軌道車輛用沙漏簧垂向剛度特性和失穩的探討

周 煒,黃友劍,馮萬盛

(株洲時代新材科技股份有限公司 開發中心,湖南株洲421007)

為了適應現代軌道車輛全方位提高走行品質、簡化轉向架結構、減輕轉向架自重的需要,開發出了結構簡單、功能全面、高效能的彈性懸掛系統。沙漏式橡膠彈簧,簡稱沙漏簧,就是其中一種應用于二系懸掛的多功能、高品質橡膠元件。沙漏簧能夠有效減少轉向架造價和系統的復雜性,并提供較好的空重車垂向柔性和橫向剛度。對于運行速度不高的輕軌車輛,采用沙漏簧能夠滿足地板面高度較低,二系懸掛的安裝高度受限制要求。此外,沙漏簧還可以代替地鐵車輛中所用的結構較復雜、占用空間較多、價格也較高的空氣彈簧。近年來,沙漏簧已經在地鐵、輕軌車、貨車和機車等多種軌道車輛上得到了廣泛應用。

沙漏簧(如圖1所示)應用于FU3000型低地板車上,用來替代圖2所示二系懸掛系統橡膠堆、彈性止擋以及鋼彈簧的功能,以適應降低地板高度、簡化轉向架結構的需求。

1 沙漏簧結構特點

沙漏簧為軸對稱結構彈性元件,如圖3所示,其外部和中部都去除了很大一部分橡膠材料,呈現沙漏形狀。在垂向載荷作用下,沙漏簧的垂向變形由剪壓共同作用所致:輕載時以剪切為主,重載時以壓縮為主。圖3中1,2部位在受壓的過程中逐步產生接觸,起到增加沙漏簧受壓橫截面的作用,所以沙漏簧垂向剛度的非線性特性體現在橡膠的材料非線性、結構上的幾何非線性和邊界條件的非線性3個方面,這三者大大增強了沙漏簧垂向剛度的非線性特性[1]。

沙漏簧在垂向可以提供10倍于夾層橡膠堆彈簧所能提供的靜撓度,而本身的工作高度卻依然與橡膠堆相近[2]。

2 沙漏簧的非線性有限元模型

利用達索公司非線性有限元分析軟件ABAQUS對沙漏簧進行大變形非線性求解,得到其內部的應力情況及變形狀態,并分析其垂向剛度性能。實體建模得到的沙漏簧有限元模型如圖4所示。

3 沙漏簧剛度性能分析

圖5是在50 kN垂向載荷作用下,沙漏簧橡膠體的內部應力云圖,其外部變形與產品試驗情況(圖7所示)基本一致。由圖5可知,橡膠彈性體的應力分布較均勻,Mises應力的最大值發生在橡膠體與上、下鋼板粘結部位附近,為2.507 MPa,小于橡膠彈簧壓縮應力的許用值[3,4],能夠滿足工程要求。

圖1 沙漏簧外形圖

圖2 二系懸掛系統

圖3 沙漏簧結構示意圖

通過分析可知,沙漏簧受21 kN的垂向載荷時,其垂向剛度為472 N/mm,與試驗值496 N/mm相比,誤差為5%;沙漏簧受50 kN的垂向極限載荷時,其剛度為691 N/mm,與試驗值751 N/mm相比,誤差為8%。如圖6所示,通過對比兩條垂向剛度曲線可以看出,兩者的非線性趨勢基本一致。因此,可以認為有限元的分析結果較為準確,可以用來指導產品設計的。

從沙漏簧垂向剛度曲線可以看出,空載之前的垂向剛度較小基本為線性,隨著載荷的增加剛度顯著上升,表現出明顯的非線性變化規律;即空載時彈簧較軟,重載下彈簧較硬。這一特性有利于減小地鐵和輕軌車輛在承載量不同時,地板面高度或車鉤高度的過大變化;可以防止軌道車輛在載客量較小狀態下因靜撓度過小而引起垂向動力學性能的下降。以FU3000型低地板車為例,空車和滿載時,每個沙漏簧上的垂向載荷分別約為21 kN和40 kN,相應的垂向靜撓度為42 mm和69 mm,地板高度差約為27 mm,使得空車和滿載時的自振頻率變化很小。

圖4 沙漏簧1/2網格模型

圖5 50 kN垂向載荷下橡膠體應力云圖

圖6 沙漏簧垂向剛度曲線

4 沙漏簧垂向失穩分析

橡膠具有大變形、大位移的承載特點,結構在承載過程中,可能會出現位移不再隨載荷的增加而增加,而是出現位移增加但載荷減少的不正常現象,這就是橡膠元件的結構失穩[5]。這種失穩往往忽然發生、毫無征兆,會給車輛運行的穩定性、安全性帶來一定影響。因此在設計沙漏簧時,需要考慮結構的穩定性,以確保彈性元件在使用過程中是穩定的。

圖8是沙漏簧初始設計結構的垂向剛度曲線,由圖8可以看出,剛度曲線不是一條平穩上升的非線性曲線:當垂向加載至37 kN時,剛度呈現下降趨勢,垂向加載至46 kN時,剛度恢復上升趨勢。剛度曲線顯示結構出現了階段失穩現象,但是產品試驗外觀正常,因此,需要通過有限元分析模擬產品形變來找到結構出現階段失穩的原因。如圖9所示,當垂向加載至37 kN時,沙漏簧內部A、B兩處出現局部坍塌現象,造成階段失穩發生,剛度丟失;繼續加載至46 kN,A、B兩處接觸在一塊形成一個整體,局部坍塌基本消失,剛度恢復上升趨勢。

圖7 50 kN垂向載荷下產品變形情況

圖8 初始結構沙漏簧垂向剛度曲線

圖9 階段失穩有限元分析結果

產品出現階段失穩,會給軌道車輛運行的平穩性和安全性帶來一定影響,因此需要對結構進行改進。結構改進后沙漏簧的剛度曲線為一平穩上升的非線性曲線(見圖6),這表明結構在承載過程中是穩定的。

為了驗證改進結構的垂向穩定性,在橫向位移40 mm工況下,利用有限元仿真技術對沙漏簧的垂向變形進行了分析。此時沙漏簧的變形狀態如圖10所示,沙漏簧的隔板組成部分發生了明顯偏斜。從垂向剛度曲線可以發現,當垂向加載小于60 kN時,剛度穩步上升;繼續加載,則剛度呈現出不可恢復的下降趨勢。產品的變形外觀和剛度曲線都表明結構出現了失穩現象。

沙漏簧的失穩現象發生在垂向載荷60 kN,高于設計的極限載荷50 kN,這表明結構在設計所給定的載荷下可以確保系統的穩定性和機車運行的安全性。

為了進一步增強沙漏簧的抗失穩性能,在工藝上,通過選取抗剪切性能較好的膠料配方,同時采用高壓模,可提高產品的抗失穩能力;在結構上,將上、下支撐板設計成硬止擋形式,如圖12所示,當沙漏簧的垂向變形超過設計位移時,硬止擋端部相互接觸在一起限制其進一步變形,以確保沙漏簧不出現垂向失穩情況。

圖10 橫向位移40 mm沙漏簧垂向失穩變形狀態

圖11 橫向位移40 mm沙漏簧垂向失穩剛度曲線

圖12 沙漏簧改進結構示意圖

5 結論

(1)沙漏簧采用筒狀結構,增加了產品的受壓承載面積,保證其垂向剛度具有較大的非線性特性,可有效防止軌道車輛在空載狀態下因撓度過小而引起垂向動力學性能的過分下降。

(2)沙漏簧在承載過程中,可能會因結構或載荷原因而失穩,且失穩是忽然發生的,因此,必須通過試驗測試或有限元分析以確保結構在承載過程中的穩定性。

(3)將沙漏簧的上、下支撐板設計成硬止擋形式來限制其垂向位移,可確保沙漏簧不出現垂向失穩情況。

(4)分析和試驗表明,用于FU3000型低地板車上的沙漏簧在極限垂向工作載荷50 kN下是穩定的,分析還表明,在橫向位移40 mm工況下,垂向失穩的臨界載荷為60 kN,表明沙漏簧能夠滿足結構的穩定性要求。

[1]趙洪倫,張廣世.高速客車空氣彈簧非線性橫向剛度特性研究[J].鐵道學報,1999,21(6):30-33.

[2]張定賢.一種用于二系懸掛的新橡膠彈簧—沙漏式旁承彈簧[J].電力機車技術,1999,(1):7-13.

[3]詹特AN.橡膠工程——如何設計橡膠配件[M].北京:化學工業出版社,2002.

[4]嚴雋耄.車輛工程(第3版)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[5]崔德剛.結構穩定性設計手冊[M].北京,航空工業出版社,1996.