一種CR200J 動集動車組制動夾鉗單元用錐形橡膠襯套延壽研究

胡 石 周易文

（1、南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800 2、中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

CR200J 動集動車組的基礎(chǔ)制動夾鉗為了減振和隔沖[1]，采用一種錐形橡膠襯套柔性吊裝到車輛轉(zhuǎn)向架上。其中錐形橡膠襯套為橡膠與金屬硫化粘接成一體，橡膠材料具有高彈性和較好的阻尼，可以實現(xiàn)這類產(chǎn)品的減振隔沖要求。錐形橡膠襯套是基礎(chǔ)制動夾鉗單元的重要隔振元件，目前其產(chǎn)品使用壽命一般為3～4 年。隨著鐵路運(yùn)營降本增效的要求，設(shè)計單位希望將這類產(chǎn)品的使用壽命延長到8 年，從而與轉(zhuǎn)向架廠修期匹配，降低檢修成本。本文結(jié)合ANSYS 有限元計算和橡膠材料加速疲勞優(yōu)化方法進(jìn)行錐形橡膠襯套的延壽研究。

1 錐形橡膠襯套有限元分析

1.1 工作載荷

根據(jù)R200J 動集動車組設(shè)計運(yùn)行路線工況和設(shè)計要求，制定了錐形橡膠襯套各向工況載荷條件如表1。其中錐形橡膠襯套為動態(tài)疲勞件，目前使用壽命為4 年，其疲勞要求為每個方向能夠承受100 萬次動態(tài)循環(huán)。為了實現(xiàn)錐形橡膠襯套延壽至8 年的設(shè)計，產(chǎn)品的耐動態(tài)使用次數(shù)也將相應(yīng)增加，即產(chǎn)品能夠滿足各向200 萬次的動態(tài)疲勞循環(huán)。

1.2 有限元模型

錐形襯套結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，采用ANSYS 分析軟件建立三維有限元模型如圖1（b）所示，其中橡膠材料為為65 邵爾A硬度的天然橡膠，金屬材料為42CrMo，有限元模型中材料物理參數(shù)見表2。橡膠材料單元采用Hyper58 超彈單元，（轉(zhuǎn)下頁）本構(gòu)模型采用Mooney-Rivlin[2]；金屬銷采用Solid 45 實體單元；橡膠- 金屬是粘接成型，在有限元模型中采用粘合處理，把橡膠與金屬粘接視為非常牢固，簡化有限元模型。施加載荷：對錐形橡膠襯套的金屬銷施加徑向、軸向組合載荷，錐形橡膠襯套橡膠過盈裝配到吊架銷套中，因此對錐面橡膠外廓施加全約束。

1.3 計算結(jié)果

對錐形橡膠襯套同時施加徑向、軸向載荷下進(jìn)行分析，其橡膠應(yīng)力應(yīng)變分布云圖見圖2，分析結(jié)果如表3 所示。錐形橡膠襯套工作在動態(tài)力作用，其使用壽命與材料的疲勞特性密切相關(guān)。其中金屬銷工作載荷下的最大應(yīng)力為69.0MPa，而研究表明：42CrMo 疲勞無限壽命對應(yīng)的疲勞極限應(yīng)力為432 MPa[3]，因此金屬材料的使用壽命可視為無限壽命，遠(yuǎn)滿足8 年的使用壽命；因此錐形橡膠襯套產(chǎn)品的使用壽命主要取決于橡膠材料耐疲勞性能。橡膠疲勞壽命是一個損傷積累的過程，也滿足Miner原則，其主要影響因素為橡膠應(yīng)變，并且材料的耐動態(tài)疲勞次數(shù)與與應(yīng)變?yōu)橼ず瘮?shù)關(guān)系[4]，隨著應(yīng)變增大橡膠材料耐動態(tài)疲勞次數(shù)大幅度降低。同時錐形橡膠襯套產(chǎn)品使用壽命并不是以橡膠發(fā)生破壞為準(zhǔn)則，而是以其剛度降低幅度不超過15%為準(zhǔn)則，因此橡膠材料必須保證在54.1%應(yīng)變水平下，其動態(tài)疲勞超過200 萬次橡膠材料模量橡膠不超過15%。錐形橡膠襯套有限元計算表明橡膠材料主要為壓縮變形，并且組合載荷下橡膠最大應(yīng)變?yōu)?4.1%，根據(jù)計算確定錐形橡膠襯套延壽用橡膠材料疲勞性能指標(biāo)：在55%的壓縮應(yīng)變情況，經(jīng)過200 萬次動態(tài)疲勞后橡膠材料模量下降不超過15%。

圖2 錐形橡膠襯套應(yīng)力應(yīng)變云圖

表3 錐形橡膠襯套組合載荷下的橡膠材料應(yīng)力- 應(yīng)變數(shù)據(jù)

2 試驗驗證

2.1 橡膠材料的加速動態(tài)疲勞試驗

錐形橡膠襯套研制如果都采用實際產(chǎn)品去驗證其疲勞性能，由于產(chǎn)品實際試驗頻率低，且對設(shè)備要求比較高（兩個方向同時加載），這需要花費(fèi)大量的人力、財力和時間。因此一般不建議采用實際產(chǎn)品去試錯。本文設(shè)計了一種橡膠材料的加速壓縮疲勞試驗[5]，其中壓縮疲勞試驗試樣結(jié)構(gòu)如圖3 所示，橡膠與上下金屬圓片粘接成整體。在PLD-100 動態(tài)疲勞試驗機(jī)對橡膠壓縮疲勞試樣進(jìn)行加速疲勞試驗，其中壓縮變形為5mm 其橡膠最大壓縮變形為56%，試驗頻率為10Hz，這樣完成200 萬次疲勞僅需要56h,大大減少試驗時間。對經(jīng)過200 萬次疲勞試樣前后剛度變化進(jìn)行評價優(yōu)選橡膠材料配方。最終確定的橡膠材料配方，其經(jīng)過200 萬次疲勞后剛度下降為8%。

圖3 橡膠材料加速壓縮疲勞試樣及加載示意

2.2 錐形橡膠襯套實際動態(tài)疲勞試驗

采用優(yōu)選出的橡膠材料配方制備出實際錐形橡膠襯套產(chǎn)品，進(jìn)行產(chǎn)品實際疲勞壽命評價試驗。按照表1 中延壽要求的疲勞載荷條件在PLD-100 動態(tài)疲勞試驗機(jī)進(jìn)行疲勞試驗，疲勞循環(huán)次數(shù)200 萬次，中間檢查各疲勞階段錐形橡膠襯套剛度的變化如圖4 所示，最終疲勞試驗結(jié)束后錐形橡膠襯套剛度下降3.1%，滿足延壽的要求。產(chǎn)品實際疲勞結(jié)果與橡膠材料加速疲勞結(jié)果接近，表明橡膠壓縮加速疲勞試驗可以反應(yīng)出實際產(chǎn)品疲勞疲勞性能。

圖4 錐形橡膠襯套疲勞剛度變化曲線

3 結(jié)論

采用有限元方法計算出CR200J 動集動車組制動夾鉗單元用錐形橡膠襯套在組合載荷下的橡膠最大應(yīng)力應(yīng)變分布，并根據(jù)最大橡膠應(yīng)變確定延壽橡膠材料的耐動態(tài)疲勞性能要求。采用橡膠加速壓縮疲勞試驗可以加快材料研制，且能確保研制產(chǎn)品滿足延壽疲勞壽命要求。