吳清坤 禚文 趙天

摘要：闡述某軌道車輛轉(zhuǎn)向架用中心牽引橡膠節(jié)點結(jié)構(gòu)特點及疲勞失效形式，通過有限元計算對失效位置進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，提出不同改進(jìn)方案。利用有限元法對不同改進(jìn)方案進(jìn)行應(yīng)力分析，選出最佳改進(jìn)方案，并通過疲勞試驗驗證了產(chǎn)品的可靠性，可以為類似產(chǎn)品設(shè)計提供借鑒經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：軌道車輛；中心牽引橡膠節(jié)點；有限元法；失效分析

0? ?引言

軌道車輛由于其運(yùn)輸量大、成本低、速度快等特點，在城市運(yùn)輸體系中占據(jù)舉足輕重的地位[1]。隨著車輛運(yùn)行里程的增加，服役時間的延長，轉(zhuǎn)向架承載部件質(zhì)量問題也越來越多[2]。國內(nèi)某軌道車輛轉(zhuǎn)向架用中心牽引橡膠節(jié)點，在車輛運(yùn)行50萬km時出現(xiàn)批量橡膠開裂現(xiàn)象，裂紋均發(fā)生于產(chǎn)品下部，上部橡膠均未發(fā)生開裂。本文從橡膠開裂部位結(jié)合安裝狀態(tài)分析其失效形式及原因，借助有限元設(shè)計軟件對應(yīng)力情況進(jìn)行分析研究，提出不同優(yōu)化方案對比分析，并通過疲勞試驗進(jìn)行驗證。

1? ?中心牽引橡膠節(jié)點結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求

1.1? 結(jié)構(gòu)特點

中心牽引橡膠節(jié)點由金屬與橡膠硫化而成，具有多向剛度、降低金屬磨耗、減輕質(zhì)量、高頻減振及隔音、良好的非線性等優(yōu)點[3]，是轉(zhuǎn)向架牽引裝置的關(guān)鍵部件。它連接轉(zhuǎn)向架與車體[4]，在車輛運(yùn)行過程中，起到傳遞轉(zhuǎn)向架和車體之間的縱向力及扭轉(zhuǎn)力，以改善車輛振動噪聲，提高乘客舒適度。中心牽引橡膠節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為改善車輛動力學(xué)性能，提供不同橫向、縱向剛度值，橡膠圓周方向采用不連續(xù)結(jié)構(gòu)，即縱向橡膠開有缺口。同時，為限制縱向變形過大，芯軸設(shè)置金屬擋凸起，外側(cè)硫化一層橡膠，起到限位止擋且避免剛性沖擊的作用。

1.2? 技術(shù)要求

中心牽引橡膠節(jié)點主要技術(shù)指標(biāo)為靜態(tài)剛度性能及疲勞性能：靜態(tài)剛度性能需滿足表1要求。疲勞試驗工況按照表2進(jìn)行，疲勞性能需滿足外觀及靜態(tài)剛度變化率要求，即疲勞試驗后橡膠與金屬粘接面開膠面積不應(yīng)超過正常粘接面積的10%。金屬不應(yīng)出現(xiàn)裂紋或斷裂，疲勞前后應(yīng)滿足靜態(tài)剛度變化率公差限度值±20%以內(nèi)[5]。

2? ?失效原因與解決方法分析

2.1? 失效原因分析

中心牽引橡膠節(jié)點安裝形式見圖2，上部通過牽引銷與車體連接，下部通過牽引拉桿組成與轉(zhuǎn)向架連接，典型失效形式為下部橡膠缺口處開裂（圖3），上部橡膠缺口處無開裂。

根據(jù)圖2可知，中心牽引橡膠節(jié)點載荷實際作用線（牽引拉桿中心線）與理論作用線（中心牽引橡膠節(jié)點中心線）不重合，存在70mm左右偏心。當(dāng)車輛運(yùn)行時，其為傳遞轉(zhuǎn)向架與車體之間載荷，中心牽引橡膠節(jié)點在實際作用線處承受偏心載荷，下部橡膠變形及載荷遠(yuǎn)大于上部橡膠，在交替疲勞載荷作用下，可能引起橡膠的疲勞失效。

為驗證不同位置（理論作用線與實際作用線）加載對橡膠疲勞失效的影響，通過設(shè)計疲勞試驗工裝按照表2工況進(jìn)行試驗驗證。試驗結(jié)果表明：采用理論作用線加載方式進(jìn)行200萬次疲勞試驗后，橡膠表面良好，無開裂現(xiàn)象；采用實際作用線加載方式僅進(jìn)行120萬次疲勞試驗后，橡膠發(fā)生開裂現(xiàn)象，開裂位置與實際裝車疲勞失效位置相同。因此可確認(rèn)，橡膠失效是由于牽引裝置實際作用線與理論作用線不重合造成的。

2.2? ?解決方法分析

解決中心牽引橡膠節(jié)點疲勞失效問題辦法由2種：一是通過調(diào)整牽引裝置加載位置，使其理論作用線與實際作用線重合；二是通過產(chǎn)品本身結(jié)構(gòu)優(yōu)化改善。產(chǎn)品偏心安裝會降低使用壽命，若安裝形式改為中心安裝可降低批量失效風(fēng)險，但目前該轉(zhuǎn)向架已大批量裝車運(yùn)行，更改安裝形式需耗費(fèi)大量生產(chǎn)成本，并對線路正常運(yùn)行造成影響，因此本文從產(chǎn)品本身考慮優(yōu)化設(shè)計。

3? ?有限元分析

3.1? ?本構(gòu)模型

橡膠屬于高分子聚合物超彈性材料，具有各向同性和不可壓縮的特點，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不能用簡單線性描述，而是呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性[6]。人們對橡膠本構(gòu)模型進(jìn)行的大量研究，一方面是基于統(tǒng)計熱力學(xué)的理論，另一方面是基于連續(xù)介質(zhì)唯象學(xué)理論[7]。兩種理論發(fā)展出的應(yīng)變能密度函數(shù)非常豐富，由于橡膠材料配方多樣性能復(fù)雜，并非一種理論適用于所有情況，因此需針對具體問題具體分析，合理選擇本構(gòu)模型。

基于連續(xù)介質(zhì)唯象學(xué)理論的Mooney-Rivlin模型是一個比較經(jīng)典的模型，適用于應(yīng)變約為100%（拉伸）和30%（壓縮）的中小變形，應(yīng)用廣泛，對橡膠節(jié)點類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品仿真計算精度高，本文以該模型為理論基礎(chǔ)進(jìn)行有限元分析。

Mooney-Rivlin理論基于以下兩個假設(shè)：一是橡膠材料具有體積不可壓縮性，且在變形前是各向同性的；二是剪切變形中服從胡克定律，即應(yīng)力-應(yīng)變是線性關(guān)系。根據(jù)上述假設(shè)，通過數(shù)學(xué)論證推導(dǎo)出應(yīng)變能函數(shù)W為：

W=C1（λ12+λ22+λ32-3）+C2（λ1-2+λ2-2+λ3-2-3）? ? （1）

式中：λ1、λ2、λ3為主拉伸比，C1、C2為常數(shù)。各向同性條件函數(shù)W對三個主伸長率λ1、λ2、λ3應(yīng)為對稱，因此應(yīng)變能密度函數(shù)只是偶次冪函數(shù)，3個滿足這些要求的最簡單的偶數(shù)冪函數(shù)為：

I1=λ12+λ22+λ32? ? ? ? ? ? ? ? （2）

I2=λ12λ22+λ22λ32+λ12λ32? ? ? ? ? ? ?（3）

I3=λ12λ22λ32? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式種：I1、I2、I3為應(yīng)變不變量。根據(jù)橡膠材料體積不可壓縮性，三階應(yīng)變不變量I3為1，式（3）可寫為：

I2=λ1-2+λ2-2+λ3-2? ? ? ? ? ? ? ?（5）

當(dāng)I1、I2當(dāng)作為獨(dú)立變量時，式（1）應(yīng)變能函數(shù)可表示為多項式型式：

（6）

其中Cij為常數(shù)可通過試驗測的，典型的二項展開式為：

（7）

其中D1為常數(shù)，J為彈性體積比，由于橡膠幾乎不可壓縮性，J取值為1，式（7）可簡化為：

W=C10（I1-3）+C01（I2-3）? ? ? ? ? ? （8）

式（8）中材料常數(shù)只有兩個（C10和C01），可通過實測橡膠應(yīng)力-應(yīng)變和本構(gòu)模型理論計算應(yīng)力-應(yīng)變通過最小二乘擬合得到。

3.2? ?失效應(yīng)力分析

借助有限元仿真計算，以理論作用線為加載位置施加42kN縱向載荷，橡膠最大應(yīng)力出現(xiàn)在橡膠中間位置，最大值1.029MPa（見圖4）。以實際作用線為加載位置施加42kN縱向載荷，橡膠最大應(yīng)力出現(xiàn)在橡膠端部位置，最大值2.338MPa（見圖5）。最大應(yīng)力值較理論作用線加載方式增加明顯，最大應(yīng)力位置也與實際裝車疲勞失效位置相同，因此通過仿真計算可對疲勞失效形式進(jìn)行有效模擬。

3.3? ?改進(jìn)方案

中心牽引橡膠節(jié)點硫化時，溫度變化會使橡膠內(nèi)部產(chǎn)生初始拉伸應(yīng)力。車輛運(yùn)行過程中承受多種復(fù)雜載荷，也會使橡膠內(nèi)部產(chǎn)生一定的拉伸應(yīng)力。由于橡膠承受拉應(yīng)力的能力較差，為改善產(chǎn)品應(yīng)力狀態(tài)，需對產(chǎn)品周向施以一定預(yù)壓量，以消除橡膠內(nèi)部拉伸應(yīng)力，保證產(chǎn)品在工作時始終處在預(yù)壓狀態(tài)，從而提高產(chǎn)品壽命。

將中心牽引橡膠節(jié)點預(yù)壓量分別設(shè)置為1mm（既有結(jié)構(gòu)）、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm，利用有限元分析進(jìn)行偏心加載計算，通過調(diào)整橡膠硬度。在滿足表1靜態(tài)剛度性能前提下，計算縱向42kN載荷下橡膠最大應(yīng)力，其計算結(jié)果如表3所示。由表3可知，預(yù)壓量2mm時，各項剛度均滿足技術(shù)要求，且最大應(yīng)力值最小。

4? ?試驗驗證

根據(jù)有限元計算分析結(jié)果，牽引橡膠節(jié)點橡膠硬度選取58 Shore A，預(yù)壓量2mm時橡膠應(yīng)力最小，且剛度性能滿足技術(shù)要求。為進(jìn)一步驗證有限元計算分析的可靠性，現(xiàn)對其進(jìn)行試驗驗證。

對牽引橡膠節(jié)點靜態(tài)剛度性能進(jìn)行試驗驗證，試驗結(jié)果見表4。從表4可知，試驗結(jié)果符合技術(shù)要求。

通過合理設(shè)計工裝，模擬圖2方式對中心牽引橡膠節(jié)點進(jìn)行偏心加載（與理論作用線偏移70mm），按照表4進(jìn)行200萬次疲勞試驗，疲勞試驗后橡膠表面狀態(tài)良好，無開裂現(xiàn)象，滿足靜態(tài)剛度變化率公差限度值（見表5）±20%以內(nèi)。

5? ?結(jié)束語

中心牽引橡膠節(jié)點裝車運(yùn)行50萬km后產(chǎn)生批量疲勞失效，是由于轉(zhuǎn)向架牽引裝置安裝偏心，牽引拉桿中心線與中心牽引橡膠節(jié)點中心線不重合引起的。采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型，對中心牽引橡膠節(jié)點剛度性能及應(yīng)力情況進(jìn)行有效分析，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高。在不改變牽引裝置結(jié)構(gòu)前提下，通過調(diào)整中心牽引橡膠節(jié)點的預(yù)壓量，可有效提高產(chǎn)品疲勞性能，滿足裝車要求。

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