彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響

楊 陽(yáng)，丁軍君，李 芾，蔣 寬

(1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.廣州電力機(jī)車(chē)有限公司 技術(shù)中心，廣東 廣州 510850)

彈性車(chē)輪在輪芯與輪箍之間安裝橡膠件，使其在三維方向上的剛度與剛性車(chē)輪相比變得更加的柔軟，從而能明顯降低輪軌噪聲，減小輪軌作用力，緩和沖擊，提高運(yùn)行平穩(wěn)性[1]。由于上述特性，彈性車(chē)輪在城軌車(chē)輛上開(kāi)始逐漸使用。根據(jù)橡膠件結(jié)構(gòu)不同彈性車(chē)輪可分為剪切型、壓縮型和壓剪復(fù)合型。壓剪復(fù)合型彈性車(chē)輪橡膠件呈V型布置，通過(guò)改變V型角度可以合理匹配軸向和徑向剛度。這種彈性車(chē)輪安裝檢修比較方便，得到了廣泛運(yùn)用，代表著彈性車(chē)輪的發(fā)展方向[2]。

彈性車(chē)輪的性能受到越來(lái)越多的關(guān)注，文獻(xiàn)[3]建立了彈性車(chē)輪的輪軌垂向動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，研究其對(duì)軌道及周?chē)h(huán)境振動(dòng)的影響，計(jì)算結(jié)果表明在其他參數(shù)不變的情況下采用彈性車(chē)輪后輪軌垂向力可降低至70%。文獻(xiàn)[4]建立用于計(jì)算輪軌噪聲預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)作用的模型，分析彈性車(chē)輪的扁疤對(duì)道床振動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[5]提出了基于彈性車(chē)輪輪箍相對(duì)于輪芯6向剛度的動(dòng)力學(xué)復(fù)合模型，并就彈性車(chē)輪對(duì)車(chē)輛的臨界速度、平穩(wěn)性、曲線通過(guò)性能和輪軌磨耗等指標(biāo)的影響進(jìn)行研究。但上述研究均未考慮彈性車(chē)輪等效剛度數(shù)值變化對(duì)研究結(jié)果的影響，以及彈性車(chē)輪等效剛度的影響因素。

等效剛度是彈性車(chē)輪的重要參數(shù)，目前應(yīng)用的不同類(lèi)型彈性車(chē)輪等效剛度差距較大，如Bochum 54型彈性車(chē)輪的徑向剛度為80 kN·mm-1、軸向剛度為9 kN·mm-1；Bochum 06型彈性車(chē)輪的徑向剛度為250 kN·mm-1、軸向剛度為40 kN·mm-1；LoRa型彈性車(chē)輪的徑向剛度為20 kN·mm-1、軸向剛度為60 kN·mm-1。彈性車(chē)輪用橡膠件的材料參數(shù)、預(yù)壓縮量和環(huán)境溫度對(duì)等效剛度有一定的影響，目前對(duì)彈性車(chē)輪進(jìn)行研究時(shí)往往忽略其扭轉(zhuǎn)剛度及偏轉(zhuǎn)剛度。因此，研究彈性車(chē)輪等效剛度大小對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響以及彈性車(chē)輪等效剛度的影響因素是十分必要的。

本文對(duì)彈性車(chē)輪等效剛度影響因素以及等效剛度變化對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究，以期對(duì)彈性車(chē)輪的設(shè)計(jì)及其實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)。

1 彈性車(chē)輪等效剛度影響因素

在笛卡爾坐標(biāo)系中，設(shè)X，Y和Z向分別為縱向、橫向和垂向，彈性車(chē)輪的輪芯相對(duì)于輪箍具有6個(gè)方向的等效剛度，分別為相對(duì)于X，Y和Z軸的移動(dòng)及相對(duì)于X，Y和Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，即X向徑向剛度、Y向軸向剛度、Z向徑向剛度及X向偏轉(zhuǎn)剛度、Y向扭轉(zhuǎn)剛度、Z向偏轉(zhuǎn)剛度。其中，X向徑向剛度與Z向徑向剛度的數(shù)值相同，統(tǒng)稱(chēng)徑向剛度；繞X向偏轉(zhuǎn)剛度與繞Z向偏轉(zhuǎn)剛度的數(shù)值相同，統(tǒng)稱(chēng)偏轉(zhuǎn)剛度。

彈性車(chē)輪的徑向剛度決定其能夠承受的最大垂向載荷，若徑向剛度不足垂向載荷較大時(shí)，輪箍將會(huì)產(chǎn)生較大的變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致輪箍斷裂翻車(chē)等嚴(yán)重后果；軸向剛度決定其相對(duì)于軌道的橫向位移，軸向剛度較小時(shí)可能會(huì)發(fā)生落軌或脫軌事故。制動(dòng)和牽引力通過(guò)輪芯與橡膠件及輪箍與橡膠件之間的摩擦力傳遞，若扭轉(zhuǎn)剛度不足，輪箍及輪芯與橡膠件之間會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。偏轉(zhuǎn)剛度限制輪箍相對(duì)于輪芯的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度不足時(shí)，將造成輪箍發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)。

1.1 彈性車(chē)輪有限元模型

彈性車(chē)輪使用的橡膠件為一種典型的超彈性材料，與線性材料不同，其本構(gòu)模型一般不采用彈性模量和泊松比，而采用多項(xiàng)式形式的應(yīng)變能密度U表示為

(1)

其中，

祝慶英版：要是大伙兒對(duì)殘暴的人都一味和氣，一味順從，那壞人可就由著性子胡作非為了；他們就永遠(yuǎn)不會(huì)有什么顧忌，他們也就永遠(yuǎn)不會(huì)改好，反而會(huì)變得越來(lái)越壞。

對(duì)于名義應(yīng)變不大的變形問(wèn)題分析，多項(xiàng)式模型通常能夠準(zhǔn)確描述材料特性，可以通過(guò)選擇不同的Cij數(shù)值實(shí)現(xiàn)neo-Hookean，Mooney-Rivlin和Yeoh等模型。其中Mooney-Rivlin模型適合于中小變形，能夠很好地模擬拉伸變形小于100%和壓縮變形小于30%的情況，適合模擬彈性車(chē)輪橡膠件的超彈特性。因此，彈性車(chē)輪橡膠件材料的本構(gòu)模型選擇Mooney-Rivlin模型，其應(yīng)變能勢(shì)密度[6]為

(2)

其中，

μ0=2(C10+C01)

式中：μ0為初始剪切模量；K0為初始體積模量；C10和C01為模型的材料參數(shù)。

泊松比ν與剪切模量、體積模量的關(guān)系為

(3)

彈性車(chē)輪橡膠件作為彈性車(chē)輪的核心部件，其結(jié)構(gòu)形式及性能直接決定彈性車(chē)輪的減振性能。橡膠件性能首先需要滿足良好的減振降噪性能以及良好的耐疲勞性能，其次為了滿足車(chē)輪在使用過(guò)程中的熱循環(huán)要求，橡膠件應(yīng)該具有較小的沉降值及良好的低溫特性。此外，在進(jìn)行橡膠件的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證其表面的變形比較均勻，外形規(guī)整，在過(guò)渡處應(yīng)有一定的圓弧，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[8]，橡膠件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈性車(chē)輪橡膠件結(jié)構(gòu)

壓剪復(fù)合型彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)如圖2所示，由輪芯、輪箍、26塊橡膠件、壓環(huán)及16個(gè)螺栓組成。橡膠件與壓環(huán)、輪芯過(guò)盈配合，預(yù)壓縮量為4.5 mm，壓環(huán)與輪芯通過(guò)緊固螺栓進(jìn)行加固。新輪的直徑為 600 mm。

圖2 彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)圖

在Abaqus軟件中建立彈性車(chē)輪有限元模型如圖3所示，采用六面體實(shí)體單元離散。輪箍、輪芯、壓環(huán)和螺栓單元類(lèi)型均為C3D8R，劃分單元數(shù)目分別為44 016，37 686，29 769和252個(gè)；橡膠件單元類(lèi)型為C3D8H非線性大變形單元類(lèi)型，劃分橡膠件單元數(shù)目為760個(gè)。

圖3 彈性車(chē)輪有限元模型

1.2 橡膠件材料參數(shù)

橡膠件的材料參數(shù)直接決定橡膠件的性能，在進(jìn)行有限元分析時(shí)橡膠的本構(gòu)模型選擇Mooney-Rivlin模型，該模型的材料參數(shù)為C10和C01。由于彈性車(chē)輪目前在國(guó)內(nèi)尚屬起步階段，上述參數(shù)并未有明確數(shù)值，在相關(guān)研究中使用了多組參數(shù)，見(jiàn)表1。

不同文獻(xiàn)對(duì)Mooney-Rivlin模型中材料參數(shù)的使用范圍較廣，本文取上述關(guān)鍵參數(shù)中的最大、最小以及中間值分別作為研究對(duì)象，在其他參數(shù)不變的情況下研究其對(duì)彈性車(chē)輪剛度的影響，得到彈性車(chē)輪各向等效剛度即載荷與位移、力矩與角度的關(guān)系曲線如圖4所示，各向等效剛度的具體數(shù)值見(jiàn)表2。由圖4和表2可知：隨著Mooney-Rivlin模型中材料參數(shù)的增加，彈性車(chē)輪各向等效剛度大幅增加。

表1 Mooney-Rivlin模型的材料參數(shù)

圖4 彈性車(chē)輪等效剛度

模型的材料參數(shù)徑向剛度/(MN·m-1)軸向剛度/(MN·m-1)扭轉(zhuǎn)剛度/(MN·m·rad-1)偏轉(zhuǎn)剛度/(MN·m·rad-1)C10=0.807 3, C01=0.168 937.0910.490.290.46C10=1.271, C01=0.31847.5117.890.610.73C10=2.90, C01=0.726177.0750.541.221.99

1.3 預(yù)壓縮量

在初始情況下，橡膠件需要一定的預(yù)壓縮量，以使橡膠件與輪芯、輪箍接觸面處有足夠大的接觸壓力，從而保證彈性車(chē)輪在受到大的扭矩作用時(shí)輪芯和輪箍之間不會(huì)發(fā)生大的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)，預(yù)壓縮量同樣能夠增加彈性車(chē)輪其他方向的等效剛度。橡膠件材料是一種不可壓縮超彈性材料，在壓縮過(guò)程中其體積保持不變。彈性車(chē)輪預(yù)先設(shè)置的壓縮量一般為自然狀態(tài)厚度的15%～25%[12-13]。

根據(jù)橡膠件的實(shí)際尺寸，在其他參數(shù)不變的情況下，預(yù)壓縮量為3.5，4.5和5.5 mm時(shí)彈性車(chē)輪等效剛度曲線如圖5所示，各向等效剛度見(jiàn)表3。由圖5和表3可知：隨著橡膠件預(yù)壓縮量的增加彈性車(chē)輪等效剛度急劇增加，預(yù)壓縮量為4.5 mm時(shí)其徑向剛度比3.5 mm時(shí)增加48.26 MN·m-1，預(yù)壓縮量為5.5 mm時(shí)其徑向剛度比4.5 mm時(shí)增加65.11 MN·m-1；徑向剛度增加量與預(yù)壓縮量呈現(xiàn)非線性趨勢(shì)，當(dāng)基數(shù)越大時(shí)，徑向剛度增量越大，其他方向剛度也表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)。

1.4 溫度場(chǎng)

我國(guó)國(guó)土面積廣，從南至北溫度差異較大，最低溫度可以達(dá)到零下30 ℃，最高地表溫度可達(dá)零上60 ℃，由于鋼材與橡膠的熱線膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時(shí)，彈性車(chē)輪的等效剛度也會(huì)發(fā)生一定的變化，所以需要研究線膨脹系數(shù)不同對(duì)彈性車(chē)輪等效剛度的影響。計(jì)算時(shí)橡膠的線膨脹系數(shù)取115×10-6℃-1，鋼材的線膨脹系數(shù)取1.35×10-5℃-1。

圖5 彈性車(chē)輪等效剛度

預(yù)壓縮量/mm徑向剛度/(MN·m-1)軸向剛度/(MN·m-1)扭轉(zhuǎn)剛度/(MN·m·rad-1)偏轉(zhuǎn)剛度/(MN·m·rad-1)3.5128.8044.540.831.714.5177.0750.541.211.995.5242.1859.521.672.44

分別計(jì)算溫度為-30，25及60 ℃時(shí)彈性車(chē)輪等效剛度變化情況，結(jié)果如圖6所示，各向等效剛度具體數(shù)值見(jiàn)表4。由圖6和表4可知：隨著溫度的升高彈性車(chē)輪等效剛度增加，且幅度較大，故在彈性車(chē)輪設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)考慮使用環(huán)境對(duì)其等效剛度的影響；平均溫度每增加1 ℃，徑向剛度、軸向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度及偏轉(zhuǎn)剛度平均增加0.609 MN·m-1，0.068 MN·m-1，0.002 MN·m·rad-1及0.003 MN·m·rad-1。

圖6 彈性車(chē)輪等效剛度

表4 彈性車(chē)輪等效剛度數(shù)值

2 彈性車(chē)輪及整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

基于彈性車(chē)輪的傳統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立其6自由度復(fù)合模型，其運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系如圖7所示。圖中：括號(hào)內(nèi)X，Y和Z對(duì)于力元表示在該方向設(shè)置剛度，對(duì)于鉸接表示具有該方向自由度；括號(hào)內(nèi)al，be和ga分別表示在繞X，Y和Z轉(zhuǎn)動(dòng)方向設(shè)置剛度或者具有繞X，Y和Z轉(zhuǎn)動(dòng)方向的自由度。

圖7 彈性車(chē)輪6自由度復(fù)合模型的運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系

目前彈性車(chē)輪主要應(yīng)用于低地板有軌電車(chē)上，故在研究等效剛度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)影響時(shí)選擇廣州電力機(jī)車(chē)有限公司自主研發(fā)的70%低地板有軌電車(chē)作為研究對(duì)象，如圖8所示，該車(chē)已經(jīng)完成生產(chǎn)并下線。

圖8 70%低地板有軌電車(chē)

在多體動(dòng)力學(xué)分析軟件Simpack中建立具有3節(jié)車(chē)輛、153自由度的整車(chē)橫—垂—縱向耦合動(dòng)力學(xué)模型，各組成部件自由度見(jiàn)表5。表中：“·”表示具有該方向自由度；“-”表示無(wú)該方向自由度。

表5整車(chē)橫—垂—縱向耦合動(dòng)力學(xué)模型的各組成部件不同方向的自由度

部件名稱(chēng)數(shù)量參考坐標(biāo)系不同方向自由度的設(shè)置情況伸縮橫移沉浮側(cè)滾點(diǎn)頭搖頭自由度數(shù)/個(gè)前端車(chē)1軌道 ······6中間車(chē)1前端車(chē)-----·1后端車(chē)1中間車(chē)----··2搖枕 2車(chē)體 --··-·6構(gòu)架 3軌道 ······18軸箱 12輪對(duì) ----·-12車(chē)軸 6軌道 ····-·30中間體6輪箍 ----·-6輪箍 12軌道 ······72

在建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型時(shí)考慮了非線性的輪軌接觸關(guān)系和車(chē)輛懸掛系統(tǒng)參數(shù)，輪軌接觸力利用Kalker簡(jiǎn)化理論FASTSIM進(jìn)行計(jì)算[14]。整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型如圖9所示。

圖9 整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型

3 彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能影響

對(duì)于軌道交通車(chē)輛，使用彈性車(chē)輪相當(dāng)于在一系、二系的基礎(chǔ)上多出了一套懸掛系統(tǒng)，而彈性車(chē)輪等效剛度的不同必定對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)上述不同參數(shù)下彈性車(chē)輪等效剛度計(jì)算結(jié)果確定其研究范圍，并對(duì)不同等效剛度進(jìn)行編號(hào)，以方便后續(xù)研究，各向等效剛度編號(hào)及對(duì)應(yīng)的數(shù)值見(jiàn)表6。

表6 彈性車(chē)輪等效剛度編號(hào)及對(duì)應(yīng)的數(shù)值

研究彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響時(shí)，軸箱振動(dòng)加速度、輪軌垂向力和直線運(yùn)行平穩(wěn)性為直線工況下車(chē)輛最高運(yùn)行速度為80 km·h-1時(shí)計(jì)算得到，曲線通過(guò)能力為曲線工況下車(chē)輛通過(guò)50 m半徑曲線時(shí)計(jì)算得到，其中軌道激勵(lì)為美國(guó)5級(jí)譜。

3.1 軸箱振動(dòng)加速度

軸箱橫向振動(dòng)加速度隨彈性車(chē)輪等效剛度變化情況如圖10所示。由圖10可知：偏轉(zhuǎn)剛度對(duì)軸箱橫向振動(dòng)加速度的影響最大，隨著偏轉(zhuǎn)剛度的增加軸箱橫向振動(dòng)加速度也隨之增加；當(dāng)徑向剛度、軸向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度分別大于74 MN·m-1，20 MN·m-1及0.56 MN·m·rad-1時(shí)對(duì)軸箱橫向振動(dòng)加速度的影響較小，小于上述數(shù)值時(shí)軸箱橫向振動(dòng)加速度隨軸向、扭轉(zhuǎn)剛度的增加而增加，而徑向剛度表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。

圖10 軸箱橫向振動(dòng)加速度

彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)軸箱垂向振動(dòng)加速度影響如圖11所示。由圖11可知：徑向剛度對(duì)軸箱垂向振動(dòng)加速度的影響較大，隨著徑向剛度的增加軸箱垂向振動(dòng)加速度減??；其他方向等效剛度對(duì)軸箱垂向振動(dòng)加速度的影響較小。

圖11 軸箱垂向振動(dòng)加速度

3.2 輪軌垂向力

輪軌垂向力是輪軌動(dòng)態(tài)作用的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)其影響如圖12所示。由圖12可知：隨著軸向和偏轉(zhuǎn)剛度的增加輪軌垂向力整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，而徑向剛度的影響規(guī)律與之相反，呈減小趨勢(shì)；扭轉(zhuǎn)剛度大于0.56 MN·m·rad-1時(shí)對(duì)輪軌垂向力的影響不大。

圖12 輪軌垂向力

3.3 直線運(yùn)行平穩(wěn)性

彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)車(chē)輛直線運(yùn)行平穩(wěn)性的影響如圖13和圖14所示。由圖13可知：對(duì)于車(chē)輛橫向平穩(wěn)性，扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)其影響最大，但變化范圍在0.1以?xún)?nèi)，其他方向等效剛度對(duì)車(chē)輛橫向平穩(wěn)性基本沒(méi)有影響。由圖14可知：彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)車(chē)輛垂向平穩(wěn)性基本沒(méi)有影響，等效剛度在上述范圍內(nèi)變化時(shí)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性?xún)H變化0.008。綜上所訴，彈性車(chē)輪等效剛度的變化對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性影響較小。

圖13 橫向平穩(wěn)性

圖14 垂向平穩(wěn)性

3.4 曲線通過(guò)能力

彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)輪軌橫向力、輪軸橫向力、脫軌系數(shù)及輪重減載率的影響如圖15—圖18所示。由圖可知：徑向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)曲線通過(guò)性能的影響較??；軸向剛度及偏轉(zhuǎn)剛度對(duì)曲線通過(guò)能力的影響較大， 主要是由于在車(chē)輛通過(guò)曲線時(shí)輪箍受到橫向力及繞X軸的力矩較大，而軸向剛度及偏轉(zhuǎn)剛度限制了輪箍相對(duì)于輪芯的橫向移動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)，故這2個(gè)方向的等效剛度對(duì)車(chē)輛曲線通過(guò)性能的影響較大。

圖15 輪軌橫向力

圖16 輪軸橫向力

圖17 脫軌系數(shù)

圖18 輪重減載率

為驗(yàn)證低速時(shí)彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響是否與高速時(shí)存在差異，使車(chē)輛以40 km·h-1較低速度運(yùn)行，計(jì)算結(jié)果顯示：在低速時(shí)，彈性車(chē)輪等效剛度對(duì)車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能的影響規(guī)律與高速時(shí)基本相同，僅在軸箱橫向振動(dòng)加速度及輪軌垂向力方面存在差異。當(dāng)扭轉(zhuǎn)剛度增加時(shí)，軸箱橫向振動(dòng)加速度先增加再減小，而輪軌垂向力則隨著徑向剛度的增加而增加。

4 結(jié) 論

(1)彈性車(chē)輪各向等效剛度隨著Mooney-Rivlin模型材料參數(shù)的增加大幅增加；預(yù)壓縮量由3.5 mm每增加1 mm其徑向剛度分別增加48.26和65.11 MN·m-1，其他方向剛度也表現(xiàn)出同樣的趨勢(shì)；隨著溫度升高彈性車(chē)輪等效剛度有較大幅度增加，應(yīng)該根據(jù)彈性車(chē)輪使用環(huán)境對(duì)其剛度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)偏轉(zhuǎn)剛度對(duì)軸箱橫向振動(dòng)呈現(xiàn)正相關(guān)，隨著徑向剛度增加軸箱的垂向加速度減??；隨著軸向與偏轉(zhuǎn)剛度增加輪軌垂向力整體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，徑向剛度影響規(guī)律與之相反，呈減小趨勢(shì)；等效剛度變化對(duì)車(chē)輛平穩(wěn)性基本無(wú)影響；徑向剛度及扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)曲線通過(guò)性能影響較小，軸向剛度及偏轉(zhuǎn)剛度增加對(duì)曲線通過(guò)能力有益。

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