高分子彈性元件與多組楔形機(jī)構(gòu)串聯(lián)組合緩沖器靜壓仿真

魏延剛，李剛，王睿嘉，宋亞昕，宋海超，顧曉東

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.北京多邦匯科軌道車輛裝備技術(shù)有限公司，北京 101199)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的貨車緩沖器中，根據(jù)國(guó)標(biāo)TB/T1961- 2006《機(jī)車車輛緩沖器》的標(biāo)準(zhǔn)，按照緩沖吸能方式可以分為全鋼摩擦式緩沖器、橡膠緩沖器、彈性膠泥緩沖器、液壓緩沖器和組合緩沖器[1- 2].全鋼摩擦式緩沖器雖然能量吸收率高，容量大，但是其體積大，零件多，維修困難[3]；橡膠緩沖器只適用于載荷較小、緩沖容量不大的場(chǎng)合，而且橡膠易老化[4]；彈性膠泥緩沖器具有體積小、重量輕、容量大和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是其價(jià)格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不太適合推廣使用；液壓式緩沖器也叫液氣緩沖器，其性能優(yōu)良，但是具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封要求高，需要經(jīng)常維護(hù)等缺點(diǎn).高分子彈性體(TPEE)緩沖器具有優(yōu)良的耐熱性能、抗老化性能和耐腐蝕性能，該高分子彈性體和橡膠相比，具有非常低的溫度敏感性，緩沖器的最大阻抗力高，吸振能力強(qiáng)，吸收效率高，容量大[5].能量吸收率是衡量緩沖器性能的重要的指標(biāo)[6]，而高分子彈性體緩沖器的能量吸收率只有70%左右，還不能完全達(dá)到現(xiàn)代機(jī)車車輛對(duì)緩沖器高能量吸收率的要求.為了獲得能量吸收率更高的緩沖器，本文提出了發(fā)明專利“一種高分子彈性體元件和金屬摩擦元件組合式緩沖器”[7]，這種組合式緩沖器有效地提高了緩沖器高能量吸收率[8].為了進(jìn)一步提高緩沖器高能量吸收率，在這種發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，又提出了一種新的發(fā)明專利“高分子彈性元件與楔形機(jī)構(gòu)組合緩沖器”[9]，本文所研究的是基于這一新發(fā)明專利的新型緩沖器，這種緩沖器的楔形摩擦機(jī)構(gòu)是多組串聯(lián)的楔形摩擦塊機(jī)構(gòu)，從而增加了其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦所消耗的沖擊能量，顯著提高了緩沖器的能量吸收率.本文將介紹新型緩沖器的組成及設(shè)計(jì)原理，并利用有限元方法分別對(duì)一組、兩組串聯(lián)楔形摩擦機(jī)構(gòu)的型緩沖器的靜壓試驗(yàn)進(jìn)行仿真研究，證明這種新型緩沖器的能量吸收率更高，為新型緩沖器樣機(jī)的研制和開發(fā)提供指導(dǎo).

1 新型合緩沖器的結(jié)構(gòu)與原理

本文研究的緩沖器裝配關(guān)系示意圖如圖1所示,該新型緩沖器與原高分子彈性體緩沖器的主要區(qū)別在于增加了兩組串聯(lián)的楔形摩擦機(jī)構(gòu)，從而加大了楔塊與殼體內(nèi)壁的接觸面積，在壓塊受到軸向載荷的作用時(shí)，楔塊與殼體內(nèi)壁接觸部分產(chǎn)生摩擦，消耗更多的沖擊能量，所以，該新型緩沖器比現(xiàn)有組合緩沖器具有更高的能量吸收率.

圖1 新型緩沖器裝配關(guān)系示意圖

圖2 一組楔形機(jī)構(gòu)的徑向平面示意圖

圖2為一組楔形機(jī)構(gòu)受到軸向載荷時(shí)某一徑向平面的簡(jiǎn)化示意圖.對(duì)圖中空心圓臺(tái)與楔形塊組的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行受力分析，根據(jù)機(jī)械原理，可以推導(dǎo)出該摩擦楔塊機(jī)構(gòu)效率為下式，

(1)

從而得到此緩沖器下行效率和能量損耗率1-η[10].

式中，η是楔塊機(jī)構(gòu)的下行效率,F1是楔形塊和空心圓臺(tái)之間存在摩擦?xí)r的實(shí)際情況下所需的驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)10是當(dāng)空心圓臺(tái)和楔形塊之間不存在摩擦?xí)r的理想情況下所需的驅(qū)動(dòng)力，α是楔塊楔形角，φ是摩擦角，φ=arctanμ，μ是楔形塊和殼體內(nèi)腔之間的摩擦系數(shù).

一般情況下，鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)μ取0.15，故φ=arctan0.15=10°，摩擦系數(shù)確定后楔塊下行效率只與α有關(guān).經(jīng)過理論的計(jì)算得出，隨著楔形角的增大，下行效率逐漸減小，也就是說楔形機(jī)構(gòu)消耗的能量越來越多，緩沖器的容量越大，但是綜合考慮到楔形角對(duì)緩沖器機(jī)構(gòu)中主要零件強(qiáng)度的影響，經(jīng)過分析后取楔形角為55°比較合理，此時(shí)一組楔形機(jī)構(gòu)的效率為82%，能量消耗率為18%，則兩組串聯(lián)的楔形機(jī)構(gòu)的效率為67.2%，能量消耗率為32.7%.

2 新型緩沖器的有限元靜壓試驗(yàn)仿真

根據(jù)鐵道部標(biāo)準(zhǔn)TB/T1961- 2006《機(jī)車車輛緩沖器》對(duì)緩沖器靜壓試驗(yàn)的要求，通過應(yīng)用有限元法，對(duì)新型緩沖器分別采用一組和二組楔形機(jī)構(gòu)時(shí)，進(jìn)行靜壓試驗(yàn)的有限元仿真，驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論的正確性，在這兩種新型緩沖器具有相同的行程情況下對(duì)比分析能量吸收率和主要零件的應(yīng)力.

2.1 有限元建模

由于該緩沖器的幾何結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，為減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率，取緩沖器的1/4建模，有限元模型網(wǎng)格圖如圖3所示，為了保證計(jì)算精度，同時(shí)盡量減少運(yùn)算時(shí)間，網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于接觸區(qū)域適當(dāng)加大網(wǎng)格密度，非接觸的區(qū)域和應(yīng)力較小區(qū)域適當(dāng)減小網(wǎng)格密度.對(duì)于模型中的鋼件，設(shè)其彈性模量為210 000 N/mm2，泊松比為0.3，在定義TPEE的材料屬性時(shí)，使用的是TPEE壓縮試驗(yàn)修正后的數(shù)據(jù)[11]，以此來保證靜壓仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.同時(shí)正確、合理的設(shè)置邊界條件.仿真過程是對(duì)壓塊6施加122 mm的位移.

(a) 一組楔形機(jī)構(gòu) (b) 兩組楔形機(jī)構(gòu)

2.2 摩擦損耗率分析

有限元靜壓試驗(yàn)仿真，可得到相關(guān)的能量輸出值，表1是壓塊施加122 mm的位移后的各能量值.通過讀取仿真結(jié)果和計(jì)算可得出，只有一組楔形機(jī)構(gòu)時(shí)摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率是約18.8%，有兩組楔形機(jī)構(gòu)時(shí)摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率是約31.8%，同時(shí)可以看出外力做的功逐漸增加.

表1 靜壓試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)

另外，從靜壓試驗(yàn)仿真的結(jié)果中，可以讀取緩沖器受載時(shí)，壓縮的位移與該位移對(duì)應(yīng)的阻抗力，由于篇幅有限，只取了一部分?jǐn)?shù)據(jù)，見表2，且可以畫出位移與阻抗力的曲線，如圖4.

圖4 兩種緩沖器靜壓曲線圖

2.3 主要零件等效應(yīng)力分析與對(duì)比

分別在兩種新型緩沖器達(dá)到最大位移122 mm時(shí)，對(duì)其等效應(yīng)力云圖進(jìn)行對(duì)比分析.兩種新型緩沖器殼體等效應(yīng)力云圖如圖5所示.從圖中可以看出一組的最大等效應(yīng)力為235.9 MPa，兩組的最大等效應(yīng)力為270.1 MPa，呈逐漸增大的趨勢(shì)，且都滿足材料的強(qiáng)度要求.兩種殼體的最大等效應(yīng)力都發(fā)生在楔形塊與殼體的接觸區(qū)域，另外在接觸區(qū)域上可以明顯看出等效應(yīng)力最大的區(qū)域發(fā)生在接觸區(qū)域的上半邊緣部分，且集中在兩邊.

(a) 一組(b) 兩組

如圖6為兩種新型緩沖器的楔塊等效應(yīng)力云圖.從圖中可以看出一組楔形塊的最大等效應(yīng)力為420.9 MPa，兩組楔形塊的最大等效應(yīng)力為431.1 MPa，呈逐漸增大的趨勢(shì)，且都滿足材料的強(qiáng)度要求.兩種楔形塊的最大等效應(yīng)力都發(fā)生在楔形塊與空心圓臺(tái)的接觸邊緣處，有明顯的應(yīng)力集中帶，這是由于楔形塊與空心圓臺(tái)接觸的邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的，所以在楔形塊邊緣可通過倒圓角來減小應(yīng)力集中.

(a) 一組(b) 兩組

如圖7為兩種新型緩沖器的空心圓臺(tái)等效應(yīng)力云圖.從圖中可以看出一組的最大等效應(yīng)力為435.7 MPa，兩組的最大等效應(yīng)力為446.6 MPa，呈逐漸增大的趨勢(shì)，且都滿足材料的強(qiáng)度要求.兩種空心圓臺(tái)的最大應(yīng)力都發(fā)生在楔形塊與空心圓臺(tái)接觸的下側(cè)邊緣處，這也是由于楔形塊與空心圓臺(tái)接觸的邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中的現(xiàn)象，同理在空心圓臺(tái)下側(cè)邊緣處也可通過倒圓角來減小應(yīng)力集中.

(a) 一組(b) 兩組

3 結(jié)論

對(duì)新型緩沖器分別采用一組和二組楔形機(jī)構(gòu)的靜壓試驗(yàn)仿真，從仿真結(jié)果中可以得出楔形機(jī)構(gòu)組數(shù)越多，外力做的功越多，并且摩擦消耗的能量占總能量的比例越多，通過對(duì)比，理論計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致.只有一組楔形機(jī)構(gòu)時(shí)緩沖器摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率是約18.8%，有兩組楔形機(jī)構(gòu)時(shí)緩沖器摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率是約31.8%，一組楔形機(jī)構(gòu)和兩組楔形機(jī)構(gòu)的新型緩沖器楔形機(jī)構(gòu)摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率都大于原組合式緩沖器摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率約15%[8].通過比較兩種緩沖器受載時(shí)的靜壓曲線，可以看出第二條曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積比第一條曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積大，即第二種緩沖器比第一種緩沖器承受的沖擊能量更多.從仿真結(jié)果的等效應(yīng)力云圖中看出，主要零件的最大等效應(yīng)力都有所增加，但是第二種緩沖器比第一種緩沖器的能量吸收率提高了13%，且主要零件的等效應(yīng)力滿足材料的強(qiáng)度要求.