雙層動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架扭桿彈性元件試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

彭立群，林達(dá)文，張志強(qiáng)，成 博，陳 剛，王 進(jìn)

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

雙層動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架扭桿彈性元件試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究

彭立群，林達(dá)文，張志強(qiáng)，成 博，陳 剛，王 進(jìn)

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007)

對(duì)彈性元件進(jìn)行復(fù)合加載疲勞試驗(yàn)是驗(yàn)證耐久性能的重要手段。簡(jiǎn)要分析了一種雙層動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向架二系懸掛扭桿彈性元件零件試驗(yàn)與系統(tǒng)試驗(yàn)兩種復(fù)合加載試驗(yàn)方案并進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)，研究表明:在兩種條件下彈性元件均具有較好的疲勞特性，兩種試驗(yàn)方案均具有復(fù)合加載試驗(yàn)功能，研究成果對(duì)軌道車(chē)輛彈性元件的研發(fā)和試驗(yàn)起指導(dǎo)作用。

動(dòng)車(chē)組;彈性元件;復(fù)合加載;試驗(yàn)研究

雙層動(dòng)車(chē)組是我國(guó)最新研制的一種新型動(dòng)車(chē)組，為提升載客量有效緩解城市公共交通壓力，該動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)成雙層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)速度為130 km/h。該車(chē)轉(zhuǎn)向架二系懸掛采用的是單空氣彈簧與抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)組合方式，應(yīng)用于抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)的彈性元件是車(chē)輛二系懸掛中重要的減振零件。

扭桿彈性元件在裝車(chē)前必須對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，尤其是產(chǎn)品的疲勞特性，為確保車(chē)輛的舒適度和安全性，更需要對(duì)其進(jìn)行合理、全面的試驗(yàn)。目前有關(guān)彈性元件的疲勞試驗(yàn)大都采用單方向加載進(jìn)行，這種方式不僅很難準(zhǔn)確反映產(chǎn)品的疲勞壽命，而且試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，為解決這一技術(shù)難題，文章以扭桿彈性元件為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了零件試驗(yàn)與系統(tǒng)試驗(yàn)兩種復(fù)合加載試驗(yàn)方案并進(jìn)行了比對(duì)試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 轉(zhuǎn)向架及扭桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙層動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架為無(wú)搖枕單空氣彈簧中心懸掛結(jié)構(gòu)，主要包括構(gòu)架、抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)、空氣彈簧系統(tǒng)、一系懸掛、牽引拉桿組件、輪對(duì)等［1-7］，見(jiàn)圖1。

圖1 雙層動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

其中空氣彈簧與抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)組合安裝為車(chē)輛二系懸掛，這種組合方式既能保證車(chē)輛具有良好的垂向振動(dòng)性能，克服了空氣彈簧垂向剛度少導(dǎo)致側(cè)滾角增加的缺點(diǎn)，約束車(chē)輛車(chē)體相對(duì)于轉(zhuǎn)向架的側(cè)滾，提高車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的抗側(cè)滾性能。

1.1 抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)

受轉(zhuǎn)向架安裝空間的限制，同時(shí)為了提高抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)承載穩(wěn)定性，該抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)成八字形。主要由扭桿、扭臂、連桿、支撐座關(guān)節(jié)、扭桿彈性元件和保護(hù)套等部件組成，為了減小外界環(huán)境對(duì)抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)的影響，除金屬件表面涂漆外，還設(shè)計(jì)了不銹鋼保護(hù)套對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，見(jiàn)圖2。

圖2 抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 扭桿彈性元件

扭桿彈性元件包括1組扭桿推力墊和1件扭桿支撐球鉸，產(chǎn)品均是金屬與橡膠通過(guò)高溫、高壓硫化而成的彈性元件，分別安裝于抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)兩內(nèi)側(cè)，當(dāng)車(chē)體與轉(zhuǎn)向架的相對(duì)位移引起扭桿系統(tǒng)連桿上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，扭桿彈性元件會(huì)同時(shí)承受來(lái)自徑向、軸向、剪切、扭轉(zhuǎn)4個(gè)方向的載荷［2］。

圖3 扭桿彈性元件結(jié)構(gòu)

2 復(fù)合加載試驗(yàn)簡(jiǎn)述

彈性元件在車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中通常會(huì)承載多方向的載荷，當(dāng)多向載荷共同對(duì)彈性元件作用時(shí)，這種加載模式一般定義為復(fù)合加載模式。目前有關(guān)彈性元件加載試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)主要有中國(guó)的TB/T 2843－2007《機(jī)車(chē)車(chē)輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》、南車(chē)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/ CSR 005－2005《機(jī)車(chē)車(chē)輛減振橡膠件》，歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 13913－2003《鐵路用橡膠彈性元件—基于彈性體的機(jī)械部件》、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS E 4710－1995《鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛橡膠隔振器通則》［3］。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗(yàn)室設(shè)計(jì)出了零件試驗(yàn)與系統(tǒng)試驗(yàn)2種復(fù)合加載試驗(yàn)方案，分別如圖4和圖5所示。

零件試驗(yàn):零件試驗(yàn)是指將扭桿彈性元件作為一個(gè)零件，通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用的試驗(yàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)多向載荷同時(shí)對(duì)產(chǎn)品作用，這種加載方式只能單一的扭桿彈性元件進(jìn)行組合加載試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)工裝設(shè)計(jì)技術(shù)提出了較高的要求。

圖4 零件試驗(yàn)

圖5 系統(tǒng)試驗(yàn)

系統(tǒng)試驗(yàn):系統(tǒng)試驗(yàn)是指將扭桿彈性元件作為一個(gè)部件安裝于抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)扭桿系統(tǒng)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)將載荷傳遞給彈性元件，這種加載方式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的組合加載能力提供了較高的要求。

3 試驗(yàn)研究

3.1 受力分析

扭桿彈性元件受力工況如圖6所示，當(dāng)抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)承受車(chē)體相對(duì)轉(zhuǎn)向架的側(cè)滾載荷時(shí)，使扭桿軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)位移和徑向位移，此時(shí)的扭桿支撐球鉸會(huì)承受徑向、扭轉(zhuǎn)、軸向載荷、扭桿推力墊會(huì)承受扭轉(zhuǎn)、軸向、剪切載荷，將2個(gè)產(chǎn)品受力工況合并，最終整個(gè)扭桿彈性元件同時(shí)承受的載荷主要有徑向、軸向、扭轉(zhuǎn)、剪切4向載荷。

3.2 試驗(yàn)裝置及原理

圖6 受力工況分析

3.2.1 零件試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，裝配關(guān)系見(jiàn)圖8。

圖7 零件試驗(yàn)裝置三維結(jié)構(gòu)圖

圖8 零件試驗(yàn)裝置三維裝配圖

扭桿彈性元件以組合方式安裝于試驗(yàn)裝置中，以消除扭轉(zhuǎn)摩擦力，其中豎向油缸1對(duì)鎖緊外套施加載拉壓載荷，實(shí)現(xiàn)支撐球鉸徑向加載以及推力墊剪切加載，采用螺栓鎖緊方式實(shí)現(xiàn)軸向加載，豎向油缸2施加的扭轉(zhuǎn)載荷通過(guò)芯軸傳遞給扭桿推力墊和支撐球鉸，實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)加載，其中試驗(yàn)原理見(jiàn)圖9。

圖9 零件試驗(yàn)原理圖

3.2.2 系統(tǒng)試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置主要由上端圓盤(pán)、安裝座組成，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。其中上端圓盤(pán)模擬車(chē)體連接部分，安裝座模擬轉(zhuǎn)向架構(gòu)架固定部分，試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖10。

圖10 系統(tǒng)試驗(yàn)裝置三維結(jié)構(gòu)圖

扭桿彈性元件以對(duì)稱(chēng)方式安裝于扭桿系統(tǒng)兩側(cè)，通過(guò)調(diào)整安裝座與力臂的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)軸向加載，設(shè)計(jì)豎向油缸1和豎向油缸2同時(shí)施加一對(duì)大小相等、方向相反的力偶對(duì)扭桿彈性元件進(jìn)行徑向、剪切、扭轉(zhuǎn)加載，其中試驗(yàn)原理見(jiàn)圖11。

圖11 系統(tǒng)試驗(yàn)原理圖

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

以某公司研制的雙層動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架扭桿彈性元件為例，分別采用零件試驗(yàn)和系統(tǒng)試驗(yàn)2種方案對(duì)其疲勞特性進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，研究在不同試驗(yàn)方案下產(chǎn)品疲勞特性。

3.3.1 零件試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)方法

依據(jù)《雙層動(dòng)車(chē)組扭桿彈性元件技術(shù)規(guī)范》，軸向加載20 kN，通過(guò)螺栓鎖緊保持不變，徑向加載±20 kN，扭轉(zhuǎn)±11°，同相位，循環(huán)加載200萬(wàn)次，頻率1.0 Hz，試驗(yàn)完成后觀察樣品變化情況。

(2)試驗(yàn)結(jié)果

200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，產(chǎn)品無(wú)明顯破壞，疲勞試驗(yàn)前后徑向與扭轉(zhuǎn)剛度曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖12和圖13。

3.3.2 系統(tǒng)試驗(yàn)

(1)試驗(yàn)方法

依據(jù)《雙層動(dòng)車(chē)組抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，軸向加載20 kN保持不變，油缸1施加載荷35 kN，油缸2施加－35 kN，頻率1 Hz，循環(huán)加載200萬(wàn)次，試驗(yàn)完成后觀察樣品變化情況。

(2)試驗(yàn)結(jié)果

200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后，產(chǎn)品無(wú)明顯破壞，疲勞試驗(yàn)前后徑向與扭轉(zhuǎn)剛度曲線(xiàn)分別圖12和圖13。

3.4 結(jié)果分析

剛度變化率和產(chǎn)品外觀是彈性元件疲勞失效主要的評(píng)判準(zhǔn)則。

剛度變化率:從圖12得知產(chǎn)品徑向剛度特性呈非線(xiàn)性，且4種工況下的徑向剛度變化趨勢(shì)基本一致，徑向剛度值與曲線(xiàn)斜率呈正比，其中零件試驗(yàn)和系統(tǒng)試驗(yàn)產(chǎn)品徑向剛度變化率分別為5.67%和4.76%，這表明產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)200次疲勞試驗(yàn)后剛度變化率較小，均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

產(chǎn)品外觀:用目測(cè)法觀察疲勞后產(chǎn)品外觀是評(píng)判產(chǎn)品疲勞失效最直接的方法，從圖14得知:通過(guò)200萬(wàn)次疲勞試驗(yàn)后的扭桿彈性元件，金屬與橡膠粘合外無(wú)裂紋、橡膠表面無(wú)粉末，產(chǎn)品外觀無(wú)明顯破壞。這表明該產(chǎn)品具有較好的疲勞性能，能滿(mǎn)足實(shí)際裝車(chē)的要求。

圖12 產(chǎn)品疲勞前后徑向剛度曲線(xiàn)

圖13 產(chǎn)品疲勞前后扭轉(zhuǎn)剛度曲線(xiàn)

圖14 疲勞后產(chǎn)品狀態(tài)

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析扭桿彈性元件在轉(zhuǎn)向架的安裝和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了零件試驗(yàn)與系統(tǒng)試驗(yàn)2種復(fù)合加載試驗(yàn)方案，為同類(lèi)彈性元件復(fù)合加載疲勞試驗(yàn)提供設(shè)計(jì)參考。

(2)通過(guò)2種方案的比對(duì)試驗(yàn)，研究表明:2種復(fù)合加載試驗(yàn)裝置均能按試驗(yàn)條件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，能完全模擬產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)營(yíng)工況。

(3)研究成果達(dá)到了試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的，可為同類(lèi)彈性元件研發(fā)和試驗(yàn)起指導(dǎo)作用。

［1］ 王文華，冬宋.出口澳大利亞雙層動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架研制［J］.鐵道車(chē)輛，2010，48(5):17-19.

［2］ 彭立群，林達(dá)文.一種橡膠彈性組徑向、軸向、剪切、扭轉(zhuǎn)4向加載疲勞試驗(yàn)裝置:中國(guó)，CN 201020136953.8［P］.2010－03－18.

［3］ 彭立群，林達(dá)文.軌道車(chē)輛抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)3點(diǎn)協(xié)調(diào)加載試驗(yàn)研究［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2013，33(3):49-52.

［4］ 彭立群，林達(dá)文.軌道車(chē)輛抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)試驗(yàn)研究［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2011，31(2):104-106.

［5］ 彭立群，林達(dá)文.跨坐式單軌車(chē)轉(zhuǎn)向架牽引機(jī)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究［J］.鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛，2014，34(2):70-73.

［6］ 王進(jìn)，譚帥霞，林達(dá)文.軌道交通橡膠彈性元件配方分析和性能試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2013.

［7］ 劉建勛，卜繼玲.軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架橡膠彈性元件應(yīng)用技術(shù)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2012.

［8］ 彭立群.雙層動(dòng)車(chē)組扭桿彈性元件技術(shù)規(guī)范［Z］.株州:株州時(shí)代新材料科技股份有限公司.2011.

Experimental Design and Research of the Double EMU Bogie Torsion Elastic Element

PENG Liqun，LIN Dawen，ZHANG Zhiqiang，CHENG Bo，CHEN Gang，WANG Jin
(Zhuzhou Times New Material Technology Co.，Ltd.CSR，Zhuzhou 412007 Hunan，China)

The elastic elements combined loading fatigue testing is an important means to verify the durability.This article briefly analyzes the double EMU bogie structure designed bogie secondary suspension torsion elastic element parts test and test both systems combined loading test program and conducted comparative tests.Studies show that:under both conditions the elastic element has good fatigue properties，the two pilot programs both have the combined loading test function.Research results play a guiding role for the development and testing of rail vehicles elastic element.

EMU;the elastic element;combined loading;experimental research

U270.331+.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.12

1008－7842(2015)02－0051－04

3—)男，工程師(

2014－10－13)