鐵路貨車用剪切板改進研究

曹 政，李文平，林立鈿，張春良，程海濤

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

剪切板主要應用于鐵路貨車轉向架軸箱與側架之間，實現軸箱與側架的彈性連接，具有吸收和緩沖車輛起動及制動時瞬時沖擊的作用，從而提高車輛運行的安全性和穩定性［1－2］。剪切板的安裝示意如圖1所示，從圖中可知該剪切板成對安裝在轉向架的軸箱與側架的兩側，承受大部分縱向（以行車方向為縱向）載荷和少部分的垂向、橫向載荷，起定位輪對的作用，對于保證車輛運行穩定性和曲線通過性能非常重要。剪切板的結構如圖2所示。

圖1 安裝示意圖

圖2 剪切板結構簡圖

剪切板在裝車使用中，發現其橡膠型面出現褶皺和鼓起以及厚度變小等現象，這樣對產品的使用壽命及車輛的安全性有很大影響，故針對其所存在的缺陷進行優化設計，通過有限元模擬和實際試驗來驗證優化設計的可行性。

1 目前剪切板存在的問題

圖3 通孔處橡膠型面褶皺

圖4 橡膠中部鼓起

剪切板裝車后在線路上運行時，由于載重量的變化以及車輛的頻繁起動、制動，其橡膠型面也會隨之發生變化，在變化過程中發現剪切板橡膠型面有褶皺和鼓起現象，進行了試驗室試驗以重現故障，圖3為模擬產品在縱向承受正常工作載荷時的變形情況，可見在通孔處有褶皺或打褶現象，圖4為模擬產品在縱向承受極限載荷時的變形情況，可見在產品中部有橡膠鼓起。如果按照剪切板的實際應用工況，除了縱向承受載荷外還應在垂向增加剪切位移，則產品的變形如圖5所示在兩端面A處打褶，綜上所述其產品的使用壽命難以滿足設計要求。

圖5 兩端面橡膠打褶

2 改進方案

針對剪切板所存在的缺陷（局部橡膠型面鼓起和打褶、自由高變小）提出了改進建議，即增大橡膠自由面、更改橡膠型面、優化橡膠配方、消除過渡面尖角效應等。

（1）增大橡膠自由面。將原來橡膠體中的通孔形狀及尺寸進行調整，使橡膠自由面增大，同時考慮消除或減弱變形中打褶現象。具體實施方案詳見圖6所示：首先是橢圓形，其次是水滴狀，最后是啞鈴狀，通過有限元模擬每種通孔形狀在承受相同載荷下的變形情況，最終得出啞鈴狀為最佳方案。

圖6 通孔形狀

（2）更改橡膠型面。依據產品的垂向剪切變形情況將原設計橡膠型面進行調整，使得產品在應用過程中橡膠型面由之前的擠壓鼓起變為拉伸平緩。具體實施方案詳見圖7所示。

圖7 調整后產品結構

（3）配方優化。由于產品長期處于壓縮狀態，因此對產品的橡膠壓縮永久變形或抗蠕變性能要求較高，而老產品在配方方面不是很理想，造成產品厚度變小，故采用抗蠕變性能較好的異戊橡膠來硫化產品，可大大減少產品的永久變形量。

（4）將原橡膠交接面處倒圓角，實現交接面的光滑過渡，消除尖角效應。

3 改進后方案的可行性分析

3.1 有限元分析

在不影響產品性能和安裝接口的前提下，將產品的結構進行簡化，如將帶斜面的上板改為平板、下板取消凸臺等。根據產品結構及承載的特性，利用半模型進行剛度分析。

圖8為分析產品縱向剛度所采用的有限元模型，其中橡膠材料采用ABAQUS中的C3D8 H單元進行模擬，上板和下板均采用 C3 D8單元進行模擬［3－4］。

根據有限元分析結果，首先，橡膠采用60°sha的膠料硬度，產品的縱向剛度計算值：壓縮4 mm時為3.7 k N／mm，壓縮6 mm時為5.3 k N／mm，滿足產品使用性能要求；其次，產品在最大變形時橡膠體中部稍有鼓起，而且由于改變橡膠開孔形狀增大橡膠自由面，使得開孔處打褶現象消除。

圖9給出了產品的橡膠部分應力分布圖，應力最大值出現在產品的A處，圖10給出了產品上、下板的應力分布圖，可知最大應力為3.2 MPa，遠小于材料的屈服強度，圖11給出了產品在垂向和縱向同時承受載荷時的橡膠型面。

總之，通過有限元分析可以判斷更改橡膠型面和增大自由面的改進思路是可行的。

圖8 有限元分析模型

圖9 產品橡膠部分應力分布圖

圖10 產品上、下板應力分布圖

圖11 產品垂向縱向都承載時的變形云圖

3.2 試驗驗證

3.2.1 靜態試驗

根據產品有限元分析結果進行產品試制，并依據相關的試驗大綱對試制產品進行縱向壓縮試驗及垂向剪切試驗（同時在縱向有壓縮變形）來驗證改進方案。

圖12與圖3為相同載荷工況下產品變形情況，相比較其通孔橡膠面沒有出現褶皺或打褶現象，可見優化橡膠面上通孔形狀和尺寸可以消除橡膠面褶皺或打褶現象。

圖13與圖4為相同載荷工況下產品變形情況，相比較其橡膠體中部鼓起明顯減弱，可見增大橡膠自由面可以減弱橡膠鼓出現象。

圖12 通孔處橡膠型面未打褶

圖13 橡膠中部鼓起

圖14與圖5為相同載荷工況下產品變形情況，相比較其兩端面橡膠沒有打褶，可見更改橡膠型面可以消除兩端面打褶現象。

圖14 兩端面橡膠未打褶

通過對試制產品的靜態試驗結果分析證明了通過增大橡膠自由面和更改橡膠型面的方法是可行的。同時記錄了試驗結果（表1）和試驗曲線（圖15），由試驗結果可知該結構滿足性能要求。

表1 靜剛度試驗結果

圖15 產品縱向剛度曲線

3.2.2 動態試驗

產品除了結構的調整外，對橡膠配方也做了優化，因此為了進一步驗證產品的可靠性，對產品進行了動態性能試驗——疲勞試驗，圖16給出了產品疲勞試驗過程。

圖16 產品疲勞試驗

經過動態疲勞試驗后產品完好，其壓縮永久變形僅為0.6 mm，縱向剛度變化率為9.8%，可見改進后的產品無論從結構還是配方上都得到了很大改善，因此可以判斷改進方案是可行的。

4 結論

（1）通過調整橡膠型面、增大橡膠自由面等方法可以優化產品的性能。

（2）橡膠配方直接影響到產品的永久變形或抗蠕變性能。

（3）利用有限元分析可以指導產品結構的設計、節約生產成本和縮短開發周期［5］。

（4）改進方案的可行性不僅要從理論上分析，而且也得通過試驗驗證，只有這樣才能對改進方案作出客觀正確的判斷。

［1］戶原春彥，防振橡膠及其應用［M］.北京：中國鐵道出版社，1982.

［2］唐先賀，張春良，等.大功率交流傳動機車橡膠彈性元件［J］，機車電傳動，2003（3）：27－30.

［3］HKS.ABAQUS Theory Manual.［M］.Hibbit，Karlsson ＆Sorensen（HKS）Inc.2007.

［4］黃友劍.城市地鐵軌道減振器結構及性能研究［D］，長沙：中南大學，2006.

［5］吳安偉，王明星，等.有限元分析在翻邊橡膠金屬關節設計中的應用［A］∥DS SI MULIA中國區用戶大會2008用戶論文集.2008.