軌道客車轉向架V型彈簧力學性能試驗設計及應用

彭立群，林達文，王進，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)*

V型彈簧是軌道客車轉向架一系懸掛中重要的金屬橡膠彈性元件，具有減振效果好、體積小、質量輕、無磨耗、免維護等優點[1]，在裝車使用前為獲取V型彈簧的力學性能參數，需模擬實際工況設計試驗裝置對其進行性能試驗.傳統的試驗設計為了保證試驗裝置的強度，往往采用了最保守或憑經驗的設計方法，這種方法雖然結構強度滿足試驗要求，但所設計的試驗裝置笨重、操作不便、且存在較大安全風險.為此本文提出一種新型的輕量化設計方法，提高了試驗效率、降低了風險.

目前軌道客車轉向架一系懸掛主要分錐型彈簧式和V型彈簧式2種[2-6]，其中錐型彈簧式具有垂向、橫向和縱向三向剛度匹配、體積小、安裝方便等優點，同時可以通過加墊片的方式消除橡膠的垂向蠕變.V型彈簧采用組對以一定夾角的方式安裝，這種結構設計將橡膠原來的純剪切變形轉換成壓剪變形，使車輛一系懸掛不僅能獲得較大的垂向剛度，同時獲得匹配的橫向和縱向剛度，提高了車輛乘坐舒適度，保證了橫向和縱向定位功能.

試驗標準主要參照TB/T2843-2015《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》執行，其中壓縮高參照標準7.3.1定載荷下的尺寸試驗，靜剛度照標準7.3.3載荷與位移特性試驗，動剛度參照標準7.3.4動態特性試驗，蠕變參照標準7.3.7靜態蠕變性能試驗，疲勞參照標準7.3.9疲勞性能試驗.

1 相關試驗及現存問題

偏轉和壓扭試驗：偏轉試驗設計在5000N·m液壓式扭轉油缸上進行，試驗時固定試驗裝置的下安裝座，對中間安裝塊施加偏轉力矩，測試V型彈簧的偏轉剛度，這種方式結構簡單，安裝方便，用于測試V型彈簧在自由狀態下的偏轉性能.壓扭試驗是指對V型彈簧同時施加垂向壓縮載荷和水平扭轉角度，測試V型彈簧在壓扭載荷條件下的承載性能.壓扭試驗設計在12通道組加載試驗系統中進行，其中V型彈簧組對安裝，利用軸承座支撐，設計垂向加載油缸1對其施加載壓縮載荷，垂向加載油缸2對力臂裝置施加載壓縮載荷轉換成扭轉力矩進組合加載試驗，這種方式不僅可以進行壓扭剛度試驗，而且可以進行壓扭疲勞試驗.

低溫動態試驗：主要是測試V型彈簧在高寒條件下的動態承載性能，分預冷凍式和全冷凍式2種，預冷凍式是指事先將V型彈簧進行低溫冷凍，達到規定冷凍時間后取出在常溫條件下進行動態剛度試驗.全冷凍式是指整個試驗全部在低溫環境下進行，完全模擬高寒運用工況，試驗室可以根據自身的試驗能力，選用不同的試驗方法.

液壓式剛度試驗：試驗設計在液壓式四通道試驗機上進行，垂向剛度通過垂直方向300kN油缸施加垂向壓縮載荷進行垂向剛度試驗，在進行橫向和縱向剛度試驗時，首先對V型彈簧施加恒定的壓縮載荷，然后采用撐桿方式來支撐V型彈簧的內側受力面，利用水平200kN油缸對V型彈簧施加水平載荷進行橫向和縱向剪切剛度試驗，這種方式試驗安裝復雜、操作不便、風險高，同時液壓試驗機的精度難以滿足靜剛度試驗要求，且試驗是采用百分表間隔記錄變形，無法形成完整的載荷與變形滯回曲線.

改進前機械式剛度試驗：試驗設計二維試驗機上進行試驗，其中垂向和水平載荷是通機械式絲桿傳動方式加載，這種方式載荷和位移精度高、載荷值穩定，適用于靜剛度試驗.垂向剛度通過垂直方式的傳動機構施加壓縮載荷，同時利用外接位移傳感器測量V型彈簧的橡膠變形，消除了工裝和試驗機本身彈性變形對試驗數據的影響，橫向、縱向是分別采用垂直和水平二套加載系統分別施加壓縮和剪切載荷，橫向和縱向只是調整產品的加載方向，原理基本一致.這種方式雖然滿足了測試精度和自動記錄數據的要求，但由于試驗工裝結構設計存在的不足，導致試驗無法進行大于30kN的剪切和正反加載試驗，且單向加載都存在試驗打滑現象，無法滿足試驗要求.

改進后機械式剛度試驗：主要從試驗安裝和工裝輕量化兩個方面入手.試驗安裝：傳統的固定方式是采用一種打壓板的方式進行固定，而這種固定方式只適用于小剪切載荷的橫向或縱向剛度試驗，因為這種方式是通過增加工裝與試驗機平臺摩擦力的方式進行剪切試驗，當剪切載荷大于摩擦力時，剪切試驗就會打滑從而無法達到最大設計剪切載荷，難以獲取一個完整的載荷變形曲線圖.優化后的工裝分別從工裝的上下固定板的橫向和縱向設計了U型槽，通過T型槽用螺栓與試驗機平臺進行鎖緊狀態下的緊固連接，從而滿足大載荷剪切試驗的要求.輕量化：主要是在試驗工裝的承載件上設計減重孔和輕量化結構，同時通過有限元分析軟件進行結構強度的分析計算，保證強度滿足試驗要求，改進前試驗詳見圖1(a)，改進后試驗詳見圖1(b).

圖1 V型彈簧力學性能試驗

2 輕量化工裝設計和試驗分析

2.1 輕量化結構設計

新型設計方法分結構設計和輕量化二部分.結構設計：由于V型彈簧的特獨的結構，其中結構設計涉及掃描方法，包括掃描軌跡和掃描截面2個關鍵步驟，掃描軌跡是指在已建立的長方體模型上根據V型彈簧組對安裝的角度要求，設計一條帶有角度的掃描軌跡線，定義好掃描的角度和線段的長度.掃描截面是指以掃描軌道的端點建立對稱軸，繪制V型彈簧的安裝面沿掃描線進行掃描去材料，形成所需的試驗工裝模型.

輕量化設計：通過在試驗工裝非主要承載區域去材料，同時構成一種加強筋結構，通過在V型塊、V型座和底板設計減重孔等手段來實現減重和保持結構強度的目的.改進前工裝質量390 kg，結構如圖2所示，試驗安裝時需要2名試驗人員借助輔助工具花費40 min.同時試驗只考慮垂向加載，沒有設計橫向和縱向試驗的安裝接口.改進后試驗工裝208kg，減重182 kg試驗只需1名試驗人員花費10 min，且大大降低操作風險，試驗工裝主要由上平板、V型塊、吊環、V型彈簧、擋板、V型彈簧、V型座和底板組成，如圖3所示.

圖2 改進前試驗工裝

圖3 改進后試驗工裝

2.2 分析計算

靜態性能分析：為驗證減重后試驗工裝強度和剛度是否滿足試驗要求，對試驗工裝關鍵承載件進行分析計算，工裝選用的材料是Q355B，密度7 800 kg / m3，彈性模量為 210 GPa，泊松比為0.3，其中關鍵承件強度和剛度分析結果表1，結果滿足試驗要求.

表1 靜態性能分析結果

模態性能分析：為獲取減重后工裝的固有頻率和結構的振型，對工裝關鍵承載件安裝座進行模態分析，圖4(a)為安裝座的第1階振型，模態頻率為391 Hz，拉桿產生Y方向向上彎曲變形；圖4(b)為安裝座的第2階振型，模態頻率為394Hz，拉桿產生Y方向向下彎曲變形；圖4(c)為安裝座的第3階振型，模態頻率418 Hz，拉桿沿Z向向內側產生彎曲變形；圖4(d)為安裝座的第4階振型圖，模態頻率為421 Hz，拉桿沿Z向向左側產生彎曲變形.結果表明：工裝最低固有頻率大于試驗頻率10 Hz， 在動態和疲勞試驗不會產生共振，同時在進行高頻試驗時，需加強拉桿的結構強度.

圖4 安裝座四階振型圖

2.3 試驗及分析

2.3.1 垂向性能

(1)試驗方法

垂向以100 kN/min加載速度加載至100 kN，連續加載4個循環，記錄第4個循環的載荷與變形曲線，計算30～50 kN間的割線剛度.

(2) 結果與分析

圖5是3組(共6件)V型彈簧的垂向剛度曲線，其中1#2#、3#4#、5#6#的垂向剛度分別為1.64 、1.52 、1.64 kN/mm，載荷與變形曲線光滑無異常，這一方向表明產品粘接性能穩定，另一方面表明試驗裝置的強度和剛度滿足垂向試驗要求.

圖5 垂向載荷與變形曲線

2.3.2 橫向性能

(1)試驗方法

垂向加載39kN保持不變，橫向以55kN/min施加±55kN載荷，連續加載4個循環，記錄第4個循環的載荷與變形曲線，計算(-25～+25)kN間的割線剛度.

(2)結果與分析

圖6是改進前V型彈簧組對橫向剛度曲線，由于試驗裝置無法與試驗機上下平臺形成有效的固定，只是通過垂向加載產生的摩擦力進行橫向剪切試驗，在小載荷加載階段橡膠的載荷隨變形增加而遞增，當橫向載荷大于25 kN后，試驗出現打滑現象，此時的橡膠變形增加載荷不再繼續變大，同時在反向加載過程中同樣存在打滑現象，導致反向的變形僅為正向的一半，這種方式測試的剛度曲線顯然是無法滿足試驗的要求.但對于一些小載荷的橫向剛度試驗，可以采取首先預載消除橫向接觸間隙，然后只進行正向或反向單一方向加載剛度試驗，同時橫向載荷需小于剪切摩擦力.

圖6 橫向載荷與變形曲線(改進前)

圖7是改進后V型彈簧橫向剛度曲線，相比改進后滯回曲線，改進后的曲線成形一個正常的載荷與變形滯回圈，沒有出現打折和打滑現象、光滑無異常，結果表明改進后的試驗裝置不僅滿足了橫向正反加載試驗的要求，而且試驗裝置的強度和剛度滿足橫向試驗的要求，同時V型彈簧在橫向壓剪載荷作用下，橡膠與金屬具有較好的粘接性能.其中1#2#、3#4#、5#6#的橫向剛度分別為10.52、8.38 、8.46 kN/mm.

圖7 橫向載荷與變形曲線(改進后)

2.3.3 縱向性能

(1)試驗方法

垂向加載39kN保持不變，橫向以40 kN/min施加±40 kN載荷，連續加載4個循環，記錄第4個循環的載荷與變形曲線，計算(-25～+25) kN間的割線剛度.

(2)結果與分析

縱向是V型彈簧的主要承載方向，也是最能驗證試驗裝置強度的項點，圖8是3組V型彈簧的縱向剛度曲線，3組產品對應的縱向剛度分別為22.68、21.2 、21.16 kN/mm.縱向剛度曲線表明V型彈簧的縱向載荷基本隨縱向變形線性遞增，曲線對稱性較好且無異常，這表明新型輕量化試驗裝置的強度和剛度滿足縱向試驗的要求，同時V型彈簧在縱向壓剪載荷下橡膠與金屬無粘接失效，具有較好的縱向力學性能.

圖8 縱向載荷與變形曲線

2.3.4 蠕變、疲勞性能

(1)試驗方法

蠕變試驗：垂向加載39 kN，保載168 h，垂向載荷在30 s內完成加載，1 min后開始記錄蠕變量，前2 h每10 min記1次，以后按每2 h記錄1次蠕變量.

疲勞試驗：垂向加載(39±15) kN，頻率0.5Hz，循環加載200萬次，觀察金屬與橡膠是否出現粘接破壞等.

(2)結果與分析

蠕變試驗：V型彈簧168h后的蠕變量為2.21mm，在蠕變試驗加載過程中，V型彈簧各層橡膠發生均勻的壓縮變形，且在加載初期最為明顯，隨著時間的延長變形趨于穩定，卸載后產品基本恢復到初始狀態，試驗結果一方面表面V型彈簧具有較好的抗蠕變性能，另一方面表明輕量化后的試驗工的結構和強度均滿足蠕變試驗要求.

疲勞試驗：V型彈簧疲勞試驗采用的是預載加振幅的壓縮型控制方式，即V型彈簧始終是處于壓剪切承載狀態，在疲勞試驗加載過程中，橡膠始終是壓縮和恢復2個狀態交替進行，疲勞試驗后金屬與橡膠未出現粘接失效，金屬未產生異常變形，橡膠表面無裂紋，試驗結果不僅表明V型彈簧具有較好的抗疲勞性能，而且表明輕量化后的試驗工裝結構和強度均滿足疲勞試驗要求.

3 結論

(1)通過分析軌道客車轉向架一系懸掛及V型彈簧結構，基于結構和原理結合現有試驗方案，提出一種新型的符合實際工況的輕量化試驗裝置設計方法，為同類彈性元的的試驗設計提供參考;

(2) 輕量化后的試驗工裝減重182kg，且工裝強度和剛度均滿足剛度、蠕變和疲勞試驗要求，達到了降低勞動強度、操作風險，提高了試驗效率的目的，解決了橫向和縱向剛度曲線打滑和無法進行正反推拉試驗的難題，同時大大提高試驗數據準確性.