軌道客車轉(zhuǎn)向架V型彈簧力學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

彭立群，林達(dá)文，王進(jìn)，陳剛

(1.株洲時(shí)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(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(湖南)，湖南 株洲 412007)*

V型彈簧是軌道客車轉(zhuǎn)向架一系懸掛中重要的金屬橡膠彈性元件，具有減振效果好、體積小、質(zhì)量輕、無磨耗、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1]，在裝車使用前為獲取V型彈簧的力學(xué)性能參數(shù)，需模擬實(shí)際工況設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置對其進(jìn)行性能試驗(yàn).傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)為了保證試驗(yàn)裝置的強(qiáng)度，往往采用了最保守或憑經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，這種方法雖然結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求，但所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置笨重、操作不便、且存在較大安全風(fēng)險(xiǎn).為此本文提出一種新型的輕量化設(shè)計(jì)方法，提高了試驗(yàn)效率、降低了風(fēng)險(xiǎn).

目前軌道客車轉(zhuǎn)向架一系懸掛主要分錐型彈簧式和V型彈簧式2種[2-6]，其中錐型彈簧式具有垂向、橫向和縱向三向剛度匹配、體積小、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以通過加墊片的方式消除橡膠的垂向蠕變.V型彈簧采用組對以一定夾角的方式安裝，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將橡膠原來的純剪切變形轉(zhuǎn)換成壓剪變形，使車輛一系懸掛不僅能獲得較大的垂向剛度，同時(shí)獲得匹配的橫向和縱向剛度，提高了車輛乘坐舒適度，保證了橫向和縱向定位功能.

試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要參照TB/T2843-2015《機(jī)車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》執(zhí)行，其中壓縮高參照標(biāo)準(zhǔn)7.3.1定載荷下的尺寸試驗(yàn)，靜剛度照標(biāo)準(zhǔn)7.3.3載荷與位移特性試驗(yàn)，動(dòng)剛度參照標(biāo)準(zhǔn)7.3.4動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，蠕變參照標(biāo)準(zhǔn)7.3.7靜態(tài)蠕變性能試驗(yàn)，疲勞參照標(biāo)準(zhǔn)7.3.9疲勞性能試驗(yàn).

1 相關(guān)試驗(yàn)及現(xiàn)存問題

偏轉(zhuǎn)和壓扭試驗(yàn)：偏轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)在5000N·m液壓式扭轉(zhuǎn)油缸上進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)固定試驗(yàn)裝置的下安裝座，對中間安裝塊施加偏轉(zhuǎn)力矩，測試V型彈簧的偏轉(zhuǎn)剛度，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，用于測試V型彈簧在自由狀態(tài)下的偏轉(zhuǎn)性能.壓扭試驗(yàn)是指對V型彈簧同時(shí)施加垂向壓縮載荷和水平扭轉(zhuǎn)角度，測試V型彈簧在壓扭載荷條件下的承載性能.壓扭試驗(yàn)設(shè)計(jì)在12通道組加載試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行，其中V型彈簧組對安裝，利用軸承座支撐，設(shè)計(jì)垂向加載油缸1對其施加載壓縮載荷，垂向加載油缸2對力臂裝置施加載壓縮載荷轉(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)力矩進(jìn)組合加載試驗(yàn)，這種方式不僅可以進(jìn)行壓扭剛度試驗(yàn)，而且可以進(jìn)行壓扭疲勞試驗(yàn).

低溫動(dòng)態(tài)試驗(yàn)：主要是測試V型彈簧在高寒條件下的動(dòng)態(tài)承載性能，分預(yù)冷凍式和全冷凍式2種，預(yù)冷凍式是指事先將V型彈簧進(jìn)行低溫冷凍，達(dá)到規(guī)定冷凍時(shí)間后取出在常溫條件下進(jìn)行動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn).全冷凍式是指整個(gè)試驗(yàn)全部在低溫環(huán)境下進(jìn)行，完全模擬高寒運(yùn)用工況，試驗(yàn)室可以根據(jù)自身的試驗(yàn)?zāi)芰?，選用不同的試驗(yàn)方法.

液壓式剛度試驗(yàn)：試驗(yàn)設(shè)計(jì)在液壓式四通道試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，垂向剛度通過垂直方向300kN油缸施加垂向壓縮載荷進(jìn)行垂向剛度試驗(yàn)，在進(jìn)行橫向和縱向剛度試驗(yàn)時(shí)，首先對V型彈簧施加恒定的壓縮載荷，然后采用撐桿方式來支撐V型彈簧的內(nèi)側(cè)受力面，利用水平200kN油缸對V型彈簧施加水平載荷進(jìn)行橫向和縱向剪切剛度試驗(yàn)，這種方式試驗(yàn)安裝復(fù)雜、操作不便、風(fēng)險(xiǎn)高，同時(shí)液壓試驗(yàn)機(jī)的精度難以滿足靜剛度試驗(yàn)要求，且試驗(yàn)是采用百分表間隔記錄變形，無法形成完整的載荷與變形滯回曲線.

改進(jìn)前機(jī)械式剛度試驗(yàn)：試驗(yàn)設(shè)計(jì)二維試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，其中垂向和水平載荷是通機(jī)械式絲桿傳動(dòng)方式加載，這種方式載荷和位移精度高、載荷值穩(wěn)定，適用于靜剛度試驗(yàn).垂向剛度通過垂直方式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)施加壓縮載荷，同時(shí)利用外接位移傳感器測量V型彈簧的橡膠變形，消除了工裝和試驗(yàn)機(jī)本身彈性變形對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，橫向、縱向是分別采用垂直和水平二套加載系統(tǒng)分別施加壓縮和剪切載荷，橫向和縱向只是調(diào)整產(chǎn)品的加載方向，原理基本一致.這種方式雖然滿足了測試精度和自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的要求，但由于試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在的不足，導(dǎo)致試驗(yàn)無法進(jìn)行大于30kN的剪切和正反加載試驗(yàn)，且單向加載都存在試驗(yàn)打滑現(xiàn)象，無法滿足試驗(yàn)要求.

改進(jìn)后機(jī)械式剛度試驗(yàn)：主要從試驗(yàn)安裝和工裝輕量化兩個(gè)方面入手.試驗(yàn)安裝：傳統(tǒng)的固定方式是采用一種打壓板的方式進(jìn)行固定，而這種固定方式只適用于小剪切載荷的橫向或縱向剛度試驗(yàn)，因?yàn)檫@種方式是通過增加工裝與試驗(yàn)機(jī)平臺摩擦力的方式進(jìn)行剪切試驗(yàn)，當(dāng)剪切載荷大于摩擦力時(shí)，剪切試驗(yàn)就會(huì)打滑從而無法達(dá)到最大設(shè)計(jì)剪切載荷，難以獲取一個(gè)完整的載荷變形曲線圖.優(yōu)化后的工裝分別從工裝的上下固定板的橫向和縱向設(shè)計(jì)了U型槽，通過T型槽用螺栓與試驗(yàn)機(jī)平臺進(jìn)行鎖緊狀態(tài)下的緊固連接，從而滿足大載荷剪切試驗(yàn)的要求.輕量化：主要是在試驗(yàn)工裝的承載件上設(shè)計(jì)減重孔和輕量化結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析計(jì)算，保證強(qiáng)度滿足試驗(yàn)要求，改進(jìn)前試驗(yàn)詳見圖1(a)，改進(jìn)后試驗(yàn)詳見圖1(b).

圖1 V型彈簧力學(xué)性能試驗(yàn)

2 輕量化工裝設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析

2.1 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型設(shè)計(jì)方法分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輕量化二部分.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：由于V型彈簧的特獨(dú)的結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及掃描方法，包括掃描軌跡和掃描截面2個(gè)關(guān)鍵步驟，掃描軌跡是指在已建立的長方體模型上根據(jù)V型彈簧組對安裝的角度要求，設(shè)計(jì)一條帶有角度的掃描軌跡線，定義好掃描的角度和線段的長度.掃描截面是指以掃描軌道的端點(diǎn)建立對稱軸，繪制V型彈簧的安裝面沿掃描線進(jìn)行掃描去材料，形成所需的試驗(yàn)工裝模型.

輕量化設(shè)計(jì)：通過在試驗(yàn)工裝非主要承載區(qū)域去材料，同時(shí)構(gòu)成一種加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，通過在V型塊、V型座和底板設(shè)計(jì)減重孔等手段來實(shí)現(xiàn)減重和保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的目的.改進(jìn)前工裝質(zhì)量390 kg，結(jié)構(gòu)如圖2所示，試驗(yàn)安裝時(shí)需要2名試驗(yàn)人員借助輔助工具花費(fèi)40 min.同時(shí)試驗(yàn)只考慮垂向加載，沒有設(shè)計(jì)橫向和縱向試驗(yàn)的安裝接口.改進(jìn)后試驗(yàn)工裝208kg，減重182 kg試驗(yàn)只需1名試驗(yàn)人員花費(fèi)10 min，且大大降低操作風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)工裝主要由上平板、V型塊、吊環(huán)、V型彈簧、擋板、V型彈簧、V型座和底板組成，如圖3所示.

圖2 改進(jìn)前試驗(yàn)工裝

圖3 改進(jìn)后試驗(yàn)工裝

2.2 分析計(jì)算

靜態(tài)性能分析：為驗(yàn)證減重后試驗(yàn)工裝強(qiáng)度和剛度是否滿足試驗(yàn)要求，對試驗(yàn)工裝關(guān)鍵承載件進(jìn)行分析計(jì)算，工裝選用的材料是Q355B，密度7 800 kg / m3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為0.3，其中關(guān)鍵承件強(qiáng)度和剛度分析結(jié)果表1，結(jié)果滿足試驗(yàn)要求.

表1 靜態(tài)性能分析結(jié)果

模態(tài)性能分析：為獲取減重后工裝的固有頻率和結(jié)構(gòu)的振型，對工裝關(guān)鍵承載件安裝座進(jìn)行模態(tài)分析，圖4(a)為安裝座的第1階振型，模態(tài)頻率為391 Hz，拉桿產(chǎn)生Y方向向上彎曲變形；圖4(b)為安裝座的第2階振型，模態(tài)頻率為394Hz，拉桿產(chǎn)生Y方向向下彎曲變形；圖4(c)為安裝座的第3階振型，模態(tài)頻率418 Hz，拉桿沿Z向向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生彎曲變形；圖4(d)為安裝座的第4階振型圖，模態(tài)頻率為421 Hz，拉桿沿Z向向左側(cè)產(chǎn)生彎曲變形.結(jié)果表明：工裝最低固有頻率大于試驗(yàn)頻率10 Hz， 在動(dòng)態(tài)和疲勞試驗(yàn)不會(huì)產(chǎn)生共振，同時(shí)在進(jìn)行高頻試驗(yàn)時(shí)，需加強(qiáng)拉桿的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度.

圖4 安裝座四階振型圖

2.3 試驗(yàn)及分析

2.3.1 垂向性能

(1)試驗(yàn)方法

垂向以100 kN/min加載速度加載至100 kN，連續(xù)加載4個(gè)循環(huán)，記錄第4個(gè)循環(huán)的載荷與變形曲線，計(jì)算30～50 kN間的割線剛度.

(2) 結(jié)果與分析

圖5是3組(共6件)V型彈簧的垂向剛度曲線，其中1#2#、3#4#、5#6#的垂向剛度分別為1.64 、1.52 、1.64 kN/mm，載荷與變形曲線光滑無異常，這一方向表明產(chǎn)品粘接性能穩(wěn)定，另一方面表明試驗(yàn)裝置的強(qiáng)度和剛度滿足垂向試驗(yàn)要求.

圖5 垂向載荷與變形曲線

2.3.2 橫向性能

(1)試驗(yàn)方法

垂向加載39kN保持不變，橫向以55kN/min施加±55kN載荷，連續(xù)加載4個(gè)循環(huán)，記錄第4個(gè)循環(huán)的載荷與變形曲線，計(jì)算(-25～+25)kN間的割線剛度.

(2)結(jié)果與分析

圖6是改進(jìn)前V型彈簧組對橫向剛度曲線，由于試驗(yàn)裝置無法與試驗(yàn)機(jī)上下平臺形成有效的固定，只是通過垂向加載產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行橫向剪切試驗(yàn)，在小載荷加載階段橡膠的載荷隨變形增加而遞增，當(dāng)橫向載荷大于25 kN后，試驗(yàn)出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，此時(shí)的橡膠變形增加載荷不再繼續(xù)變大，同時(shí)在反向加載過程中同樣存在打滑現(xiàn)象，導(dǎo)致反向的變形僅為正向的一半，這種方式測試的剛度曲線顯然是無法滿足試驗(yàn)的要求.但對于一些小載荷的橫向剛度試驗(yàn)，可以采取首先預(yù)載消除橫向接觸間隙，然后只進(jìn)行正向或反向單一方向加載剛度試驗(yàn)，同時(shí)橫向載荷需小于剪切摩擦力.

圖6 橫向載荷與變形曲線(改進(jìn)前)

圖7是改進(jìn)后V型彈簧橫向剛度曲線，相比改進(jìn)后滯回曲線，改進(jìn)后的曲線成形一個(gè)正常的載荷與變形滯回圈，沒有出現(xiàn)打折和打滑現(xiàn)象、光滑無異常，結(jié)果表明改進(jìn)后的試驗(yàn)裝置不僅滿足了橫向正反加載試驗(yàn)的要求，而且試驗(yàn)裝置的強(qiáng)度和剛度滿足橫向試驗(yàn)的要求，同時(shí)V型彈簧在橫向壓剪載荷作用下，橡膠與金屬具有較好的粘接性能.其中1#2#、3#4#、5#6#的橫向剛度分別為10.52、8.38 、8.46 kN/mm.

圖7 橫向載荷與變形曲線(改進(jìn)后)

2.3.3 縱向性能

(1)試驗(yàn)方法

垂向加載39kN保持不變，橫向以40 kN/min施加±40 kN載荷，連續(xù)加載4個(gè)循環(huán)，記錄第4個(gè)循環(huán)的載荷與變形曲線，計(jì)算(-25～+25) kN間的割線剛度.

(2)結(jié)果與分析

縱向是V型彈簧的主要承載方向，也是最能驗(yàn)證試驗(yàn)裝置強(qiáng)度的項(xiàng)點(diǎn)，圖8是3組V型彈簧的縱向剛度曲線，3組產(chǎn)品對應(yīng)的縱向剛度分別為22.68、21.2 、21.16 kN/mm.縱向剛度曲線表明V型彈簧的縱向載荷基本隨縱向變形線性遞增，曲線對稱性較好且無異常，這表明新型輕量化試驗(yàn)裝置的強(qiáng)度和剛度滿足縱向試驗(yàn)的要求，同時(shí)V型彈簧在縱向壓剪載荷下橡膠與金屬無粘接失效，具有較好的縱向力學(xué)性能.

圖8 縱向載荷與變形曲線

2.3.4 蠕變、疲勞性能

(1)試驗(yàn)方法

蠕變試驗(yàn)：垂向加載39 kN，保載168 h，垂向載荷在30 s內(nèi)完成加載，1 min后開始記錄蠕變量，前2 h每10 min記1次，以后按每2 h記錄1次蠕變量.

疲勞試驗(yàn)：垂向加載(39±15) kN，頻率0.5Hz，循環(huán)加載200萬次，觀察金屬與橡膠是否出現(xiàn)粘接破壞等.

(2)結(jié)果與分析

蠕變試驗(yàn)：V型彈簧168h后的蠕變量為2.21mm，在蠕變試驗(yàn)加載過程中，V型彈簧各層橡膠發(fā)生均勻的壓縮變形，且在加載初期最為明顯，隨著時(shí)間的延長變形趨于穩(wěn)定，卸載后產(chǎn)品基本恢復(fù)到初始狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果一方面表面V型彈簧具有較好的抗蠕變性能，另一方面表明輕量化后的試驗(yàn)工的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均滿足蠕變試驗(yàn)要求.

疲勞試驗(yàn)：V型彈簧疲勞試驗(yàn)采用的是預(yù)載加振幅的壓縮型控制方式，即V型彈簧始終是處于壓剪切承載狀態(tài)，在疲勞試驗(yàn)加載過程中，橡膠始終是壓縮和恢復(fù)2個(gè)狀態(tài)交替進(jìn)行，疲勞試驗(yàn)后金屬與橡膠未出現(xiàn)粘接失效，金屬未產(chǎn)生異常變形，橡膠表面無裂紋，試驗(yàn)結(jié)果不僅表明V型彈簧具有較好的抗疲勞性能，而且表明輕量化后的試驗(yàn)工裝結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度均滿足疲勞試驗(yàn)要求.

3 結(jié)論

(1)通過分析軌道客車轉(zhuǎn)向架一系懸掛及V型彈簧結(jié)構(gòu)，基于結(jié)構(gòu)和原理結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)方案，提出一種新型的符合實(shí)際工況的輕量化試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方法，為同類彈性元的的試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考;

(2) 輕量化后的試驗(yàn)工裝減重182kg，且工裝強(qiáng)度和剛度均滿足剛度、蠕變和疲勞試驗(yàn)要求，達(dá)到了降低勞動(dòng)強(qiáng)度、操作風(fēng)險(xiǎn)，提高了試驗(yàn)效率的目的，解決了橫向和縱向剛度曲線打滑和無法進(jìn)行正反推拉試驗(yàn)的難題，同時(shí)大大提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性.