抗側滾扭桿環境性能試驗研究

彭立群，潘 鋒，林達文，陳 剛

[1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.國家軌道交通高分子材料及制品質量監督檢驗中心（湖南），湖南 株洲 412007；3.中國合格評定國家認可中心 認可四處，北京 100088]

隨著我國軌道交通的快速發展，高速、安全和舒適已經成為軌道車輛設計制造的發展趨勢，抗側滾扭桿與空氣彈簧組合運用于軌道車輛二懸掛系統，使車輛的安全性和舒適度有了很大提高。受車輛運營環境的影響，抗側滾扭桿面臨沙塵、雨水和低溫等環境因素的考驗，因此使用前必須對抗側滾扭桿，尤其是其橡膠防塵罩的疲勞性能以及系統的低溫和防水防塵性能進行合理、全面的測試[1-6]。

抗側滾扭桿是一種由橡膠件與金屬件裝配而成的減震部件，其常規的力學性能試驗技術已比較成熟，但有關耐環境性能的研究很少。

本工作以國內某企業抗側滾扭桿用橡膠件國產化項目為研究對象，針對抗側滾扭桿耐環境性能設計了一套合理的試驗裝置及方法。

1 抗側滾扭桿系統

抗側滾扭桿安裝于車體與轉向架之間，與空氣彈簧配合使用，以克服空氣彈簧垂向剛度小導致側滾角大的缺點，約束車輛車體相對于轉向架（如圖1所示）的側滾。

圖1 動車組轉向架組

抗側滾扭桿（如圖2所示）主要由橡膠件、扭桿軸、扭轉臂、連桿和支撐裝置組成。按生產工藝分為熱套過盈連接和花鍵連接兩類，按外型分為支撐內置和支撐外置型兩類。

圖2 抗側滾扭桿

橡膠件主要包括橡膠球鉸和橡膠防塵罩（如圖3所示），橡膠球鉸起端部支撐、承受扭轉角度和徑向載荷的作用。橡膠防塵罩是防護結構中最重要的部件，主要利用橡膠的軸向變形來實現密封，是一種圓環形的彈性體（生產原料分為傳統橡膠材料和聚氨酯材料），主要安裝于抗側滾扭桿左右兩端扭轉臂與軸承之間，起密封和防護作用，始終承受軸向預壓變形，同時在扭轉臂的帶動下產生扭轉運動，形成扭轉磨損。

圖3 橡膠件結構

2 實驗

2.1 試驗標準

目前有關抗側滾扭桿環境性能試驗的標準主要有TJ/CL 278—2013《動車組抗側滾扭桿》、TB/T 2843—2007《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》、企業標準Q/CSR 005—2005《機車車輛減振橡膠件》、TJ/CL 282—2013《動車組牽引拉桿組成》、TJ/CL 290—2013《軸箱定位節點》、歐洲標準BS EN 13913—2003《鐵路用橡膠彈性元件—基于彈性體的機械部件》、日本工業標準JIS E 4710—1995《鐵道機車車輛橡膠隔振器通則》。具體試驗按企業《抗側滾扭桿試驗大綱》執行。

2.2 試驗方法

抗側滾扭桿環境性能主要包括橡膠防塵罩的疲勞性能、系統的低溫和防水防塵性能。其中橡膠防塵罩的疲勞性能是指防塵罩在軸向預壓狀態下的扭轉磨損性能，測試方法分為套筒限位（新型）和階梯限位（傳統型）兩種，分別如圖4和5所示。系統的低溫性能是指整個系統的橡膠件和金屬件在持續低溫和疲勞條件下的耐久性能。防水防塵性能是指橡膠防塵罩在沙塵、雨水條件下的動態密封性能，金屬件是否受環境影響而發生銹蝕、斷裂等異常。

圖4 套筒限位方式

2.2.1 橡膠防塵罩疲勞性能

套筒限位方式：設計一種兩側有扁方的芯軸，將4個（2組）防塵罩以串聯方式安裝，通過尼龍限位筒和螺母鎖緊，使橡膠防塵罩軸處于工作高度（軸向預壓），在橡膠防塵罩的左端通過芯軸安裝帶有扁方的轉動圓盤，在右端安裝同圓心的固定摩擦板，芯軸在垂向油缸和力臂的作用下產生扭轉角度，使轉動圓盤相對固定摩擦板產生扭轉磨損工況，實現橡膠防塵罩的組對磨損試驗。這種新型試驗方式結構簡單、試驗周期短、成本低。

圖5 階梯限位方式

階梯限位方式：試驗分單個和組對兩種。單個試驗是設計1個橡膠防塵罩與推力軸承組對實現軸向與扭轉加載試驗。這種方式適用于單個防塵罩的磨損試驗，試驗效率低、周期長。組對試驗是設計一種圓形階梯芯軸，將防塵罩以串聯方式安裝，通過芯軸本身的臺階來實現防塵罩的軸向預壓縮和組對磨損試驗。這種方式結構簡單，但圓形階梯芯軸的加工工藝復雜，同軸度難保證，制作工藝復雜。

本工作橡膠防塵罩疲勞性能測試采用套筒限位方式，試驗裝置由扭轉裝置和預壓裝置組成，扭轉裝置由加力座、連桿、力臂和軸承座組成，如圖6所示。其作用是將垂向油缸的直線運動通過力臂轉換成扭轉運動。

圖6 橡膠防塵罩疲勞性能試驗裝置示意

預壓裝置由芯軸、轉動圓盤、固定板、尼龍限位筒、限位環和鎖緊螺母組成，如圖7所示。其作用是通過尼龍限位筒實現橡膠防塵罩軸向預壓縮，利用尼龍與金屬對磨，減小扭轉摩擦力。

圖7 橡膠防塵罩疲勞性能測試預壓裝置示意

采用4個（2組）橡膠防塵罩進行比對試驗，橡膠防塵罩以串聯組對安裝，通過限位筒對橡膠防塵罩軸向預壓縮1.6 mm，使其始終保持工作高度，然后施加扭轉角度±15°，在頻率為1 Hz的條件下循環加載100萬次，在疲勞試驗過程中或試驗后觀察橡膠防塵罩是否出現開裂、磨損失效等異常。

2.2.2 系統低溫性能

系統低溫試驗（如圖8所示）將同時驗證橡膠件和金屬件的耐低溫環境性能，分為傳統試驗和改進試驗。

圖8 低溫試驗

傳統試驗方法是將抗側滾扭桿拆成零件，事先在低溫箱內冷凍，然后在常溫條件下進行零件的力學性能試驗，這種方式結構簡單，但試驗周期長、成本高，無法準確表征整個系統的低溫性能。

改進試驗方法是將抗側滾扭桿整體進行疲勞試驗，試驗時將扭桿的一端連桿固定，另一端裝配有橡膠防塵罩、橡膠球鉸及扭轉臂，扭桿軸安裝于低溫箱內，支撐裝置的下端與試驗平臺固定，上端通過連桿與試驗機垂向油缸連接，通過垂向油缸施加載荷，對抗側滾扭桿進行低溫條件下的系統疲勞試驗。橡膠防塵罩在低溫下進行軸向預壓扭轉疲勞試驗，橡膠球鉸在低溫下進行徑向加扭轉疲勞試驗。

本工作系統低溫性能測試采用的改進型試驗裝置由加力裝置、低溫裝置和反力支撐裝置組成，其中加力裝置由機架、垂向油缸、載荷傳感器、加力桿、導向橫梁和平臺組成，如圖9所示。加力裝置的作用是對抗側滾扭桿左端連桿施加拉伸載荷，形成側滾變形，對抗側滾扭桿進行疲勞試驗。

圖9 系統低溫性能試驗裝置示意

低溫裝置由加力桿、加力座、連桿、低溫箱和支撐座組成，如圖10所示，其作用是為防塵罩提供低溫冷凍工況及扭轉支撐定位。

圖10 低溫裝置示意

反力支撐裝置由支撐梁、調節螺母、支撐座、支撐桿和底板組成，如圖11所示，其作用是為抗側滾扭桿的固定端提供支撐定位。

圖11 反力支撐裝置示意

整體低溫試驗溫度設置為－50 ℃，抗側滾扭桿一端通過支撐架固定，另一端施加±30 kN的載荷，在頻率為0.5 Hz的條件下循環加載100萬次，在疲勞試驗過程中或試驗后觀察橡膠件是否有脆化、密封失效等異常，金屬件是否斷裂。

2.2.3 系統防水防塵試驗

防水防塵試驗分為傳統型和改進型。傳統型試驗方法是將抗側滾扭桿一端放置于自制的密封箱體內，通過在箱體內淋水或噴砂來測試防護結構的密封性能，但這種自制的工裝過于簡單，無法進行實際工況的模擬試驗。

改進型試驗方法設計一種微機控制的自動噴淋系統，能夠形成不同噴淋狀態、不同直徑砂粒的真實工況，同時在專用疲勞試驗機的作用力下，樣品始終處于一種動態疲勞試驗狀態，能更準確地測試防護結構的防水防塵性能，如圖12所示。

圖12 改進型防水防塵試驗

本工作系統防水防塵性能測試采用改進型方法，試驗裝置由專用疲勞試驗機和試驗箱組成，如圖13所示。其中專用疲勞試驗機對抗側滾扭桿系統施加側滾載荷，形成扭轉角度；試驗箱對正在疲勞試驗的防護裝置施加水、砂粒、灰塵等，形成相應的模擬環境。

圖13 系統防水防塵性能試驗裝置示意

抗側滾扭桿一端的支撐裝置放置于試驗箱內，試驗箱內施加水、砂粒、灰塵等污染物，同時利用試驗機施加載荷±30 kN，在頻率為0.5 Hz的條件下循環加載20萬次，在疲勞試驗過程中或試驗后觀察金屬件是否出現銹蝕，橡膠防塵罩是否出現磨損、密封失效等異常。

3 結果與討論

3.1 橡膠防塵罩疲勞性能

疲勞試驗過程中，在扭轉和軸向預載的作用下，橡膠防塵罩有明顯的軸向變形，但沒有出現粉末、裂紋等異常，試驗后橡膠防塵罩外觀良好。

利用有限元分析軟件Abaqus對工裝關鍵承載芯軸靜態特性求解，得出芯軸的最大應力和變形，通過在PART模塊中實體建模，在load模塊中施加載荷，得出芯軸最大應力為97.5 MPa，發生在臺階倒角處，最大應力小于工裝材料Q345B要求值；最大變形為0.09 mm，發生在芯軸末端，最大應力和變形均滿足要求。芯軸應力和芯軸變形云圖分別如圖14和15所示。

圖14 芯軸應力云圖

圖15 芯軸變形云圖

試驗結果表明橡膠防塵罩的結構和彈性變形滿足設計要求。

3.2 系統低溫性能

利用有限元分析軟件Abaqus得出支撐座最大應力為75.1 MPa，發生在支撐倒角處，最大應力小于工裝材料Q345B要求值；最大變形為0.08 mm，發生在右前端，最大應力和變形均小于要求值。支撐座應力和變形云圖分別見圖16和17。

圖16 支撐座應力云圖

圖17 支撐座變形云圖

在側滾載荷和低溫的共同作用下，防塵罩橡膠變硬，但未出現脆化、開裂等異常，外觀良好。橡膠球鉸表面未出現裂紋，橡膠與金屬粘接處未開裂，金屬件未斷裂、表面無裂紋。

橡膠變硬、脆化和橡膠與金屬粘接處失效是橡膠件低溫疲勞失效的主要原因，在－50 ℃條件下進行扭轉疲勞試驗，橡膠的硬度雖然變大，但橡膠防塵罩和橡膠球鉸始終處于動態摩擦的過程中，本身也會產生熱量。從試驗結果分析橡膠防塵罩和橡膠球鉸的低溫性能滿足運營環境要求。

3.3 系統防水防塵性能

在污染物、軸向預載和扭轉摩擦的作用下，橡膠防塵罩未出現磨損開裂、密封失效等異常，試驗后橡膠防塵罩外觀良好，金屬件未出現銹蝕、斷裂等異常。

動態密封是橡膠防塵罩防水防塵性能的主要參數。在復雜試驗條件下，橡膠防塵罩通過軸向預壓變形，使力臂與支撐裝置之間形成一個相對密封的空間，防止污染物進入支撐裝置內，起到了很好的防護作用。試驗結果表明抗側滾扭桿的防護結構及橡膠防塵罩滿足使用要求，金屬件沒有出現銹蝕和斷裂，即環境污染物對金屬件的影響不明顯。

4 結語

（1）設計了橡膠防塵罩疲勞性能、系統的低溫和防水防塵性能新型試驗方法，并與傳統試驗方法進行分析比對，為同類產品試驗設計提供參考。

（2）新型試驗方法能更準確地反映抗側滾扭桿的工況條件，準確測試橡膠防塵罩的疲勞性能、系統的低溫和防水防塵性能。

（3）新型試驗方法能達到預期的試驗目的，具有一定的推廣應用價值，對同類產品的研發和試驗起到借鑒作用。