一種軌道車輛用縱向牽引橡膠裝置的設計

孫海燕， 蘭加標， 馮萬盛， 林 勝， 榮繼綱

(株洲時代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007)

軌道車輛的發展，環境友好性的要求日益成為主導，車輛對于軌道的磨耗越來越被重視。車輛制造商在設計轉向架時，追求既可以滿足車輛的高承載能力，又盡可能將轉向架自重降低，從而降低車輛對軌道的磨耗，以達到整個軌道系統壽命周期成本(LCC)的最優化。

針對這一發展趨勢，筆者介紹一種輕便的二系縱向牽引橡膠裝置。轉向架的牽引裝置是連接轉向架構架與車體并傳遞牽引力與制動力的重要部件，機車車輛的牽引方式多種多樣，包括單拉桿牽引、雙平桿牽引、雙側拉桿牽引和牽引橡膠堆等[1]。

介紹的牽引裝置可以代替傳統的牽引拉桿裝置或者浮動牽引系統(雙平桿牽引、雙側拉桿牽引和牽引橡膠堆形式)，提供車輛所需的牽引力和制動力，同時該橡膠牽引裝置結構簡單，能夠實現傳統牽引裝置同樣的功能，傳遞車輛的牽引力和制動力，并提供柔性連接和吸收二系懸掛產生的振動，且設計壽命期為12年，壽命期內免維護，極大降低了車輛的維護成本。

1 二系牽引裝置的常見形式及其承載特性

二系牽引裝置常見的形式有牽引中心銷裝置與兩根牽引拉桿形成的Z形浮動牽引裝置、單牽引拉桿裝置以及牽引中心銷裝置與牽引橡膠堆組成的牽引裝置。

1.1 Z形浮動牽引裝置

Z形浮動牽引裝置由牽引中心銷裝置和牽引拉桿裝置兩個相互獨立的部分組成[2]，包括金屬部件和橡膠球鉸，由橡膠球鉸提供縱向承載和柔性連接。此種牽引裝置質量大，整個牽引系統一般質量為60 kg。整個牽引系統的縱向剛度性能是一條非線性的曲線[1]，如圖2，為實現非線性要求，牽引中心銷橡膠球鉸以及牽引桿橡膠球鉸需要進行空實向設計，即在橡膠體上增加開孔設計，而開孔處應力應變水平較高，為薄弱處，容易產生疲勞問題，而球鉸制造過程中出現的各種偏差，也容易出現產品的質量問題[3]。

圖1 Z形浮動牽引裝置示意圖

圖2 Z形浮動牽引裝置的縱向剛度曲線

1.2 單牽引拉桿裝置

單牽引拉桿裝置由牽引拉桿和橡膠球鉸組成，一般質量為30 kg，也要求變剛度設計，橡膠球鉸需進行空實向設計，兩個橡膠球鉸需要承擔車輛的牽引/制動載荷，及各方向的偏扭轉載荷，橡膠球鉸受載情況復雜，易出現疲勞失效，牽引球鉸的設計及驗證工作復雜。根據時代新材多年的牽引拉桿橡膠球鉸的開發經驗，此種牽引裝置中的橡膠球鉸受載情況最為惡劣，疲勞失效比例也最高，運行過程中的維護費用高。

圖3 單牽引拉桿組成

1.3 牽引中心銷與牽引橡膠堆組成的牽引系統

某些車輛的設計二系牽引裝置有牽引中心銷球鉸和牽引橡膠堆組成，包括金屬部件、橡膠球鉸和橡膠堆[4]，此種結構可靠性高，變剛度特性不明顯，且整個系統質量大，一般大于50 kg。

圖4 牽引中心銷和牽引橡膠堆組成的牽引系統

傳統的二系牽引裝置根據不同的設計，滿足車輛動力學性能的同時，普遍質量大，橡膠球鉸的設計復雜，無法滿足車輛設計輕量化，磨耗小，環境友好日益迫切的要求。

2 技術要求

為滿足車輛設計輕量化的要求，彌補傳統牽引裝置的不足，介紹一種新型的牽引橡膠裝置，該牽引橡膠裝置既適用于干線車輛也適用于地鐵車輛，與金屬牽引中心銷配合，承擔傳遞車輛牽引力和制動力的作用，同時提供合適的扭轉剛度以實現車輛良好的過彎道性能，滿足車輛動力學性能所需的縱向牽引性能。

根據轉向架的設計，車輛二系牽引裝置需要非線性要求，小牽引載荷下提供柔性變形，實現轉向架的動力學性能及車輛的舒適度要求，而大牽引載荷下提供限位功能，保證行車的安全性。同時車輛行駛過程中橫向的附加力也將作用于牽引橡膠裝置上，這就需要牽引橡膠裝置有較小的橫向剛度或者特殊的設計減小橫向剛度，以減輕橫向附加力對整個二系懸掛的影響。根據轉向架動力學性能計算，牽引橡膠裝置的技術要求見圖6及表1。

1-牽引橡膠裝置；2-中心銷圖5 牽引橡膠裝置的安裝位置示意圖

3 新型牽引橡膠裝置的結構設計

3.1 新型牽引橡膠裝置的結構特點及承載特性分析

新型牽引橡膠裝置僅為安裝于中心銷兩側的橡膠彈簧，安裝簡便，結構簡單，且質量輕，兩個橡膠彈簧的總質量僅為13 kg，遠小于傳統牽引裝置的動輒50 kg以上。由表1可知，為滿足新型牽引裝置的變剛度要求，及車輛過曲線時的偏擺要求，橡膠采用錐形結構，并在產品上設計硬止擋，以實現車輛非線性的牽引動力學性能。同時新型牽引橡膠裝置與中心銷的間隙僅為1～2 mm，鑒于各零部件的制造公差，新型牽引橡膠裝置在運行過程中與中心銷基本屬于常接觸，同時為減小橫向附加力對牽引橡膠裝置造成的剪切影響，新型牽引橡膠裝置采用錐形橡膠結構同時設計有耐磨板，錐形橡膠結構提供牽引橡膠裝置大的橫向剛度和垂向剛度(橫向剛度>2.5 kN/mm，常規產品僅為0.2～0.5 kN/mm)，耐磨板采用摩擦系數低且強度好的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE),會使橡膠裝置在大位移下滑動，雙重保證，以避免橡膠受大的剪切變形，從而提升了牽引橡膠裝置的疲勞壽命。

1-底板；2-橡膠；3-頂板；4-耐磨板。圖7 新型牽引橡膠裝置設計方案

由圖7可知，新型牽引橡膠裝置采用錐形橡膠結構設計，根據錐形橡膠套的計算方法，近似計算牽引橡膠裝置的40 kN之前(40 kN為牽引橡膠裝置的工作載荷，且為線性區域)的牽引剛度Ka=4.3 kN/mm。

l為錐形橡膠套平均長度，mm；

E,G為橡膠的楊氏彈性模數及剪切模數，N/mm2;

a為圓錐頂角之半(°)；

μ1為形狀系數，μ1=1+mS；

S為面積比，

m為系數，一般取1；

圖8 軸向剛度計算示意圖

3.2 有限元分析

為驗證3.1所述的結構滿足表1所示的載荷要求，對該結構進行了有限元分析，FEA分析所用材料參數來源于株洲時代新材料科技股份有限公司FEA基礎數據庫。

3.2.1橡膠材料參數

橡膠部分采用Mooney-Rivlin本構模型進行模擬，其本構模型參數見表2，橡膠材料的機械性能參數見表3。

表2 Mooney-Rivlin參數

表3 橡膠材料的機械性能

3.2.2金屬材料參數

牽引橡膠裝置的頂板和底板采用Q345B的材料，材料特性參數見表4。

表4 金屬材料特性參數

3.2.3邊界條件

牽引橡膠裝置的有限元計算采用了如圖9所示的1/2網格模型，頂板和底板部分運用C3D8R單元進行模擬，頂板網格數量為5 518，底板3 198；橡膠部分運用C3D8H單元進行模擬，網格數量為8 430。

通過分析可知產品結構能夠滿足剛度要求且能實現變剛度性能。橡膠在縱向最大載荷下的最大應變為103%，與橡膠扯斷伸長率555%比，應變水平遠低于橡膠扯斷伸長率；金屬的最大應力為33.10 MPa遠遠小于所選材料Q345B的屈服強度(屈服強度≥325 MPa)。因此產品的可靠性能夠得到保證。

3.3 試驗驗證

根據牽引橡膠裝置使用位置及功能，對3.1所述的結構進行了試驗驗證方案設計，并進行了驗證。

3.3.1靜態剛度試驗

對靜態剛度的試驗驗證選擇某單位制造的CSS5300電子萬能試驗機進行產品的縱向剛度試驗，試驗機的量程為0～100 kN，引伸計量程為0～5 mm，精度為示值的1%，如圖11、12。試驗方法參照歐洲標準EN 13913 鐵路應用-橡膠懸掛部件-彈性體機械部件。剛度試驗結果見表7。

圖9 新型牽引橡膠裝置有限元分析模型

項目工況條件技術要求計算結果縱向剛度/(kN·mm-1)0～30kN4±15%4.3>8mm>66.6橫向剛度/(kN·mm-1)6mm-10

圖10 縱向最大載荷50 kN & 偏擺最大角度5°下的應力應變云圖

序號項目1外觀及尺寸檢驗2材料性能檢驗(橡膠及金屬)3粘結試驗4縱向剛度5橫向剛度6疲勞試驗7摩擦試驗

3.3.2摩擦試驗

為驗證牽引橡膠裝置的摩擦性能，對該產品進行摩擦試驗驗證，試驗結果見表8，可以看出牽引橡膠裝置在2.5 mm左右即已打滑，摩擦系數為0.09，滿足要求≤0.1。摩擦試驗裝置見圖13，摩擦試驗曲線見圖14。

3.3.3疲勞試驗

為更好驗證牽引橡膠裝置的可靠性，設計了與產品在車輛上安裝類似的試驗工裝模擬產品實際運行過程中出現的載荷，以驗證牽引橡膠裝置的可靠性，疲勞試驗設計為偏擺疲勞試驗。

偏擺疲勞試驗原理是將牽引橡膠裝置固定于試驗平臺上，通過一根擺桿加載軸向預載，模擬牽引橡膠裝置所承受的縱向牽引/制動力，橫向油缸施加剪切位移，以模擬車輛通過曲線時產生的橫向位移，橡膠變形，使得牽引橡膠裝置承擔橫向位移及偏擺角度，如圖15所示。

根據表1的要求，某型轉向架用牽引橡膠裝置的12年疲勞壽命要求，轉化為試驗室可驗證的疲勞試驗條件為，縱向預載40 kN，偏擺動態載荷±4°，需完成100萬次[6]。

完成100萬次偏擺疲勞試驗后，牽引橡膠裝置外觀良好，且剛度變化率僅為8.68%，完全滿足牽引橡膠裝置12年的壽命要求。疲勞試驗參考歐洲標準EN 13913 鐵路應用-橡膠懸掛部件-彈性體機械部件，疲勞試驗橡膠表面溫度超過40℃時，采用降溫措施或者降低頻率。

表7 牽引橡膠裝置縱向剛度試驗結果

圖11 牽引橡膠裝置縱向剛度試驗

圖12 牽引橡膠裝置的縱向剛度曲線——試驗結果與有限元計算結果對比

縱向載荷/kN橫向位移/mm打滑點/mm橫向載荷摩擦系數50±102.54.670.09

圖13 牽引橡膠裝置摩擦試驗

圖14 牽引橡膠裝置摩擦試驗曲線

圖15 偏擺疲勞試驗原理圖

4 裝車驗證

該牽引橡膠裝置開發成功后，即在英國 進行了裝車試運行，于2015年10月份開始試運行，列車運行速度100 km/h，目前已運行1年時間，根據車輛的維護計劃，產品運行狀態良好，未有任何不良反饋，同時后續也會根據車輛的維護計劃定期進行檢查維護，見圖16。

表9 偏擺疲勞試驗結果

圖16 牽引橡膠裝置裝車示意圖

5 結 論

(1) 提出了一種輕便的牽引橡膠裝置，質量只有傳統牽引裝置的一半，可以極大地降低車輛轉向架的整體質量，降低車輛整體的磨耗。

(2) 該牽引橡膠裝置可以實現車輛牽引所需的變剛度要求，且同時滿足車輛的動力學性能。該牽引橡膠裝置，采用錐形橡膠結構設計，在頂部設計有摩擦板，且橫向剛度大，橡膠裝置在2.5 mm的橫向變形時即發生了滑動，保護了牽引橡膠裝置免受大變形的剪切力，提高了牽引橡膠裝置的可靠性，從而可降低產品的整個壽命周期成本(LCC)。

(3) 文中研究的這種牽引橡膠裝置，結構簡單，為軌道交通車輛二系牽引系統提供了更輕、更經濟的解決方案，可以廣泛應用于各種輕軌、地鐵、有軌電車及高速列車上。

[1] 劉健勛，卜繼玲.軌道車輛轉向架橡膠彈性元件應用技術[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2] 嚴雋耄，傅茂海.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[3] 孫海燕，馮萬盛，黃友劍，等.一款高速車牽引橡膠球鉸承載特性的研究[J].鐵道機車車輛，2012,32(2):46-48.

[4] 劉穎峰.上海1號線牽引橡膠堆研制報告[R].2006.

[5] 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.

[6] 蘭加標.縱向牽引橡膠裝置研制報告[R].2014.