抗側滾扭桿環(huán)境性能試驗研究

彭立群，潘 鋒，林達文，陳 剛

[1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.國家軌道交通高分子材料及制品質量監(jiān)督檢驗中心（湖南），湖南 株洲 412007；3.中國合格評定國家認可中心 認可四處，北京 100088]

隨著我國軌道交通的快速發(fā)展，高速、安全和舒適已經成為軌道車輛設計制造的發(fā)展趨勢，抗側滾扭桿與空氣彈簧組合運用于軌道車輛二懸掛系統(tǒng)，使車輛的安全性和舒適度有了很大提高。受車輛運營環(huán)境的影響，抗側滾扭桿面臨沙塵、雨水和低溫等環(huán)境因素的考驗，因此使用前必須對抗側滾扭桿，尤其是其橡膠防塵罩的疲勞性能以及系統(tǒng)的低溫和防水防塵性能進行合理、全面的測試[1-6]。

抗側滾扭桿是一種由橡膠件與金屬件裝配而成的減震部件，其常規(guī)的力學性能試驗技術已比較成熟，但有關耐環(huán)境性能的研究很少。

本工作以國內某企業(yè)抗側滾扭桿用橡膠件國產化項目為研究對象，針對抗側滾扭桿耐環(huán)境性能設計了一套合理的試驗裝置及方法。

1 抗側滾扭桿系統(tǒng)

抗側滾扭桿安裝于車體與轉向架之間，與空氣彈簧配合使用，以克服空氣彈簧垂向剛度小導致側滾角大的缺點，約束車輛車體相對于轉向架（如圖1所示）的側滾。

圖1 動車組轉向架組

抗側滾扭桿（如圖2所示）主要由橡膠件、扭桿軸、扭轉臂、連桿和支撐裝置組成。按生產工藝分為熱套過盈連接和花鍵連接兩類，按外型分為支撐內置和支撐外置型兩類。

圖2 抗側滾扭桿

橡膠件主要包括橡膠球鉸和橡膠防塵罩（如圖3所示），橡膠球鉸起端部支撐、承受扭轉角度和徑向載荷的作用。橡膠防塵罩是防護結構中最重要的部件，主要利用橡膠的軸向變形來實現(xiàn)密封，是一種圓環(huán)形的彈性體（生產原料分為傳統(tǒng)橡膠材料和聚氨酯材料），主要安裝于抗側滾扭桿左右兩端扭轉臂與軸承之間，起密封和防護作用，始終承受軸向預壓變形，同時在扭轉臂的帶動下產生扭轉運動，形成扭轉磨損。

圖3 橡膠件結構

2 實驗

2.1 試驗標準

目前有關抗側滾扭桿環(huán)境性能試驗的標準主要有TJ/CL 278—2013《動車組抗側滾扭桿》、TB/T 2843—2007《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》、企業(yè)標準Q/CSR 005—2005《機車車輛減振橡膠件》、TJ/CL 282—2013《動車組牽引拉桿組成》、TJ/CL 290—2013《軸箱定位節(jié)點》、歐洲標準BS EN 13913—2003《鐵路用橡膠彈性元件—基于彈性體的機械部件》、日本工業(yè)標準JIS E 4710—1995《鐵道機車車輛橡膠隔振器通則》。具體試驗按企業(yè)《抗側滾扭桿試驗大綱》執(zhí)行。

2.2 試驗方法

抗側滾扭桿環(huán)境性能主要包括橡膠防塵罩的疲勞性能、系統(tǒng)的低溫和防水防塵性能。其中橡膠防塵罩的疲勞性能是指防塵罩在軸向預壓狀態(tài)下的扭轉磨損性能，測試方法分為套筒限位（新型）和階梯限位（傳統(tǒng)型）兩種，分別如圖4和5所示。系統(tǒng)的低溫性能是指整個系統(tǒng)的橡膠件和金屬件在持續(xù)低溫和疲勞條件下的耐久性能。防水防塵性能是指橡膠防塵罩在沙塵、雨水條件下的動態(tài)密封性能，金屬件是否受環(huán)境影響而發(fā)生銹蝕、斷裂等異常。

圖4 套筒限位方式

2.2.1 橡膠防塵罩疲勞性能

套筒限位方式：設計一種兩側有扁方的芯軸，將4個（2組）防塵罩以串聯(lián)方式安裝，通過尼龍限位筒和螺母鎖緊，使橡膠防塵罩軸處于工作高度（軸向預壓），在橡膠防塵罩的左端通過芯軸安裝帶有扁方的轉動圓盤，在右端安裝同圓心的固定摩擦板，芯軸在垂向油缸和力臂的作用下產生扭轉角度，使轉動圓盤相對固定摩擦板產生扭轉磨損工況，實現(xiàn)橡膠防塵罩的組對磨損試驗。這種新型試驗方式結構簡單、試驗周期短、成本低。

圖5 階梯限位方式

階梯限位方式：試驗分單個和組對兩種。單個試驗是設計1個橡膠防塵罩與推力軸承組對實現(xiàn)軸向與扭轉加載試驗。這種方式適用于單個防塵罩的磨損試驗，試驗效率低、周期長。組對試驗是設計一種圓形階梯芯軸，將防塵罩以串聯(lián)方式安裝，通過芯軸本身的臺階來實現(xiàn)防塵罩的軸向預壓縮和組對磨損試驗。這種方式結構簡單，但圓形階梯芯軸的加工工藝復雜，同軸度難保證，制作工藝復雜。

本工作橡膠防塵罩疲勞性能測試采用套筒限位方式，試驗裝置由扭轉裝置和預壓裝置組成，扭轉裝置由加力座、連桿、力臂和軸承座組成，如圖6所示。其作用是將垂向油缸的直線運動通過力臂轉換成扭轉運動。

圖6 橡膠防塵罩疲勞性能試驗裝置示意

預壓裝置由芯軸、轉動圓盤、固定板、尼龍限位筒、限位環(huán)和鎖緊螺母組成，如圖7所示。其作用是通過尼龍限位筒實現(xiàn)橡膠防塵罩軸向預壓縮，利用尼龍與金屬對磨，減小扭轉摩擦力。

圖7 橡膠防塵罩疲勞性能測試預壓裝置示意

采用4個（2組）橡膠防塵罩進行比對試驗，橡膠防塵罩以串聯(lián)組對安裝，通過限位筒對橡膠防塵罩軸向預壓縮1.6 mm，使其始終保持工作高度，然后施加扭轉角度±15°，在頻率為1 Hz的條件下循環(huán)加載100萬次，在疲勞試驗過程中或試驗后觀察橡膠防塵罩是否出現(xiàn)開裂、磨損失效等異常。

2.2.2 系統(tǒng)低溫性能

系統(tǒng)低溫試驗（如圖8所示）將同時驗證橡膠件和金屬件的耐低溫環(huán)境性能，分為傳統(tǒng)試驗和改進試驗。

圖8 低溫試驗

傳統(tǒng)試驗方法是將抗側滾扭桿拆成零件，事先在低溫箱內冷凍，然后在常溫條件下進行零件的力學性能試驗，這種方式結構簡單，但試驗周期長、成本高，無法準確表征整個系統(tǒng)的低溫性能。

改進試驗方法是將抗側滾扭桿整體進行疲勞試驗，試驗時將扭桿的一端連桿固定，另一端裝配有橡膠防塵罩、橡膠球鉸及扭轉臂，扭桿軸安裝于低溫箱內，支撐裝置的下端與試驗平臺固定，上端通過連桿與試驗機垂向油缸連接，通過垂向油缸施加載荷，對抗側滾扭桿進行低溫條件下的系統(tǒng)疲勞試驗。橡膠防塵罩在低溫下進行軸向預壓扭轉疲勞試驗，橡膠球鉸在低溫下進行徑向加扭轉疲勞試驗。

本工作系統(tǒng)低溫性能測試采用的改進型試驗裝置由加力裝置、低溫裝置和反力支撐裝置組成，其中加力裝置由機架、垂向油缸、載荷傳感器、加力桿、導向橫梁和平臺組成，如圖9所示。加力裝置的作用是對抗側滾扭桿左端連桿施加拉伸載荷，形成側滾變形，對抗側滾扭桿進行疲勞試驗。

圖9 系統(tǒng)低溫性能試驗裝置示意

低溫裝置由加力桿、加力座、連桿、低溫箱和支撐座組成，如圖10所示，其作用是為防塵罩提供低溫冷凍工況及扭轉支撐定位。

圖10 低溫裝置示意

反力支撐裝置由支撐梁、調節(jié)螺母、支撐座、支撐桿和底板組成，如圖11所示，其作用是為抗側滾扭桿的固定端提供支撐定位。

圖11 反力支撐裝置示意

整體低溫試驗溫度設置為－50 ℃，抗側滾扭桿一端通過支撐架固定，另一端施加±30 kN的載荷，在頻率為0.5 Hz的條件下循環(huán)加載100萬次，在疲勞試驗過程中或試驗后觀察橡膠件是否有脆化、密封失效等異常，金屬件是否斷裂。

2.2.3 系統(tǒng)防水防塵試驗

防水防塵試驗分為傳統(tǒng)型和改進型。傳統(tǒng)型試驗方法是將抗側滾扭桿一端放置于自制的密封箱體內，通過在箱體內淋水或噴砂來測試防護結構的密封性能，但這種自制的工裝過于簡單，無法進行實際工況的模擬試驗。

改進型試驗方法設計一種微機控制的自動噴淋系統(tǒng)，能夠形成不同噴淋狀態(tài)、不同直徑砂粒的真實工況，同時在專用疲勞試驗機的作用力下，樣品始終處于一種動態(tài)疲勞試驗狀態(tài)，能更準確地測試防護結構的防水防塵性能，如圖12所示。

圖12 改進型防水防塵試驗

本工作系統(tǒng)防水防塵性能測試采用改進型方法，試驗裝置由專用疲勞試驗機和試驗箱組成，如圖13所示。其中專用疲勞試驗機對抗側滾扭桿系統(tǒng)施加側滾載荷，形成扭轉角度；試驗箱對正在疲勞試驗的防護裝置施加水、砂粒、灰塵等，形成相應的模擬環(huán)境。

圖13 系統(tǒng)防水防塵性能試驗裝置示意

抗側滾扭桿一端的支撐裝置放置于試驗箱內，試驗箱內施加水、砂粒、灰塵等污染物，同時利用試驗機施加載荷±30 kN，在頻率為0.5 Hz的條件下循環(huán)加載20萬次，在疲勞試驗過程中或試驗后觀察金屬件是否出現(xiàn)銹蝕，橡膠防塵罩是否出現(xiàn)磨損、密封失效等異常。

3 結果與討論

3.1 橡膠防塵罩疲勞性能

疲勞試驗過程中，在扭轉和軸向預載的作用下，橡膠防塵罩有明顯的軸向變形，但沒有出現(xiàn)粉末、裂紋等異常，試驗后橡膠防塵罩外觀良好。

利用有限元分析軟件Abaqus對工裝關鍵承載芯軸靜態(tài)特性求解，得出芯軸的最大應力和變形，通過在PART模塊中實體建模，在load模塊中施加載荷，得出芯軸最大應力為97.5 MPa，發(fā)生在臺階倒角處，最大應力小于工裝材料Q345B要求值；最大變形為0.09 mm，發(fā)生在芯軸末端，最大應力和變形均滿足要求。芯軸應力和芯軸變形云圖分別如圖14和15所示。

圖14 芯軸應力云圖

圖15 芯軸變形云圖

試驗結果表明橡膠防塵罩的結構和彈性變形滿足設計要求。

3.2 系統(tǒng)低溫性能

利用有限元分析軟件Abaqus得出支撐座最大應力為75.1 MPa，發(fā)生在支撐倒角處，最大應力小于工裝材料Q345B要求值；最大變形為0.08 mm，發(fā)生在右前端，最大應力和變形均小于要求值。支撐座應力和變形云圖分別見圖16和17。

圖16 支撐座應力云圖

圖17 支撐座變形云圖

在側滾載荷和低溫的共同作用下，防塵罩橡膠變硬，但未出現(xiàn)脆化、開裂等異常，外觀良好。橡膠球鉸表面未出現(xiàn)裂紋，橡膠與金屬粘接處未開裂，金屬件未斷裂、表面無裂紋。

橡膠變硬、脆化和橡膠與金屬粘接處失效是橡膠件低溫疲勞失效的主要原因，在－50 ℃條件下進行扭轉疲勞試驗，橡膠的硬度雖然變大，但橡膠防塵罩和橡膠球鉸始終處于動態(tài)摩擦的過程中，本身也會產生熱量。從試驗結果分析橡膠防塵罩和橡膠球鉸的低溫性能滿足運營環(huán)境要求。

3.3 系統(tǒng)防水防塵性能

在污染物、軸向預載和扭轉摩擦的作用下，橡膠防塵罩未出現(xiàn)磨損開裂、密封失效等異常，試驗后橡膠防塵罩外觀良好，金屬件未出現(xiàn)銹蝕、斷裂等異常。

動態(tài)密封是橡膠防塵罩防水防塵性能的主要參數(shù)。在復雜試驗條件下，橡膠防塵罩通過軸向預壓變形，使力臂與支撐裝置之間形成一個相對密封的空間，防止污染物進入支撐裝置內，起到了很好的防護作用。試驗結果表明抗側滾扭桿的防護結構及橡膠防塵罩滿足使用要求，金屬件沒有出現(xiàn)銹蝕和斷裂，即環(huán)境污染物對金屬件的影響不明顯。

4 結語

（1）設計了橡膠防塵罩疲勞性能、系統(tǒng)的低溫和防水防塵性能新型試驗方法，并與傳統(tǒng)試驗方法進行分析比對，為同類產品試驗設計提供參考。

（2）新型試驗方法能更準確地反映抗側滾扭桿的工況條件，準確測試橡膠防塵罩的疲勞性能、系統(tǒng)的低溫和防水防塵性能。

（3）新型試驗方法能達到預期的試驗目的，具有一定的推廣應用價值，對同類產品的研發(fā)和試驗起到借鑒作用。