鐵道車輛橡膠彈性元件設計仿真與校驗*

卜繼玲,王永冠,宋傳江

(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

轉向架是影響鐵道車輛運行品質的關鍵部件,其各結構件可以視為轉向架的軀干,彈性懸掛系統則可以視為轉向架的大腦,直接影響運行品質。隨著高分子彈性元件的技術發展和轉向架性能要求的提高,具備非線性性能參數的橡膠類高分子產品被用作彈性元件的比例逐步增加。橡膠部件的使用也往往給主要的工程問題提供了一種簡單和巧妙的解決方法[1]。以某型鐵道車輛轉向架轉臂定位橡膠關節的設計為例,介紹橡膠彈性元件設計工程中的仿真技術及其校驗過程。

1 橡膠關節的技術輸入

圖1是某新型地鐵轉向架及其轉臂定位橡膠關節。在進行橡膠關節的設計時,主機廠僅提供了外形接口尺寸和產品的徑向、軸向剛度要求。并沒有明確給出具體的疲勞試驗載荷條件,只提出了使用壽命要求。為確保研發的橡膠關節在技術參數和可靠性上滿足轉向架的運用條件,決定采用虛擬樣機的方法,充分發揮三維結構設計、有限元結構分析、多體動力學系統仿真和疲勞載荷譜數據處理等設計仿真分析技術優勢。

2 橡膠關節的結構設計

根據彈性理論,橡膠的剪切模量G與壓縮彈性模量E的關系見式(1)[2]。

式中r為泊松比。

典型橡膠的r值為0.499 5,所以E≈3G。對于普通結構的關節,軸向意味著剪切方向,徑向則是壓縮方向。同時橡膠件受壓縮時,它的上下表面與金屬板硫化粘結而受約束,使有效的壓縮彈性模量Ea值比式(1)計算得到的E大得多。所以普通結構關節的軸、徑向剛度比通常小于0.3。

圖1 某型轉向架及其橡膠關節

但是本次設計的橡膠關節要求軸、徑向剛度比大于0.5,因此突破普通結構進行設計,采用了如圖2所示的結構,這種結構的軸、徑向剛度比可以做到0.5～1。根據基本結構形式,結合接口尺寸的空間限制和產品剛度限制條件,利用有限元分析技術,確定其具體的結構參數。在分析過程中充分利用既往產品的經驗參數,對具體結構參數進行優化分析。優化過程中采用統一的網格規模、單元類型、材料屬性、接觸參數、求解參數等。通過調整各個結構參數,再經過多次有限元計算,最終確定結構具體參數,具體流程見圖3。有限元模型見圖4。通過這個設計仿真優化過程后,該產品樣品一次試模成功,徑向剛度和軸向剛度均滿足了要求。這樣就大大縮短開發周期,降低了研發成本。圖5為產品的靜剛度試驗照片。

圖2 產品結構示意圖

圖3 結構參數確認流程

圖4 1/4橡膠關節有限元模型(隱藏芯軸)

圖5 橡膠關節靜剛度試驗

3 橡膠關節疲勞試驗

轉向架轉臂定位橡膠關節在保證鐵道車輛的運行穩定性上非常關鍵,如果失效將導致轉向架其他部件發生破壞,危及行車安全,因此其疲勞可靠性十分重要。由于是新開發的轉向架和車輛,客戶并沒有真實的結構疲勞載荷信息,因此采用車輛系統動力學仿真分析的技術手段,利用主機廠提供的車輛和轉向架技術參數,結合最終用戶提供的線路情況,建立整車動力學仿真分析模型(如圖6所示),分析得出橡膠關節的載荷時間歷程,進而得到其載荷情況。

圖6 整車動力學模型

3.1 計算工況確定

計算工況分得過細,會增加計算工時和數據后處理工作量;工況分得過粗,會使計算結果缺乏代表性。所以工況的合理選擇十分重要。統計分析用戶提供的線路條件,得到車輛運行線路分布比例具體見圖7,根據GB 50157-92《地下鐵道設計規范》可得到各種工況的最大行駛速度,考慮安全性,整車動力學仿真分析時按相應線路的最大速度取值。表1為計算工況。

圖7 工況所占運行線路的比例

表1 線路設計工況

3.2 計算結果及數據處理

根據動力學仿真結果,導向輪對上定位關節的載荷最為惡劣,所以取該關節14種工況下的載荷時間歷程,并分別進行雨流計數。然后按照一定里程內(如150 km)各工況的比例進行雨流矩陣疊加,生成150 km總雨流矩陣,見圖8所示。

圖8 各工況合成后的150 km載荷總雨流矩陣

該雨流矩陣共計有1.01×105次循環,代表車輛運行150 km,則產品性能要求的120萬km對應的載荷循環將高達8億次。從研發產品的角度,必須縮短疲勞試驗的循環次數,即利用加速疲勞試驗技術[3]。通過對產品進行有限元應力應變仿真分析,結合既往產品形成的典型壓縮類結構產品的S—N曲線,對總雨流矩陣進行縮減,得到了縮小規模的總雨流矩陣。一個塊只包含450次循環。120萬km包含8 000個塊,總計循環次數為360萬次。從而在保證對結構損傷不降低的情況下,縮短疲勞壽命試驗時間的載荷方案。

3.3 編制臺架試驗程序載荷譜塊

雨流矩陣描述的是三維均值、幅值統計頻次表,為便于臺架試驗加載,需要轉換成二維表格——均值頻次表和幅值頻次表[3]。圖9為處理完數據得到的幅值分布曲線,可見該幅值累積分布曲線基本服從WeiBull分布。但雨流矩陣代表了運行150 km中可能出現的載荷情況,其統計結果涵蓋幾乎所有典型運行工況,因此可以直接使用其幅值分布統計結果對載荷幅值進行分級。然后重復150 km的載荷譜塊。

依據CONOVER[4]法將載荷譜劃分為8級進行統計,但由于在頻次中出現了非整數值,實際試驗中操作性較差,所以對表中的數據進行處理,將8級載荷譜調整為6級載荷譜,見表2。

圖9 載荷幅值分布曲線和分級直方圖

表2 徑向載荷幅值分級

圖10 試驗機控制計算機中實現載荷譜塊

圖11 產品疲勞試驗情況

依據載荷低—高—低加載次序制定單塊程序加載譜,這樣可以最大程度上減小加載順序對疲勞試驗的影響[4,5]。如圖10為臺架試驗控制計算機上的單個譜塊顯示,總循環數為450,代表運行150 km的徑向載荷。試驗波動中心為21.5 kN,按圖10施加波動幅值,共計運行8 000個塊,相當產品實際運行120萬km,頻率為2～ 4 Hz。

3.4 產品疲勞檢驗

根據上述分析,對產品進行疲勞壽命試驗,試驗狀態照片及完成后產品見圖11所示。試驗后對產品進行剛度檢測,剛度變化率為19.5%,滿足使用要求;而在外觀方面也只有壓縮部分有輕微的熔膠,所以該產品滿足疲勞試驗條件。

該產品提供給主機廠后,經過2年多運用后檢修時,進行外觀檢查和參數檢測,均沒有出現異常情況,表明該產品的開發設計完全能夠滿足使用要求。

4 結束語

在鐵道車輛轉向架橡膠彈性元件的開發過程中,通過大量采用結構三維設計、結構有限元仿真分析、車輛系統動力學仿真分析、隨機載荷統計仿真分析、疲勞結構壽命仿真分析等虛擬樣機仿真技術,不僅大大縮短了產品結構設計開發的周期與成本,也為橡膠產品的可靠性研究與設計提供了一條經濟、實用、可靠的方法。

[1] A.N.Gent.Engineering with Rubber-How to Design Rubber Components(2nd Edition)[M].Munich:Carl Hanser Verlag,2001.

[2] 龔積球,龔震震,趙熙雍.橡膠件的工程設計及應用[M].上海:上海交通大學出版社,2003.

[3] 樊曉燕,吳茲攀,童忠鈁.機械零件疲勞載荷譜編制[J].機電工程,1994,(2):23-26.

[4] 高鎮同.疲勞可靠性[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000.

[5] W.V.M ars,A.Fatemi.A literature survey on fatigue analysis approaches for rubber[J].International Journal of Fatigue,2002,24:949-961.