減少空氣彈簧橡膠堆鼓包故障影響的設(shè)計(jì)理念探討

于曉東，姜凌，徐雯學(xué)，來(lái)慶存

(青島博銳智遠(yuǎn)減振科技有限公司， 山東 青島 266700)

1 空氣彈簧的結(jié)構(gòu)及功能

空氣彈簧是現(xiàn)代軌道車(chē)輛二系懸掛的重要減振功能部件，其中大曲囊型式的空氣彈簧主要由上蓋組成、扣環(huán)、氣囊、橡膠堆、支承座、摩擦塊、底座以及其他部件組成，如圖1 所示。工作時(shí)由車(chē)輛供風(fēng)設(shè)備向空氣彈簧內(nèi)部充氣，使上蓋組成抬升至指定高度，由于氣囊是橡膠柔性部件，充氣后空氣彈簧可以隔絕車(chē)輛轉(zhuǎn)向架和車(chē)體間的振動(dòng)[1]。

圖1 空氣彈簧結(jié)構(gòu)組成

橡膠堆是空氣彈簧的重要組成部分，如圖2 所示，其主要由外套、橡膠層、隔板和芯軸組成，其中膠層為橡膠材質(zhì)，其他部件為金屬材質(zhì)，膠層與金屬部件的接觸面通過(guò)硫化黏接的方式固定，利用金屬部件約束橡膠形變來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的剛度性能。當(dāng)空氣彈簧的供風(fēng)系統(tǒng)或者空氣彈簧本身失效導(dǎo)致內(nèi)部氣體耗盡時(shí)，橡膠堆將單獨(dú)承載以提供車(chē)輛安全平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)所需的垂向剛度。

圖2 橡膠堆結(jié)構(gòu)組成

2 橡膠堆的塌陷失效原因及影響

空氣彈簧在設(shè)計(jì)時(shí)，橡膠堆與支承座間的垂向間隙（即圖3 種所示B 尺寸）是一項(xiàng)重要指標(biāo)，它決定了橡膠堆在垂直方向上的最大壓縮量，當(dāng)空氣彈簧的供風(fēng)系統(tǒng)或者空氣彈簧本身失效導(dǎo)致內(nèi)部氣體耗盡時(shí)，橡膠堆需要單獨(dú)承載以提供車(chē)輛安全運(yùn)營(yíng)所需的垂向剛度，而實(shí)現(xiàn)這一功能的前提是橡膠堆承受最大許用載荷時(shí)垂向間隙必須大于零，否則金屬部件之間將直接硬接觸，從而導(dǎo)致橡膠堆的減振功能失效[2]。

圖3 橡膠堆的正常狀態(tài)與失效狀態(tài)

由于橡膠堆的結(jié)構(gòu)特性，膠層與金屬部件的接觸面通過(guò)黏接固定，存在一定的黏接失效風(fēng)險(xiǎn)，失效時(shí)黏接面附近膠層與金屬部件產(chǎn)生相對(duì)滑移，膠層在金屬部件間擠出形成膠層塌陷故障，此時(shí)橡膠堆將可能在最大許用載荷范圍內(nèi)產(chǎn)生金屬部件的提前硬接觸，從而失去減振功能。

當(dāng)橡膠堆塌陷故障發(fā)生時(shí)，通常需要抬車(chē)才能更換故障件，如此時(shí)車(chē)輛正處在運(yùn)行線(xiàn)路中，不但不具備抬車(chē)條件，還會(huì)嚴(yán)重影響車(chē)輛和線(xiàn)路的正常運(yùn)行，造成客戶(hù)較大的運(yùn)營(yíng)損失。針對(duì)上述現(xiàn)狀，本文提出一種橡膠堆的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，通過(guò)合理改進(jìn)橡膠堆的零部件結(jié)構(gòu)，使出現(xiàn)塌陷故障的橡膠堆在一定程度上避免失效，從而使車(chē)輛短期內(nèi)能夠維持正常運(yùn)行，待具備抬車(chē)維修條件時(shí)再進(jìn)行故障件的更換，達(dá)到降低車(chē)輛運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)和客戶(hù)運(yùn)營(yíng)損失的目的。根據(jù)實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，空氣彈簧在正常工作時(shí)，橡膠堆內(nèi)膠層形變最大，最易發(fā)生失效，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)如能避免或削弱內(nèi)膠層失效，則可以達(dá)到降低橡膠堆塌陷故障影響的目的[3]。

3 橡膠堆的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1 基于FEA 計(jì)算分析

為便于研究，本文模擬橡膠堆芯軸與內(nèi)膠層黏接不良建立模擬故障FEA 模型進(jìn)行計(jì)算分析，模擬模型的芯軸與膠層完全不黏接，這是一種極端惡劣的故障工況。被模擬的橡膠堆產(chǎn)品需要在最大垂向載荷170 kN 時(shí)仍具備減振能力。

圖4 為正常和故障橡膠堆的FEA 計(jì)算模型，圖7為不同狀態(tài)下橡膠堆的位移和應(yīng)力計(jì)算曲線(xiàn)。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)比正常橡膠堆，模擬故障橡膠堆在同載荷下形變更大，在垂向載荷140 kN 左右時(shí)曲線(xiàn)出現(xiàn)階躍，此時(shí)故障橡膠堆芯軸與支承座出現(xiàn)硬接觸，橡膠堆失效，不再具備減振功能，而正常橡膠堆在垂向載荷170 kN 范圍內(nèi)未發(fā)生失效。

圖4 正常橡膠堆FEA 模型

針對(duì)模擬故障橡膠堆FEA 模型，調(diào)整其底部結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，通過(guò)調(diào)整優(yōu)化部位高度H，使橡膠堆發(fā)生故障時(shí)擠出的內(nèi)膠層與底部結(jié)構(gòu)接觸擠壓產(chǎn)生支承作用，從而達(dá)到削減橡膠堆失效的目的。

圖5 一種優(yōu)化方案圖示

針對(duì)上述方案建立圖6 所示FEA 模型，并計(jì)算得到圖7 所示不同狀態(tài)下橡膠堆的位移和應(yīng)力計(jì)算曲線(xiàn)，由曲線(xiàn)可知，最大垂向載荷170 kN 以?xún)?nèi)曲線(xiàn)全程未產(chǎn)生階躍，即橡膠堆未失效，能夠正常提供減振性能。同載荷下橡膠堆形變量介于正常橡膠堆和模擬故障橡膠堆之間，這說(shuō)明優(yōu)化方案下橡膠堆的承載得到了明顯改善。

圖6 優(yōu)化橡膠堆FEA 模型

圖7 不同狀態(tài)下橡膠堆位移和應(yīng)力計(jì)算曲線(xiàn)

圖8 各橡膠堆的位移和應(yīng)力試驗(yàn)曲線(xiàn)

3.2 改進(jìn)方案試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述計(jì)算方案的可行性，對(duì)上述正常橡膠堆及模擬故障橡膠堆優(yōu)化前后進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證（如圖9）。

圖9 橡膠堆試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖8 為模擬故障橡膠堆、正常橡膠堆以及優(yōu)化方案橡膠堆的位移和應(yīng)力實(shí)測(cè)曲線(xiàn)，對(duì)比正常橡膠堆，模擬故障橡膠堆在垂向載荷141 kN 時(shí)曲線(xiàn)出現(xiàn)階躍，表明此時(shí)橡膠堆出現(xiàn)了金屬部件的硬接觸而失效。模擬故障橡膠堆在相同載荷下產(chǎn)生的位移更大，在有效的彈性區(qū)間內(nèi)承載能力下降。優(yōu)化結(jié)構(gòu)在同樣達(dá)到最大載荷時(shí)曲線(xiàn)未產(chǎn)生階躍，仍能維持與正常橡膠堆接近的承載力和減振性能。試驗(yàn)結(jié)果表明這種優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效緩解橡膠堆塌陷故障導(dǎo)致其功能失效的影響，方案切實(shí)有效[4]。

實(shí)際對(duì)橡膠堆底部結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，針對(duì)不同產(chǎn)品的位移應(yīng)變特性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)不盡相同，同時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)際安裝空間考慮，設(shè)置橡膠堆底部不同的形狀及高度，圖10 所示是常用的幾種優(yōu)化案例。

圖10 常用優(yōu)化案例

4 其他改進(jìn)方向

4.1 隔板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上述改進(jìn)方案通過(guò)結(jié)構(gòu)上阻擋故障橡膠堆膠層和金屬件的相對(duì)滑移從而緩解故障橡膠堆的失效。作為其延伸，還可通過(guò)延長(zhǎng)底部隔板或者兩種方式相結(jié)合達(dá)到類(lèi)似效果（如圖11）。

圖11 延伸隔板優(yōu)化示例

圖12 為延長(zhǎng)底部隔板優(yōu)化方案的FEA 模型，圖13 為該方案的位移應(yīng)力計(jì)算曲線(xiàn)與前文中正常橡膠堆和模擬故障橡膠堆的FEA 計(jì)算曲線(xiàn)對(duì)比，可以看出優(yōu)化改進(jìn)后橡膠堆的位移應(yīng)力特性得到了明顯改善，曲線(xiàn)在160 kN 左右時(shí)存在輕微拐點(diǎn)，此時(shí)隔板已觸達(dá)底部，之后橡膠堆的最內(nèi)層橡膠不再起作用，其故障模式不再擴(kuò)展，外側(cè)兩層橡膠堆繼續(xù)提供減振作用，從而阻止了橡膠堆的失效[5]。

圖12 延長(zhǎng)隔板橡膠堆的FEA 計(jì)算模型

圖13 各橡膠堆的位移和應(yīng)力計(jì)算曲線(xiàn)

4.2 膠層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

除了阻擋橡膠堆膠層和金屬件的相對(duì)滑移外，還可通過(guò)改變膠層包覆的方式來(lái)從結(jié)構(gòu)上限制其故障狀態(tài)下膠層與金屬部件間的相對(duì)滑移。如圖14 所示，內(nèi)膠層采用完全包覆芯軸頂部的方式布置，工作時(shí)芯軸側(cè)面與膠層黏接部位的受力狀態(tài)能夠得到改善，從而減小其黏接故障的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)出現(xiàn)黏接故障時(shí)，完全包覆式膠層也能一定程度上阻止橡膠堆塌陷，從而起到緩解其失效的目的。

圖14 內(nèi)膠層包覆芯軸優(yōu)化示例

圖15 為內(nèi)膠層包覆芯軸優(yōu)化方案的FEA 模型，圖16 為該方案的位移應(yīng)力計(jì)算曲線(xiàn)與前文中正常橡膠堆和模擬故障橡膠堆的計(jì)算曲線(xiàn)對(duì)比，可以看出采用內(nèi)膠層包覆芯軸方案后，橡膠堆的位移應(yīng)力曲線(xiàn)介于正常堆與模擬故障橡膠堆之間且曲線(xiàn)未出現(xiàn)階躍，這說(shuō)明橡膠堆整個(gè)壓縮過(guò)程未失效，優(yōu)化措施起到了預(yù)期作用。

圖15 內(nèi)膠層包覆芯軸橡膠堆的FEA 計(jì)算模型

圖16 各橡膠堆的位移和應(yīng)力計(jì)算曲線(xiàn)

5 總結(jié)和展望

本文提出的橡膠堆優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，可以切實(shí)減小橡膠堆塌陷故障對(duì)產(chǎn)品本身、車(chē)輛運(yùn)行和客戶(hù)體驗(yàn)帶來(lái)的不良影響，為產(chǎn)品檢修和更換提供了更高的靈活性。參考產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)用環(huán)境，靈活采取不同的優(yōu)化方案或?qū)⒏鞣N方案進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，能夠保證橡膠堆在發(fā)生塌陷故障時(shí)仍能保證具備一定的應(yīng)急緩沖作用。

另外，本文所述的幾種優(yōu)化方式仍具備擴(kuò)展延伸的條件，可以為橡膠堆設(shè)計(jì)提供更多樣化的選擇。需要指出，上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念僅作為對(duì)非預(yù)期故障的緩解方案，并不意味著可以降低對(duì)橡膠堆本身品質(zhì)的要求，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品持續(xù)改進(jìn)，對(duì)質(zhì)量管控持續(xù)提升，盡可能降低產(chǎn)品故障風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)當(dāng)是從業(yè)人員最永恒的追求。