軌道車輛用橫向止檔的研制

常 浩，李 禹，劉湘黔*，葛 琪，程海濤

（1.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院，湖南 長沙 410151；2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

由于具有獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，橡膠材料在軌道車輛轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)中，設(shè)置在車體與構(gòu)架之間的橫向止擋如圖1所示。當(dāng)車輛通過彎道時(shí)，橫向止擋能夠有效減緩車體的橫向振動，確保車輛行駛的舒適性和平穩(wěn)性，同時(shí)防止車體出現(xiàn)過大的橫向位移，保障行車安全[1-5]。

圖1 橫向止檔的安裝示意Fig.1 Diagram of installation of lateral stop

本工作基于Abaqus軟件，在滿足客戶各項(xiàng)要求的前提下開發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊型橫向止檔，其間針對試制過程中出現(xiàn)的問題提出相應(yīng)的解決措施，順利完成產(chǎn)品試制，并通過型式試驗(yàn)驗(yàn)證該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可靠性，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和裝車，這對類似產(chǎn)品的開發(fā)具有參考性[6-8]。

1 橫向止檔的技術(shù)要求

橫向止檔是由金屬底板（簡稱底板）、橡膠層和頂部耐磨板（簡稱耐磨板）在一定硫化條件下加工而成的。其底板和橡膠層的設(shè)計(jì)主要包括剛度計(jì)算、強(qiáng)度校核以及疲勞壽命預(yù)測等[9]。本工作需要的橫向止檔在限定輪廓尺寸的前提下，有較高的剛度要求，其剛度非線性明顯。

通過前期的仿真計(jì)算，本工作橫向止檔采用底板與耐磨板之間夾橡膠層的“三明治”結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)采用在橡膠層中部打孔的方式實(shí)現(xiàn)變剛度的目標(biāo)，耐磨板可以保障縱向滑動的靈活性。

圖2 橫向止檔的結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of structure of lateral stop

2 有限元仿真分析

在橫向止檔的開發(fā)中，有限元技術(shù)的應(yīng)用極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，減少了試驗(yàn)設(shè)備的投入，降低了開發(fā)成本。通過有限元仿真分析可靈活調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)直至各項(xiàng)性能滿足要求，且能有效避免產(chǎn)品出現(xiàn)應(yīng)力集中[10]。

2.1 有限元模型的建立

橫向止檔的有限元模型采用簡化后的實(shí)體全模型（見圖3），底板和耐磨板采用C3D8R單元進(jìn)行模擬，橡膠層采用C3D8H單元進(jìn)行模擬，底板網(wǎng)格數(shù)量為5 640，耐磨板網(wǎng)格數(shù)量為8 460，橡膠層網(wǎng)格數(shù)量為46 389。

圖3 橫向止檔的有限元模型及加載方式Fig.3 Finite element model and loading method of lateral stop

2.2 橡膠材料的超彈性模型及性能

根據(jù)橫向止檔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其橡膠材料采用天然橡膠膠料，本構(gòu)模型采用超彈性本構(gòu)模型，相應(yīng)的Mooney-Rivlin參數(shù)如下：邵爾A型硬度60 度，C100.269 MPa，C010.065 MPa，D10.000 1。這些數(shù)據(jù)來源于株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司的材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

橫向止檔橡膠材料的物理性能如表1所示。

表1 橡膠材料的物理性能Tab.1 Physical properties of rubber material

橫向止檔底板由Q345B低碳合金鋼板與螺栓焊接而成，耐磨板采用錦綸66材料，二者的材料性能要求分別如表2和3所示。

表2 底板材料的性能要求Tab.2 Property requirements of bottom plate material

表3 耐磨板材料的性能要求Tab.3 Property requirements of wear-resistant plate material

2.3 載荷與邊界條件

加載過程貼近實(shí)際，采用底板固定及橫向施加載荷的方式（見圖3）。

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)可靠性

橫向止檔的橫向載荷-變形曲線如圖4所示，在橫向極限載荷下橫向止檔的應(yīng)變和應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 橫向止檔的橫向載荷-變形曲線Fig.4 Lateral load and deformation curves of lateral stop

圖5 在橫向極限載荷下橫向止檔的應(yīng)變和應(yīng)力云圖Fig.5 Strain and stress nephograms of lateral stop under lateral ultimate load

從圖4可以看出，橫向止檔的試驗(yàn)和仿真橫向載荷-變形曲線基本吻合，該橫向止檔的結(jié)構(gòu)能夠較好地滿足變剛度的設(shè)計(jì)要求。

從圖5可以看出：在橫向極限載荷下橫向止檔橡膠層的最大應(yīng)變?yōu)?06.9%，遠(yuǎn)低于橡膠材料的拉斷伸長率；底板的最大應(yīng)力為27.62 MPa，遠(yuǎn)小于其材料的屈服強(qiáng)度；耐磨板承受的最大應(yīng)力為24.97 MPa，滿足其材料的強(qiáng)度要求。因此，橫向止檔的結(jié)構(gòu)可靠性能夠得到保證。

3.2 產(chǎn)品試制

本工作橫向止檔較小，且剛度性能要求較高，在試制過程中多次出現(xiàn)質(zhì)量問題，通過設(shè)計(jì)、工藝、檢測等部門的合作，均得到妥善解決?，F(xiàn)將問題和解決措施簡介如下。

（1）安裝尺寸難以保證。橫向止檔的安裝尺寸公差較小，而底板僅有3 mm厚，底板在運(yùn)輸和噴砂過程中出現(xiàn)碰撞、硫化過程中出現(xiàn)熱脹冷縮不均勻（在橡膠層挖孔部位更為明顯）現(xiàn)象均會導(dǎo)致橫向止檔的安裝尺寸變化，其中碰撞導(dǎo)致的安裝尺寸變化是隨機(jī)的，而熱脹冷縮導(dǎo)致的安裝尺寸變化則有規(guī)律可循。

解決措施如下：橫向止檔的底板采用泡棉、氣泡袋等包裝后運(yùn)輸，采用定噴方式噴砂，從而避免變形；通過對10個(gè)橫向止檔樣品的整個(gè)加工過程的跟蹤測量，發(fā)現(xiàn)其硫化的熱脹冷縮會導(dǎo)致0.5 mm左右的變形尺寸偏差（見圖6），在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)中將該變形計(jì)入。

圖6 硫化后橫向止檔的變形示意Fig.6 Diagram of deformation of lateral stop after vulcanization

（2）底板與螺栓焊接處易反酸。初始設(shè)計(jì)中橫向止檔的底板與螺栓采用點(diǎn)焊的方式固定，在硫化過程中發(fā)現(xiàn)底板與螺栓頭間隙有反酸的現(xiàn)象[見圖7（a）]，影響膠粘劑的粘結(jié)性能。

圖7 橫向止檔底板的防反酸結(jié)構(gòu)改進(jìn)Fig.7 Improvement of anti acid structure of bottom plate of lateral stop

解決措施如下：橫向止檔的底板與螺栓采用滿焊后打磨的處理方式[見圖7（b）]，既解決了反酸問題又可以避免焊縫過大影響橫向止檔的剛度。

（3）耐磨板容易錯(cuò)位。針對橫向止檔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其硫化裝模采用倒置固定的形式，耐磨板在模具槽內(nèi)依靠自身重力定位。由于耐磨板的質(zhì)量較小，橫向止檔硫化時(shí)因高溫高壓橡膠流體的沖擊作用，會出現(xiàn)耐磨板錯(cuò)位的現(xiàn)象[見圖8（a）]。

圖8 耐磨板固定前后的橫向止檔Fig.8 Lateral stop before and after fixation of wear-resistant plate

解決措施如下：在放置耐磨板的橫向止檔四周添加固定卡扣[見圖8（b）]，保證耐磨板準(zhǔn)確定位。

4 型式試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)橫向止檔的安裝位置及使用功能，本工作設(shè)計(jì)了橫向止檔的型式試驗(yàn)驗(yàn)證方案（見表4），對外觀、尺寸和材料性能檢驗(yàn)合格的橫向止檔產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[11-12]。

表4 橫向止檔的型式試驗(yàn)驗(yàn)證方案Tab.4 Verification scheme for type experiments of lateral stop

4.1 橫向靜態(tài)剛度試驗(yàn)

橫向止檔的橫向靜態(tài)剛度試驗(yàn)方案為：連續(xù)施加0～28.5 kN的3個(gè)橫向加、卸載循環(huán)，加、卸載速度均為20 mm·min-1，記錄第3個(gè)循環(huán)的加載中1.5，9.2和27.5 kN載荷下的變形。

橫向止檔的橫向靜態(tài)剛度試驗(yàn)裝置如圖9所示，橫向止檔的橫向載荷-變形特性如表5所示。

表5 橫向止檔的橫向載荷-變形特性Tab.5 Lateral load-deformation characteristics of lateral stop

圖9 橫向靜態(tài)剛度試驗(yàn)裝置Fig.9 Device of lateral static stiffness experiment

4.2 摩擦試驗(yàn)

為了確定橫向止檔的摩擦性能，驗(yàn)證縱向位移過大時(shí)橫向止檔能否及時(shí)滑動，本工作對橫向止檔進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖10所示。橫向止檔的摩擦試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 橫向止檔的摩擦試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Friction experiment results of lateral stop

圖10 摩擦試驗(yàn)裝置示意Fig.10 Diagram of device of friction experiment

從表6可以看出：在不同的加載速度下，橫向止檔的打滑點(diǎn)縱向位移和摩擦因數(shù)各不相同，最大的打滑點(diǎn)縱向位移為10 mm；加載速度越大，打滑點(diǎn)縱向位移越小，加載速度為15 mm·s-1時(shí)，打滑點(diǎn)縱向位移為5 mm，此時(shí)摩擦因數(shù)為0.190，仍滿足設(shè)計(jì)要求（≤0.200）。

摩擦試驗(yàn)后的橫向止檔如圖11所示。

圖11 摩擦試驗(yàn)后的橫向止檔Fig.11 Lateral stop after friction experiment

從圖11可以看出，摩擦試驗(yàn)后的橫向止檔外觀良好，無開裂、脫膠和掉渣等現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 熱老化試驗(yàn)

熱老化試驗(yàn)主要驗(yàn)證橫向止檔在較高的環(huán)境溫度下的性能變化，試驗(yàn)過程為：先將橫向止檔在70 ℃的環(huán)境中放置14 d，再在室溫環(huán)境中放置48 h，之后進(jìn)行性能檢測。橫向止檔熱老化試驗(yàn)如圖12所示。

圖12 橫向止檔的熱老化試驗(yàn)Fig.12 Thermal aging experiment of lateral stop

經(jīng)檢測，熱老化試驗(yàn)后橫向止檔的橫向剛度變化率約為+7%，滿足技術(shù)要求（不超過+15%），且承受橫向載荷22.25 kN時(shí)，變形為11.7 mm，也滿足技術(shù)要求（≤16 mm）。

4.4 疲勞試驗(yàn)

完成橫向止檔結(jié)構(gòu)與剛度的匹配后，采用基于Abaqus和Endurica平臺下的多軸疲勞壽命預(yù)測方法對橫向止檔進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測，并針對預(yù)測壽命合格的橫向止檔進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[13]。

疲勞試驗(yàn)是在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)開發(fā)階段驗(yàn)證其設(shè)計(jì)可靠性的有效手段，本工作根據(jù)橫向止檔的實(shí)際使用工況設(shè)計(jì)了如圖13所示的疲勞試驗(yàn)裝置，其模擬橫向止檔實(shí)際使用過程中同時(shí)出現(xiàn)橫向載荷和縱向位移的情況。

圖13 疲勞試驗(yàn)裝置Fig.13 Device of fatigue experiment

疲勞試驗(yàn)參考EN 13913—2003進(jìn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測橡膠層溫度，采用風(fēng)扇、空調(diào)等保障橡膠層溫度不高于40 ℃，試驗(yàn)方法如下：橫向預(yù)載為8.9 kN（靜態(tài)），縱向位移為±10 mm（動態(tài)，頻率1～2 Hz），疲勞73 000次，共有7 300個(gè)小循環(huán)，每個(gè)小循環(huán)包含10個(gè)周期（誤差為±10 mm），相鄰2個(gè)小循環(huán)間隔2 s進(jìn)行。疲勞試驗(yàn)后的橫向止檔如圖14所示。

圖14 疲勞試驗(yàn)后的橫向止檔Fig.14 Lateral stop after fatigue experiment

對試驗(yàn)后的橫向止檔進(jìn)行外觀檢查，并測量其橫向剛度和自由高度。從圖14可以看出，疲勞試驗(yàn)完成后，橫向止檔的橡膠層、耐磨板和底板均沒有裂紋和嚴(yán)重磨損等損壞，組件之間沒有開膠，外觀良好。另外，疲勞試驗(yàn)后的橫向止檔承受橫向載荷22.25 kN時(shí)變形為10 mm（要求≤16 mm），橫向剛度變化率最大為+7.56%（要求≤+15%），自由高度變化為+1.5 mm（要求＜+2.5 mm）。試驗(yàn)結(jié)果表明，該橫向止檔的使用壽命能較好地滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）本工作開發(fā)的橫向止檔的剛度具有明顯的非線性，試驗(yàn)表明其結(jié)構(gòu)的可靠性高，能較好地滿足軌道車輛過彎道時(shí)的橫向變剛度要求，同時(shí)滿足車輛的動力學(xué)性能。

（2）本工作開發(fā)的橫向止檔采用“三明治”結(jié)構(gòu)，耐磨板使橫向止檔在10 mm的縱向變形時(shí)即可打滑，能有效避免因縱向大變形導(dǎo)致橫向止檔的剪切力過大，從而延長橫向止檔的疲勞壽命，降低其全生命周期成本。

（3）本工作橫向止檔的開發(fā)充分考慮了底板運(yùn)輸碰撞、工藝規(guī)程和硫化變形（尤其橡膠層的挖孔等結(jié)構(gòu)會影響橡膠層收縮率和底板熱脹冷縮均勻性）等多方面因素對產(chǎn)品性能的影響，產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。