軌道車輛用沙漏簧垂向剛度特性和失穩(wěn)的探討

周 煒,黃友劍,馮萬盛

(株洲時代新材科技股份有限公司 開發(fā)中心,湖南株洲421007)

為了適應(yīng)現(xiàn)代軌道車輛全方位提高走行品質(zhì)、簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)、減輕轉(zhuǎn)向架自重的需要,開發(fā)出了結(jié)構(gòu)簡單、功能全面、高效能的彈性懸掛系統(tǒng)。沙漏式橡膠彈簧,簡稱沙漏簧,就是其中一種應(yīng)用于二系懸掛的多功能、高品質(zhì)橡膠元件。沙漏簧能夠有效減少轉(zhuǎn)向架造價和系統(tǒng)的復(fù)雜性,并提供較好的空重車垂向柔性和橫向剛度。對于運(yùn)行速度不高的輕軌車輛,采用沙漏簧能夠滿足地板面高度較低,二系懸掛的安裝高度受限制要求。此外,沙漏簧還可以代替地鐵車輛中所用的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、占用空間較多、價格也較高的空氣彈簧。近年來,沙漏簧已經(jīng)在地鐵、輕軌車、貨車和機(jī)車等多種軌道車輛上得到了廣泛應(yīng)用。

沙漏簧(如圖1所示)應(yīng)用于FU3000型低地板車上,用來替代圖2所示二系懸掛系統(tǒng)橡膠堆、彈性止擋以及鋼彈簧的功能,以適應(yīng)降低地板高度、簡化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的需求。

1 沙漏簧結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

沙漏簧為軸對稱結(jié)構(gòu)彈性元件,如圖3所示,其外部和中部都去除了很大一部分橡膠材料,呈現(xiàn)沙漏形狀。在垂向載荷作用下,沙漏簧的垂向變形由剪壓共同作用所致:輕載時以剪切為主,重載時以壓縮為主。圖3中1,2部位在受壓的過程中逐步產(chǎn)生接觸,起到增加沙漏簧受壓橫截面的作用,所以沙漏簧垂向剛度的非線性特性體現(xiàn)在橡膠的材料非線性、結(jié)構(gòu)上的幾何非線性和邊界條件的非線性3個方面,這三者大大增強(qiáng)了沙漏簧垂向剛度的非線性特性[1]。

沙漏簧在垂向可以提供10倍于夾層橡膠堆彈簧所能提供的靜撓度,而本身的工作高度卻依然與橡膠堆相近[2]。

2 沙漏簧的非線性有限元模型

利用達(dá)索公司非線性有限元分析軟件ABAQUS對沙漏簧進(jìn)行大變形非線性求解,得到其內(nèi)部的應(yīng)力情況及變形狀態(tài),并分析其垂向剛度性能。實(shí)體建模得到的沙漏簧有限元模型如圖4所示。

3 沙漏簧剛度性能分析

圖5是在50 kN垂向載荷作用下,沙漏簧橡膠體的內(nèi)部應(yīng)力云圖,其外部變形與產(chǎn)品試驗(yàn)情況(圖7所示)基本一致。由圖5可知,橡膠彈性體的應(yīng)力分布較均勻,Mises應(yīng)力的最大值發(fā)生在橡膠體與上、下鋼板粘結(jié)部位附近,為2.507 MPa,小于橡膠彈簧壓縮應(yīng)力的許用值[3,4],能夠滿足工程要求。

圖1 沙漏簧外形圖

圖2 二系懸掛系統(tǒng)

圖3 沙漏簧結(jié)構(gòu)示意圖

通過分析可知,沙漏簧受21 kN的垂向載荷時,其垂向剛度為472 N/mm,與試驗(yàn)值496 N/mm相比,誤差為5%;沙漏簧受50 kN的垂向極限載荷時,其剛度為691 N/mm,與試驗(yàn)值751 N/mm相比,誤差為8%。如圖6所示,通過對比兩條垂向剛度曲線可以看出,兩者的非線性趨勢基本一致。因此,可以認(rèn)為有限元的分析結(jié)果較為準(zhǔn)確,可以用來指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計的。

從沙漏簧垂向剛度曲線可以看出,空載之前的垂向剛度較小基本為線性,隨著載荷的增加剛度顯著上升,表現(xiàn)出明顯的非線性變化規(guī)律;即空載時彈簧較軟,重載下彈簧較硬。這一特性有利于減小地鐵和輕軌車輛在承載量不同時,地板面高度或車鉤高度的過大變化;可以防止軌道車輛在載客量較小狀態(tài)下因靜撓度過小而引起垂向動力學(xué)性能的下降。以FU3000型低地板車為例,空車和滿載時,每個沙漏簧上的垂向載荷分別約為21 kN和40 kN,相應(yīng)的垂向靜撓度為42 mm和69 mm,地板高度差約為27 mm,使得空車和滿載時的自振頻率變化很小。

圖4 沙漏簧1/2網(wǎng)格模型

圖5 50 kN垂向載荷下橡膠體應(yīng)力云圖

圖6 沙漏簧垂向剛度曲線

4 沙漏簧垂向失穩(wěn)分析

橡膠具有大變形、大位移的承載特點(diǎn),結(jié)構(gòu)在承載過程中,可能會出現(xiàn)位移不再隨載荷的增加而增加,而是出現(xiàn)位移增加但載荷減少的不正?，F(xiàn)象,這就是橡膠元件的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[5]。這種失穩(wěn)往往忽然發(fā)生、毫無征兆,會給車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性帶來一定影響。因此在設(shè)計沙漏簧時,需要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,以確保彈性元件在使用過程中是穩(wěn)定的。

圖8是沙漏簧初始設(shè)計結(jié)構(gòu)的垂向剛度曲線,由圖8可以看出,剛度曲線不是一條平穩(wěn)上升的非線性曲線:當(dāng)垂向加載至37 kN時,剛度呈現(xiàn)下降趨勢,垂向加載至46 kN時,剛度恢復(fù)上升趨勢。剛度曲線顯示結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了階段失穩(wěn)現(xiàn)象,但是產(chǎn)品試驗(yàn)外觀正常,因此,需要通過有限元分析模擬產(chǎn)品形變來找到結(jié)構(gòu)出現(xiàn)階段失穩(wěn)的原因。如圖9所示,當(dāng)垂向加載至37 kN時,沙漏簧內(nèi)部A、B兩處出現(xiàn)局部坍塌現(xiàn)象,造成階段失穩(wěn)發(fā)生,剛度丟失;繼續(xù)加載至46 kN,A、B兩處接觸在一塊形成一個整體,局部坍塌基本消失,剛度恢復(fù)上升趨勢。

圖7 50 kN垂向載荷下產(chǎn)品變形情況

圖8 初始結(jié)構(gòu)沙漏簧垂向剛度曲線

圖9 階段失穩(wěn)有限元分析結(jié)果

產(chǎn)品出現(xiàn)階段失穩(wěn),會給軌道車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性帶來一定影響,因此需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后沙漏簧的剛度曲線為一平穩(wěn)上升的非線性曲線(見圖6),這表明結(jié)構(gòu)在承載過程中是穩(wěn)定的。

為了驗(yàn)證改進(jìn)結(jié)構(gòu)的垂向穩(wěn)定性,在橫向位移40 mm工況下,利用有限元仿真技術(shù)對沙漏簧的垂向變形進(jìn)行了分析。此時沙漏簧的變形狀態(tài)如圖10所示,沙漏簧的隔板組成部分發(fā)生了明顯偏斜。從垂向剛度曲線可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)垂向加載小于60 kN時,剛度穩(wěn)步上升;繼續(xù)加載,則剛度呈現(xiàn)出不可恢復(fù)的下降趨勢。產(chǎn)品的變形外觀和剛度曲線都表明結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象。

沙漏簧的失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生在垂向載荷60 kN,高于設(shè)計的極限載荷50 kN,這表明結(jié)構(gòu)在設(shè)計所給定的載荷下可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和機(jī)車運(yùn)行的安全性。

為了進(jìn)一步增強(qiáng)沙漏簧的抗失穩(wěn)性能,在工藝上,通過選取抗剪切性能較好的膠料配方,同時采用高壓模,可提高產(chǎn)品的抗失穩(wěn)能力;在結(jié)構(gòu)上,將上、下支撐板設(shè)計成硬止擋形式,如圖12所示,當(dāng)沙漏簧的垂向變形超過設(shè)計位移時,硬止擋端部相互接觸在一起限制其進(jìn)一步變形,以確保沙漏簧不出現(xiàn)垂向失穩(wěn)情況。

圖10 橫向位移40 mm沙漏簧垂向失穩(wěn)變形狀態(tài)

圖11 橫向位移40 mm沙漏簧垂向失穩(wěn)剛度曲線

圖12 沙漏簧改進(jìn)結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

(1)沙漏簧采用筒狀結(jié)構(gòu),增加了產(chǎn)品的受壓承載面積,保證其垂向剛度具有較大的非線性特性,可有效防止軌道車輛在空載狀態(tài)下因撓度過小而引起垂向動力學(xué)性能的過分下降。

(2)沙漏簧在承載過程中,可能會因結(jié)構(gòu)或載荷原因而失穩(wěn),且失穩(wěn)是忽然發(fā)生的,因此,必須通過試驗(yàn)測試或有限元分析以確保結(jié)構(gòu)在承載過程中的穩(wěn)定性。

(3)將沙漏簧的上、下支撐板設(shè)計成硬止擋形式來限制其垂向位移,可確保沙漏簧不出現(xiàn)垂向失穩(wěn)情況。

(4)分析和試驗(yàn)表明,用于FU3000型低地板車上的沙漏簧在極限垂向工作載荷50 kN下是穩(wěn)定的,分析還表明,在橫向位移40 mm工況下,垂向失穩(wěn)的臨界載荷為60 kN,表明沙漏簧能夠滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求。

[1]趙洪倫,張廣世.高速客車空氣彈簧非線性橫向剛度特性研究[J].鐵道學(xué)報,1999,21(6):30-33.

[2]張定賢.一種用于二系懸掛的新橡膠彈簧—沙漏式旁承彈簧[J].電力機(jī)車技術(shù),1999,(1):7-13.

[3]詹特AN.橡膠工程——如何設(shè)計橡膠配件[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[4]嚴(yán)雋耄.車輛工程(第3版)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[5]崔德剛.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計手冊[M].北京,航空工業(yè)出版社,1996.