shè)計(jì)、工藝、仿真等多個(gè)方面的難度均要更高，失效案例也同樣更多。但由于它在小空間尺寸下的高徑向剛度、低偏扭轉(zhuǎn)剛度的特有性能優(yōu)勢(shì)，本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍是該應(yīng)用環(huán)境下的首選。

本文從平衡臂軸襯的失效形式、原因剖析、仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證著手，解決該橡膠件的失效問題，提升其疲勞壽命，滿足客戶使用要求。

1設(shè)計(jì)內(nèi)容

1.1目標(biāo)要求

根據(jù)產(chǎn)品的應(yīng)用工況以及該自導(dǎo)向式轉(zhuǎn)向架的維修計(jì)劃，產(chǎn)品的目標(biāo)設(shè)計(jì)壽命為10年，設(shè)計(jì)初期的維修計(jì)劃為6年架修期到了之后進(jìn)行更換，意味著產(chǎn)品的設(shè)計(jì)疲勞壽命留有一定的余量。

1.2平衡臂軸襯運(yùn)行工況及失效情況分析

平衡臂在曲線通過過程中起到協(xié)調(diào)兩側(cè)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在運(yùn)行過程中，平衡臂繞轉(zhuǎn)臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，平衡臂軸襯產(chǎn)品在其過程中受到的主要載荷為徑向載荷。扭轉(zhuǎn)角度很小，產(chǎn)生的疲勞損傷小。

平衡臂軸襯技術(shù)參數(shù)及工況參數(shù)見表1

既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在使用2-5年左右出現(xiàn)了橡膠嚴(yán)重開裂（見圖2），過盈松弛后產(chǎn)品躥出甚至金屬與橡膠完全脫離的情況，主要原因在產(chǎn)品的功能主要是平衡自導(dǎo)向式轉(zhuǎn)向架車輛運(yùn)行過程中，水平左右兩側(cè)橫向載荷。

1.3既有結(jié)構(gòu)剖析

產(chǎn)品是由三層橡膠（中間為金屬隔片）與兩層金屬隔片、芯軸以及外套硫化粘接而成，整體分為兩瓣式，金屬外套在安裝至對(duì)應(yīng)安裝孔的過程中抱攏對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)壓縮（見圖3）。

針對(duì)產(chǎn)品的具體不同的失效問題，依次進(jìn)行分析如下：

（1）橡膠本體開裂：

●橡膠層厚度分布不合理，內(nèi)外橡膠層體積、剛度不一致但厚度一致，導(dǎo)致內(nèi)層剛度小、應(yīng)變大、疲勞壽命低;

●單層膠層型式設(shè)計(jì)不合理（見圖3.（a）），為直線、圓弧、直線相連接的方式，存在徑向載荷下，單層應(yīng)變不連續(xù)的情況;

●橡膠的自由面小，在擠壓過后容易鼓出，造成表面拉伸應(yīng)力很大的情況。

（2）從桿體中躥出：

平衡臂軸襯的金屬外套與桿體的內(nèi)孔為過渡配合，意味著產(chǎn)品預(yù)壓僅依靠橡膠體的壓縮來實(shí)現(xiàn)，即使橡膠未出現(xiàn)開裂，也存在應(yīng)力松弛后產(chǎn)品預(yù)壓力不夠然后躥出的情況。

1.4平衡臂軸襯優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.4.1 合理的預(yù)壓縮量及分布設(shè)計(jì)[3]

對(duì)于橡膠節(jié)點(diǎn)而言，徑向剛度會(huì)隨著預(yù)壓縮量的增加而增加，增加幅度與預(yù)壓縮量成正比，而適當(dāng)?shù)闹芟蝾A(yù)壓量也能顯著提升產(chǎn)品的疲勞壽命。

1.4.2 層厚分布設(shè)計(jì)

為滿足客戶徑向剛度要求以及承載載荷需要，產(chǎn)品仍然需要設(shè)計(jì)為疊層彈簧的型式，單層剛度計(jì)算[4]公式如（1）。在內(nèi)層直徑更小的情況下，相同的膠層厚度下內(nèi)層的剛度更低。

由上式可知，在徑向載荷P、剪切模量G、產(chǎn)品寬度l都一定的情況下，應(yīng)變與膠層厚度呈負(fù)相關(guān)，與膠層平均直徑呈正相關(guān)。

在膠層設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定之后，根據(jù)公式反復(fù)迭代確定具體膠層厚度、徑向剛度及該層應(yīng)變。最終膠層整體厚度增加減小總應(yīng)變，同時(shí)相較于原結(jié)構(gòu)外層（膠層1）應(yīng)變比內(nèi)層（膠層3）應(yīng)變大3%的計(jì)算結(jié)果，改進(jìn)結(jié)構(gòu)每一層的應(yīng)變均為6.5%左右（見表2），理論計(jì)算上實(shí)現(xiàn)等應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)。

1.4.3 橡膠自由面增大設(shè)計(jì)

原結(jié)構(gòu)的橡膠開口處寬度與膠層厚度完全一致，但由上述公式可以看出，徑向剛度由整體膠層厚度決定，而疲勞破壞卻是由橡膠生出細(xì)微裂紋擴(kuò)展而成，而根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，開裂的起始擴(kuò)展位置往往便是膠層表面。自由面的增大可以改善橡膠表面的受力情況，起到提升疲勞性能的作用。

2有限元仿真分析

首先對(duì)原結(jié)構(gòu)以及改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞載荷下的有限元應(yīng)力應(yīng)變分析，首先可以看出在工作載荷30kN下，產(chǎn)品的對(duì)數(shù)應(yīng)變由1.33變?yōu)?.03，降低22.6%左右（見圖6）。

然后進(jìn)一步進(jìn)行疲勞仿真分析，基于Mars[5，6]提出的開裂能理論的橡膠疲勞分析方法，由假定的內(nèi)部橡膠裂紋結(jié)合開裂能的計(jì)算結(jié)果，最終累積到破壞條件的裂紋長(zhǎng)度。

具體的計(jì)算方法為，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果提取所有可能開裂平面的最大、最小撕裂能，得出應(yīng)變能釋放率，進(jìn)一步地計(jì)算出相應(yīng)的裂紋增長(zhǎng)速度，最終結(jié)合式（4）得出產(chǎn)品的疲勞壽命。

結(jié)合疲勞分析理論，采用ABAQUS及Endurica CL橡膠疲勞計(jì)算軟件進(jìn)行橡膠疲勞壽命仿真分析計(jì)算，得到疲勞壽命結(jié)果云圖。由圖7可知，產(chǎn)品的疲勞壽命由原結(jié)構(gòu)的38.6萬次提升至196.0萬次。

2.1疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證

在理論和仿真充分分析后，在室溫下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行對(duì)比疲勞試驗(yàn)，其參數(shù)和結(jié)果見下表3所示。

改進(jìn)結(jié)構(gòu)在200萬次后出現(xiàn)疲勞破壞，而原結(jié)構(gòu)僅35萬次便出現(xiàn)疲勞破壞，二者開裂時(shí)的剛度變化率相當(dāng)。如果不考慮使用過程中橡膠老化等因素，僅以循環(huán)次數(shù)評(píng)估產(chǎn)品壽命的話，改進(jìn)結(jié)構(gòu)提升壽命約4.7倍。而就目前可使用2-5年的情況來看，改進(jìn)結(jié)構(gòu)可滿足客戶10年使用壽命的要求。

3結(jié)語

目前，優(yōu)化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品已經(jīng)在線運(yùn)行半年，產(chǎn)品各項(xiàng)性能表現(xiàn)良好。本次優(yōu)化設(shè)計(jì)為多層分瓣式橡膠關(guān)節(jié)提供設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)：

3.1對(duì)于自導(dǎo)向式轉(zhuǎn)向架上的平衡臂，徑向載荷在運(yùn)行過程中起到主要作用，改善該方向的應(yīng)力應(yīng)變情況是解決問題的主要方向;

3.2橡膠彈性元件設(shè)計(jì)過程中，預(yù)壓縮量、膠層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能改善產(chǎn)品受載時(shí)的整體應(yīng)變情況，而自由面的設(shè)計(jì)能改善局部應(yīng)力情況;

3.3多層薄壁類產(chǎn)品在小尺寸空間下能有效提升徑向剛度同時(shí)對(duì)偏扭方向自由度不產(chǎn)生過大影響，疲勞可靠的前提下，能在機(jī)車運(yùn)行上運(yùn)用到一些特定場(chǎng)合。

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（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）