橡膠旁承結(jié)構(gòu)設(shè)計*

史業(yè)釗，高耀東

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

由于橡膠材料的特性比較特殊，幾乎是不可壓縮的，硫化后表現(xiàn)出很好的非線性，因此被廣泛應(yīng)用于機車一系二系懸掛中，起緩沖作用.例如，橡膠關(guān)節(jié)、止檔、一系二系墊、橡膠堆等，都是金屬和橡膠硫化后形成的彈性體.橡膠旁承主要安裝在機車轉(zhuǎn)向架中，垂向承受車身的重量，縱向、橫向緩沖車體和轉(zhuǎn)向架的相對運動，提高了機車運行的平穩(wěn)性.何燕[1]在橫向止檔上采用有限元分析法對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行研究，顧磊[2]對圓形橡膠堆進行研究，在橡膠彈性元件結(jié)構(gòu)設(shè)計上均取得了一定成果.橡膠彈性元件主要是剛度的要求，產(chǎn)品種類多，剛度要求較高，不合適的產(chǎn)品剛度嚴(yán)重影響了機車的運行安全性及舒適性[3].本人在前人研究成果的基礎(chǔ)上利用FEA與試驗相結(jié)合的方法分析橢圓形橡膠旁承垂向剛度及工作高，以確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性[4].

1 橡膠旁承FEA分析

1.1 橡膠旁承有限元模型建立

橡膠旁承的二維結(jié)構(gòu)如圖1所示：1為金屬頂板，2為橡膠，3為金屬隔板，4為金屬底板組成.金屬件通過拋丸噴砂處理，然后涂刷膠粘劑，再用平板硫化機按特定的硫化工藝注射而形成橡膠彈性體.橡膠旁承垂向主要承載車體重量，其縱向、橫向緩沖車體牽引、制動時的沖擊力，且垂向、縱向及橫向3向剛度匹配是設(shè)計的一個難點.一方面要滿足各個方面的剛度要求，另一方面又要減少應(yīng)力，集中提高產(chǎn)品的使用壽命，金屬部分又要考慮強度，橡膠部分要考慮變形的程度，即產(chǎn)品穩(wěn)定性.因此，設(shè)計一款合格的橡膠旁承結(jié)構(gòu)難度較大，利用ABAQUS有限元分析軟件，可以很好的模擬橡膠的非線性特點，加快研發(fā)周期.

本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中一共有4層隔板，中間隔板除了有滿足結(jié)構(gòu)強度的用處，還起到散熱的作用，防止機車運行過程中溫度過高，促使橡膠老化過快及產(chǎn)品使命壽命縮短[5].

由圖1可知，橡膠旁承隔板和橡膠通過圓弧過渡，橡膠自由面通過大圓弧過渡，能提高產(chǎn)品的疲勞性能，使應(yīng)力分布更均勻.因為橡膠自由面比較復(fù)雜，直接在ABAQUS中建立有限元模型有些復(fù)雜，因此在Solidworks的三維建模軟件中建立有限元模型，主要考慮橡膠旁承的垂向剛度計算，所以去掉頂板的圓柱銷和隔板的包膠層不影響產(chǎn)品分析，簡化后的實體模型如圖2所示.然后導(dǎo)入ABAQUS中利用軟件中的mesh功能，分別劃分橡膠層和金屬層網(wǎng)格，橡膠旁承的金屬部分用C3D8R為8結(jié)點線性減縮積分6面體單元，橡膠部分用C3D8H為8結(jié)點線性雜交單元.橡膠金屬三維網(wǎng)格劃分如圖3所示.

圖1 橡膠旁承結(jié)構(gòu)圖

圖2 橡膠旁承三維模型

圖3 橡膠旁承網(wǎng)格模型

1.2 材料參數(shù)

表1為56（邵氏硬度）橡膠參數(shù)，表2為金屬材料力學(xué)性能參數(shù).

表1 Mooney-Rivlin參數(shù)

表2 金屬材料的力學(xué)參數(shù)

1.3 橡膠旁承工作高及剛度要求：

（1）要求產(chǎn)品在102～153 kN之間的垂向剛度值滿足7.7 kN／mm±10%.

（2）產(chǎn)品在127.5 kN載荷下工作高為257～291 mm.

1.4 載荷及邊界條件設(shè)置

橡膠旁承采用位移加載，在頂板施加一個垂向位移22 mm，底板固定.然后計算產(chǎn)品垂向剛度及工作高.

1.5 橡膠旁承FEA分析結(jié)果

由圖4，5可以看出，橡膠旁承中間隔板位置應(yīng)力集中，且橡膠應(yīng)變主要集中在中間隔板兩側(cè)，這樣容易發(fā)生失穩(wěn)側(cè)翻.由圖6和表3可以看出，F(xiàn)EA分析垂向剛度和壓縮高與要求值差距較大，因此下面將設(shè)計另一種結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品垂向剛度及壓縮高及穩(wěn)定性更好的滿足設(shè)計要求.

表3 FEA分析參數(shù)

圖4 橡膠旁承S云圖

圖5 橡膠旁承LE云圖

圖6 載荷位移剛度曲線

2 改進后結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 橡膠旁承結(jié)構(gòu)改進

受錐形橡膠減震器改進[6]的啟發(fā)，橡膠旁承主要承受垂向壓縮載荷作用，且垂向剛度較大.由垂向剛度理論計算公式知，將金屬承載面積減小，橡膠層接觸面積增加，即中間整體式隔板改為空心隔板，中間隔板挖去一部分減小其橫向剛度，可提高穩(wěn)定性、改善橡膠旁承的垂向剛度.橡膠旁承中4層隔板中間挖空位置如圖7所示.通過FEA分析和之前結(jié)構(gòu)剛度做對比，然后通過試驗驗證FEA分析剛度的可靠性.

圖7 橡膠旁承改進后結(jié)構(gòu)圖

2.2 改進后結(jié)構(gòu)FEA分析

改進后結(jié)構(gòu)在最大位移22 mm作用下，應(yīng)力分布如圖8所示，應(yīng)變分布如圖9所示.由云圖可以看出，改進后的結(jié)構(gòu)橡膠層應(yīng)力分布均勻.由圖8可知改進后的結(jié)構(gòu)鋼板層最大主應(yīng)力為115 MPa，且小于鋼板材料Q235的屈服強度235 MPa，產(chǎn)品強度符合要求.

圖8 改進后應(yīng)力分布云圖

圖9 改進后應(yīng)變分布云圖

3 改進后結(jié)構(gòu)剛度試驗

3.1 剛度試驗條件及設(shè)備

橡膠旁承的垂向剛度試驗條件為室溫23℃，試驗設(shè)備為長春機械科學(xué)研究院有限公司的電子萬能試驗機，如圖10所示.

圖10 電子萬能試驗機

橡膠旁承垂向0～192 kN進行連續(xù)3個加卸載循環(huán)，加卸載速度均為50 mm／min，完成3個循環(huán)后，以25 mm／min的速度垂向加載0～192～0 kN，在卸載階段（192～0 kN）載荷減小至127.5 kN時保持30 s，測量127.5 kN下產(chǎn)品的工作高：

（1）記錄第3次循環(huán)的載荷 位移曲線，并計算加載階段102～153 kN之間的割線剛度值是否滿足7.7 kN／mm±10%.

（2）產(chǎn)品在127.5 kN載荷下工作高是否滿足257～261 mm.

3.2 試驗剛度與FEA剛度分析結(jié)果對比

根據(jù)FEA分析結(jié)果，擬合出橡膠旁承的垂向剛度曲線與試驗剛度曲線，如圖11所示.由圖11可以看出，橡膠旁承的垂向剛度曲線非線性表現(xiàn)比較明顯，且載荷越大非線性越明顯.

圖11 改進后垂向剛度試驗曲線與FEA曲線對比

由表4可知，應(yīng)用FEA分析垂向剛度和工作高盡管與試驗結(jié)果存在些許誤差，但都在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)，因此改進后橡膠旁承的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，分析結(jié)果可靠，ABAQUS可以做為指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的有效工具.

表4 改進后結(jié)構(gòu)垂向剛度及工作高結(jié)果對比

4 結(jié)論

由橡膠旁承FEA分析曲線結(jié)果可以看出：垂向剛度曲線表現(xiàn)出較大的非線性，且改進前的結(jié)構(gòu)的垂向剛度及工作高與設(shè)計要求誤差較大，產(chǎn)品容易發(fā)生失穩(wěn)側(cè)翻，影響機車行駛安全.改進后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的垂向剛度及工作高能很好地滿足設(shè)計要求.仿真的剛度曲線與試驗剛度曲線比較接近，橡膠旁承結(jié)構(gòu)設(shè)計合理可靠.