一種軌道車輛用縱向牽引橡膠裝置的設(shè)計

孫海燕， 蘭加標(biāo)， 馮萬盛， 林 勝， 榮繼綱

(株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007)

軌道車輛的發(fā)展，環(huán)境友好性的要求日益成為主導(dǎo)，車輛對于軌道的磨耗越來越被重視。車輛制造商在設(shè)計轉(zhuǎn)向架時，追求既可以滿足車輛的高承載能力，又盡可能將轉(zhuǎn)向架自重降低，從而降低車輛對軌道的磨耗，以達(dá)到整個軌道系統(tǒng)壽命周期成本(LCC)的最優(yōu)化。

針對這一發(fā)展趨勢，筆者介紹一種輕便的二系縱向牽引橡膠裝置。轉(zhuǎn)向架的牽引裝置是連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體并傳遞牽引力與制動力的重要部件，機車車輛的牽引方式多種多樣，包括單拉桿牽引、雙平桿牽引、雙側(cè)拉桿牽引和牽引橡膠堆等[1]。

介紹的牽引裝置可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的牽引拉桿裝置或者浮動牽引系統(tǒng)(雙平桿牽引、雙側(cè)拉桿牽引和牽引橡膠堆形式)，提供車輛所需的牽引力和制動力，同時該橡膠牽引裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)牽引裝置同樣的功能，傳遞車輛的牽引力和制動力，并提供柔性連接和吸收二系懸掛產(chǎn)生的振動，且設(shè)計壽命期為12年，壽命期內(nèi)免維護，極大降低了車輛的維護成本。

1 二系牽引裝置的常見形式及其承載特性

二系牽引裝置常見的形式有牽引中心銷裝置與兩根牽引拉桿形成的Z形浮動牽引裝置、單牽引拉桿裝置以及牽引中心銷裝置與牽引橡膠堆組成的牽引裝置。

1.1 Z形浮動牽引裝置

Z形浮動牽引裝置由牽引中心銷裝置和牽引拉桿裝置兩個相互獨立的部分組成[2]，包括金屬部件和橡膠球鉸，由橡膠球鉸提供縱向承載和柔性連接。此種牽引裝置質(zhì)量大，整個牽引系統(tǒng)一般質(zhì)量為60 kg。整個牽引系統(tǒng)的縱向剛度性能是一條非線性的曲線[1]，如圖2，為實現(xiàn)非線性要求，牽引中心銷橡膠球鉸以及牽引桿橡膠球鉸需要進行空實向設(shè)計，即在橡膠體上增加開孔設(shè)計，而開孔處應(yīng)力應(yīng)變水平較高，為薄弱處，容易產(chǎn)生疲勞問題，而球鉸制造過程中出現(xiàn)的各種偏差，也容易出現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量問題[3]。

圖1 Z形浮動牽引裝置示意圖

圖2 Z形浮動牽引裝置的縱向剛度曲線

1.2 單牽引拉桿裝置

單牽引拉桿裝置由牽引拉桿和橡膠球鉸組成，一般質(zhì)量為30 kg，也要求變剛度設(shè)計，橡膠球鉸需進行空實向設(shè)計，兩個橡膠球鉸需要承擔(dān)車輛的牽引/制動載荷，及各方向的偏扭轉(zhuǎn)載荷，橡膠球鉸受載情況復(fù)雜，易出現(xiàn)疲勞失效，牽引球鉸的設(shè)計及驗證工作復(fù)雜。根據(jù)時代新材多年的牽引拉桿橡膠球鉸的開發(fā)經(jīng)驗，此種牽引裝置中的橡膠球鉸受載情況最為惡劣，疲勞失效比例也最高，運行過程中的維護費用高。

圖3 單牽引拉桿組成

1.3 牽引中心銷與牽引橡膠堆組成的牽引系統(tǒng)

某些車輛的設(shè)計二系牽引裝置有牽引中心銷球鉸和牽引橡膠堆組成，包括金屬部件、橡膠球鉸和橡膠堆[4]，此種結(jié)構(gòu)可靠性高，變剛度特性不明顯，且整個系統(tǒng)質(zhì)量大，一般大于50 kg。

圖4 牽引中心銷和牽引橡膠堆組成的牽引系統(tǒng)

傳統(tǒng)的二系牽引裝置根據(jù)不同的設(shè)計，滿足車輛動力學(xué)性能的同時，普遍質(zhì)量大，橡膠球鉸的設(shè)計復(fù)雜，無法滿足車輛設(shè)計輕量化，磨耗小，環(huán)境友好日益迫切的要求。

2 技術(shù)要求

為滿足車輛設(shè)計輕量化的要求，彌補傳統(tǒng)牽引裝置的不足，介紹一種新型的牽引橡膠裝置，該牽引橡膠裝置既適用于干線車輛也適用于地鐵車輛，與金屬牽引中心銷配合，承擔(dān)傳遞車輛牽引力和制動力的作用，同時提供合適的扭轉(zhuǎn)剛度以實現(xiàn)車輛良好的過彎道性能，滿足車輛動力學(xué)性能所需的縱向牽引性能。

根據(jù)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計，車輛二系牽引裝置需要非線性要求，小牽引載荷下提供柔性變形，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的動力學(xué)性能及車輛的舒適度要求，而大牽引載荷下提供限位功能，保證行車的安全性。同時車輛行駛過程中橫向的附加力也將作用于牽引橡膠裝置上，這就需要牽引橡膠裝置有較小的橫向剛度或者特殊的設(shè)計減小橫向剛度，以減輕橫向附加力對整個二系懸掛的影響。根據(jù)轉(zhuǎn)向架動力學(xué)性能計算，牽引橡膠裝置的技術(shù)要求見圖6及表1。

1-牽引橡膠裝置；2-中心銷圖5 牽引橡膠裝置的安裝位置示意圖

3 新型牽引橡膠裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 新型牽引橡膠裝置的結(jié)構(gòu)特點及承載特性分析

新型牽引橡膠裝置僅為安裝于中心銷兩側(cè)的橡膠彈簧，安裝簡便，結(jié)構(gòu)簡單，且質(zhì)量輕，兩個橡膠彈簧的總質(zhì)量僅為13 kg，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)牽引裝置的動輒50 kg以上。由表1可知，為滿足新型牽引裝置的變剛度要求，及車輛過曲線時的偏擺要求，橡膠采用錐形結(jié)構(gòu)，并在產(chǎn)品上設(shè)計硬止擋，以實現(xiàn)車輛非線性的牽引動力學(xué)性能。同時新型牽引橡膠裝置與中心銷的間隙僅為1～2 mm，鑒于各零部件的制造公差，新型牽引橡膠裝置在運行過程中與中心銷基本屬于常接觸，同時為減小橫向附加力對牽引橡膠裝置造成的剪切影響，新型牽引橡膠裝置采用錐形橡膠結(jié)構(gòu)同時設(shè)計有耐磨板，錐形橡膠結(jié)構(gòu)提供牽引橡膠裝置大的橫向剛度和垂向剛度(橫向剛度>2.5 kN/mm，常規(guī)產(chǎn)品僅為0.2～0.5 kN/mm)，耐磨板采用摩擦系數(shù)低且強度好的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE),會使橡膠裝置在大位移下滑動，雙重保證，以避免橡膠受大的剪切變形，從而提升了牽引橡膠裝置的疲勞壽命。

1-底板；2-橡膠；3-頂板；4-耐磨板。圖7 新型牽引橡膠裝置設(shè)計方案

由圖7可知，新型牽引橡膠裝置采用錐形橡膠結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)錐形橡膠套的計算方法，近似計算牽引橡膠裝置的40 kN之前(40 kN為牽引橡膠裝置的工作載荷，且為線性區(qū)域)的牽引剛度Ka=4.3 kN/mm。

l為錐形橡膠套平均長度，mm；

E,G為橡膠的楊氏彈性模數(shù)及剪切模數(shù)，N/mm2;

a為圓錐頂角之半(°)；

μ1為形狀系數(shù)，μ1=1+mS；

S為面積比，

m為系數(shù)，一般取1；

圖8 軸向剛度計算示意圖

3.2 有限元分析

為驗證3.1所述的結(jié)構(gòu)滿足表1所示的載荷要求，對該結(jié)構(gòu)進行了有限元分析，F(xiàn)EA分析所用材料參數(shù)來源于株洲時代新材料科技股份有限公司FEA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

3.2.1橡膠材料參數(shù)

橡膠部分采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型進行模擬，其本構(gòu)模型參數(shù)見表2，橡膠材料的機械性能參數(shù)見表3。

表2 Mooney-Rivlin參數(shù)

表3 橡膠材料的機械性能

3.2.2金屬材料參數(shù)

牽引橡膠裝置的頂板和底板采用Q345B的材料，材料特性參數(shù)見表4。

表4 金屬材料特性參數(shù)

3.2.3邊界條件

牽引橡膠裝置的有限元計算采用了如圖9所示的1/2網(wǎng)格模型，頂板和底板部分運用C3D8R單元進行模擬，頂板網(wǎng)格數(shù)量為5 518，底板3 198；橡膠部分運用C3D8H單元進行模擬，網(wǎng)格數(shù)量為8 430。

通過分析可知產(chǎn)品結(jié)構(gòu)能夠滿足剛度要求且能實現(xiàn)變剛度性能。橡膠在縱向最大載荷下的最大應(yīng)變?yōu)?03%，與橡膠扯斷伸長率555%比，應(yīng)變水平遠(yuǎn)低于橡膠扯斷伸長率；金屬的最大應(yīng)力為33.10 MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所選材料Q345B的屈服強度(屈服強度≥325 MPa)。因此產(chǎn)品的可靠性能夠得到保證。

3.3 試驗驗證

根據(jù)牽引橡膠裝置使用位置及功能，對3.1所述的結(jié)構(gòu)進行了試驗驗證方案設(shè)計，并進行了驗證。

3.3.1靜態(tài)剛度試驗

對靜態(tài)剛度的試驗驗證選擇某單位制造的CSS5300電子萬能試驗機進行產(chǎn)品的縱向剛度試驗，試驗機的量程為0～100 kN，引伸計量程為0～5 mm，精度為示值的1%，如圖11、12。試驗方法參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13913 鐵路應(yīng)用-橡膠懸掛部件-彈性體機械部件。剛度試驗結(jié)果見表7。

圖9 新型牽引橡膠裝置有限元分析模型

項目工況條件技術(shù)要求計算結(jié)果縱向剛度/(kN·mm-1)0～30kN4±15%4.3>8mm>66.6橫向剛度/(kN·mm-1)6mm-10

圖10 縱向最大載荷50 kN & 偏擺最大角度5°下的應(yīng)力應(yīng)變云圖

序號項目1外觀及尺寸檢驗2材料性能檢驗(橡膠及金屬)3粘結(jié)試驗4縱向剛度5橫向剛度6疲勞試驗7摩擦試驗

3.3.2摩擦試驗

為驗證牽引橡膠裝置的摩擦性能，對該產(chǎn)品進行摩擦試驗驗證，試驗結(jié)果見表8，可以看出牽引橡膠裝置在2.5 mm左右即已打滑，摩擦系數(shù)為0.09，滿足要求≤0.1。摩擦試驗裝置見圖13，摩擦試驗曲線見圖14。

3.3.3疲勞試驗

為更好驗證牽引橡膠裝置的可靠性，設(shè)計了與產(chǎn)品在車輛上安裝類似的試驗工裝模擬產(chǎn)品實際運行過程中出現(xiàn)的載荷，以驗證牽引橡膠裝置的可靠性，疲勞試驗設(shè)計為偏擺疲勞試驗。

偏擺疲勞試驗原理是將牽引橡膠裝置固定于試驗平臺上，通過一根擺桿加載軸向預(yù)載，模擬牽引橡膠裝置所承受的縱向牽引/制動力，橫向油缸施加剪切位移，以模擬車輛通過曲線時產(chǎn)生的橫向位移，橡膠變形，使得牽引橡膠裝置承擔(dān)橫向位移及偏擺角度，如圖15所示。

根據(jù)表1的要求，某型轉(zhuǎn)向架用牽引橡膠裝置的12年疲勞壽命要求，轉(zhuǎn)化為試驗室可驗證的疲勞試驗條件為，縱向預(yù)載40 kN，偏擺動態(tài)載荷±4°，需完成100萬次[6]。

完成100萬次偏擺疲勞試驗后，牽引橡膠裝置外觀良好，且剛度變化率僅為8.68%，完全滿足牽引橡膠裝置12年的壽命要求。疲勞試驗參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13913 鐵路應(yīng)用-橡膠懸掛部件-彈性體機械部件，疲勞試驗橡膠表面溫度超過40℃時，采用降溫措施或者降低頻率。

表7 牽引橡膠裝置縱向剛度試驗結(jié)果

圖11 牽引橡膠裝置縱向剛度試驗

圖12 牽引橡膠裝置的縱向剛度曲線——試驗結(jié)果與有限元計算結(jié)果對比

縱向載荷/kN橫向位移/mm打滑點/mm橫向載荷摩擦系數(shù)50±102.54.670.09

圖13 牽引橡膠裝置摩擦試驗

圖14 牽引橡膠裝置摩擦試驗曲線

圖15 偏擺疲勞試驗原理圖

4 裝車驗證

該牽引橡膠裝置開發(fā)成功后，即在英國 進行了裝車試運行，于2015年10月份開始試運行，列車運行速度100 km/h，目前已運行1年時間，根據(jù)車輛的維護計劃，產(chǎn)品運行狀態(tài)良好，未有任何不良反饋，同時后續(xù)也會根據(jù)車輛的維護計劃定期進行檢查維護，見圖16。

表9 偏擺疲勞試驗結(jié)果

圖16 牽引橡膠裝置裝車示意圖

5 結(jié) 論

(1) 提出了一種輕便的牽引橡膠裝置，質(zhì)量只有傳統(tǒng)牽引裝置的一半，可以極大地降低車輛轉(zhuǎn)向架的整體質(zhì)量，降低車輛整體的磨耗。

(2) 該牽引橡膠裝置可以實現(xiàn)車輛牽引所需的變剛度要求，且同時滿足車輛的動力學(xué)性能。該牽引橡膠裝置，采用錐形橡膠結(jié)構(gòu)設(shè)計，在頂部設(shè)計有摩擦板，且橫向剛度大，橡膠裝置在2.5 mm的橫向變形時即發(fā)生了滑動，保護了牽引橡膠裝置免受大變形的剪切力，提高了牽引橡膠裝置的可靠性，從而可降低產(chǎn)品的整個壽命周期成本(LCC)。

(3) 文中研究的這種牽引橡膠裝置，結(jié)構(gòu)簡單，為軌道交通車輛二系牽引系統(tǒng)提供了更輕、更經(jīng)濟的解決方案，可以廣泛應(yīng)用于各種輕軌、地鐵、有軌電車及高速列車上。

[1] 劉健勛，卜繼玲.軌道車輛轉(zhuǎn)向架橡膠彈性元件應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2] 嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[3] 孫海燕，馮萬盛，黃友劍，等.一款高速車牽引橡膠球鉸承載特性的研究[J].鐵道機車車輛，2012,32(2):46-48.

[4] 劉穎峰.上海1號線牽引橡膠堆研制報告[R].2006.

[5] 龔積球，龔震震，趙熙雍.橡膠件的工程設(shè)計及應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2003.

[6] 蘭加標(biāo).縱向牽引橡膠裝置研制報告[R].2014.