頂置式一系彈性止擋接磨開裂分析及優化改進

匡劍宇，汪林峰

中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲，412000

0 引言

頂置式一系彈性止檔安裝在轉向架構架與軸箱體之間，位于一系彈簧組內簧中，在車輛正常運行時不承受載荷，在極限工況下垂下承載并起到限位作用。近期，A型車頂置式轉向架出現一系彈性止檔與內簧接磨，止檔橡膠開裂、斷裂等質量問題，現對一系彈性止檔接磨、開裂原因進行分析，并對一系彈性止檔進行方案優化改進。

1 一系彈性止檔開裂分析

1.1 現象分析

（1）斷裂層橡膠部分與金屬件粘接良好，橡膠本體撕裂，見圖2；

（2）蓋板（金屬件）外圓柱面有擠壓變形且被磨光磨亮，見圖3；

（3）尼龍磨耗板上平面未見明顯磨耗痕跡，見圖4；

（4）部分未斷裂產品，底層橡膠也存在有裂紋，見圖5。

1.2 項目應用普查

該款一系彈性止檔于2009年上海11號線開始應用，之后株機公司A型車一系均采用該結構止檔，除深圳項目外其他項目未收到開裂反饋。

一系彈性止檔共有三家供應商，在深圳地鐵項目中出現橡膠開裂和斷裂的均為株洲名揚的產品，其余兩家未出現開裂。

2021年8月，鄭州5號線運行3年后換修下來的一列車48件株洲名揚的止檔外觀良好，均無裂紋，該產品與深圳項目同結構、同廠家。

1.3 設計說明

一系彈性止檔作為極端工況下限位作用，在車輛正常運行時不承受載荷，其結構組成如下：

1.4 生產調查

1.4.1 產品全尺寸抽檢

對株洲名揚一系彈性止檔的全尺寸進行檢查，實測尺寸符合設計圖紙要求。

1.4.2 制造工藝流程調查

對制膠、加工、酸洗、硫化、成型、試驗等現場制造工藝流程進行了調查：

在檢查硫化模具時，發現橡膠成型面棱邊有磕碰現象，形成局部鋒利凸起，在橡膠硫化出模時，有可能在其根部形成肉眼難以觀察的細微裂痕。

1.5 特性分析

1.5.1 黏結性能

對名揚的兩件樣品進行了拉伸試驗，止檔的粘接強度符合TB/T 2843要求。

表1 橡膠抗拉試驗數據

*理論載荷的計算

根據TB/T 2843-2015[1]，計算非破壞性試驗載荷：

1）采取拉伸試驗

2）粘接面積

3）試驗載荷

由于S＜3000mm2，故F=2S=5.2kN

1.5.2 橡膠抗撕裂強度對比

鑒于三家供應商只有名揚的產品出現了橡膠開裂和斷裂現象，且產品粘接強度符合要求，對比三家供應商止檔膠料的抗撕裂強度，發現名揚止檔膠料的抗撕裂強度明顯小于其他兩家供應商。

表2 各供應商產品膠料抗撕裂強度對比

1.6 線路振動影響

考慮一系止擋安裝在軸箱體上振動較大，對止檔按照《IEC 61373-2010鐵路設備滾動車輛設備沖擊和振動試驗》[2]中的3類軸裝標準進行振動試驗，總共15h，每個方向5h。

表3 類型3 安裝在車軸上的ASD 頻譜

第三方機構（CTI華測檢測）對止檔進行了振動試驗，結果如下：

（1）止檔在振動試驗過程中未出現開裂；

（2）止檔在67.01Hz橫向振動下，發生明顯共振，根據以往項目經驗，線路的P2力頻率主要在50～80Hz范圍。

1.7 小結

根據以上分析，初步判斷止擋開裂原因為：

1）模具的橡膠成型面棱邊有磕碰現象，出模時在其根部可能形成細微裂痕。

2）名揚止檔橡膠膠料的抗撕裂強度明顯小于其他兩家供應商。

3）止擋橫向自振頻率為67.01Hz，在較大線路振動下可能激發共振，導致裂紋產生。

2 一系彈性止檔接磨分析

2.1 理論分析

AWO工況下，止檔與內簧的設計理論間隙為10.25mm。在車輛縱向方向，由于一系懸掛采用轉臂式定位，在不同工況下，軸箱體會圍繞轉臂關節轉動，從而導致安裝在軸箱體上的止檔圍繞轉臂關節轉動，這樣止檔才會有可能與內簧接磨。

2.2 有限元分析

通過有限元分析，得出以下結果：

1）止檔接觸工況：在彈簧向下壓縮32mm時，此時垂向載荷約為94640N，相當于1.4倍AW3工況，止檔與內簧開始接磨；

2）1.42倍AW3工況：止檔與內簧接磨量為0.64mm，此時彈簧垂向載荷為95992N。

結論：在大于1.3倍AW3工況下，再考慮止檔的共振，止檔有可能與內簧接磨。

表4 用于有限元分析的載荷工況

3 一系彈性止檔方案改進

3.1 改進方向

1）增加硫化模具的檢查頻次，發現受損及時修復，解決制造工藝問題。

2）縮小止檔的輪廓尺寸，解決接磨問題。

3）減小止檔的重量，降低止檔的重心，解決抗振動性能差問題。

4）提高止檔的抗撕裂強度，解決抗振動性能差問題。

3.2 改進方案對比

3.3 改進說明

針對一系彈性止檔與內簧接磨，止檔橡膠開裂、斷裂等質量問題，對一系彈性止檔進行了改進[3]：

（1）采用上小下大的錐形結構，止擋頂部直徑由φ70mm減小至φ58mm，以避免止檔與內簧接磨。

（2）頂蓋采用尼龍，降低了頂蓋重量。止檔重量由1.83kg降至1.56kg，減重0.27kg。且重心整體下移，提高止擋抗高頻振動能力。

（3）選用抗撕裂性能較好的膠料，撕裂強度由35kN/mm左右提高到90kN/mm以上，使產品抗振效果更好，在高頻振動下不易產生裂紋或斷裂。

3.4 改進方案驗證

3.4.1 有限元分析

在最大垂向載荷74.8kN（AW3工況下一系彈簧組所承受載荷）作用下，一系彈性止檔金屬件、耐磨板、橡膠件均滿足強度要求。

3.4.2 常規試驗驗證

改進的一系彈性止檔進行剛度試驗、極限承載試驗、加載疲勞試驗、膠料試驗，試驗結果均符合技術規范要求：

●剛度試驗：在0-6.5kN垂向加載范圍內，止檔的垂向剛度符合812N/mm±10%。

●極限承載試驗：垂向加74.8kN的極限載荷，加載60s，止檔未出現裂紋。

●疲勞試驗：垂向加載100萬次，止檔未出現裂紋，且剛度變化在20%內。

●膠料試驗：膠料的抗撕裂強度提高至90kN/mm以上。

3.4.3 1.3倍AW3工況干涉試驗

改進產品干涉試驗驗證：

在同款轉向架（ZME-080型）上換裝改進后的一系彈性止檔，在空簧上施加1.3倍AW3工況載荷，即156kN，一系止檔與內簧無干涉，有約7～8mm間隙。

表5 兩款止檔共振頻率、振幅對比

3.4.4 振動試驗

對改進前、后的兩款止檔進行了振動試驗：功能性振動試驗、模擬長壽命振動試驗、掃頻試驗。掃頻得到了兩款止檔的共振頻率，并測量了其振幅。改進后的止檔共振頻率更高，更容易避開輪軌常見的振動頻率，且振幅極小。

4 結語

對A型車頂置式轉向架一系彈性止檔接磨、開裂原因進行了深入分析，并對一系彈性止檔進行方案優化改進。