牽引裝置橡膠套FEA剛度分析*

高耀東，史業釗，嚴鵬賀

(1.內蒙古科技大學 機械工程學院，內蒙古 包頭 014010；2.內蒙古第一機械集團股份有限公司，內蒙古 包頭 014030)

牽引裝置橡膠套不但能夠實現與連桿的彈性連接，而且還具有減震降噪的功能，使機車轉向架能夠實現偏轉及扭轉且維護方便，所以在機車、貨車轉向架中大量被推廣開發，進一步提高了機車運行的安全性及穩定性[1].

橡膠彈性元件，產品剛度要求較高，且徑向、偏轉、扭轉剛度都得匹配.但憑經驗設計難度較大，利用ABAQUS有限元分析軟件前期進行模擬設計，能有效縮短開發周期，提高產品性能及穩定性[2].

1 牽引裝置橡膠套的組成

牽引裝置橡膠套工作時處于壓縮狀態，內套、橡膠、和外套硫化后需要縮徑處理，保證橡膠時刻處于受壓狀態提高產品疲勞壽命.牽引橡膠關節主要有內套、橡膠和外套3部分組成，如圖1所示.

圖1 牽引裝置橡膠套產品圖

牽引裝置橡膠套是由內套、橡膠和外套在一定條件(溫度、壓力及時間)硫化而成的彈性體，其中工裝、內套、外套為鋼材，橡膠為天然橡膠.因為扭轉需要采用整體結構，模型也不復雜.故橡膠套的結構和載荷都采用整體式的模型進行模擬，其三維模型(簡化)如圖2所示.

圖2 三維模型簡化圖

2 加載工況描述

在這個結構分析中，首先通過工裝對橡膠關節進行固定，然后分別施加徑向載荷，偏轉載荷和扭轉載荷，分析不同載荷下橡膠、金屬件的應力應變[3].

3 計算模型及計算數據

3.1 有限元網格劃分

橡膠的金屬部分用C3D8R(8節點六面體一次縮減積分單元)模擬其線彈特性[4]，橡膠部分使用C3D8H(8節點六面體雜交單元)單元模擬其超彈特性.

圖3 網格劃分圖

3.2 單位系統

這一結構分析在ABAQUS軟件下進行，分析中所采用的單位系統為SI(mm)，即mm，N，MPa，文字及圖片中出現的數字，如未特別注明，均采用此單位系統.

3.3 材料參數

表1 橡膠材料的性能參數采用Mooney-Rivlin本構模型進行模擬表

表2 金屬材料的性能參數表

4 試驗研究

4.1 剛度試驗

徑向加載150 kN，計算19～150 kN間的剛度[5]，要求徑向剛度為150 kN/mm±20%，偏轉加載7.5°時，要求7.5°時的偏轉剛度為700 Nm/°±20%；扭轉加載12°時，要求扭轉12°時的扭轉剛度≤800 Nm/°.

牽引裝置橡膠套采用60邵氏硬度橡膠，橡膠層厚度12 mm，橡膠開口圓弧R10，內套內部圓弧R25.將設置好的參數導入ABAQUS材料屬性中，觀察產品應力應變云圖，經計算得出牽引橡膠套徑向剛度142 kN/mm、偏轉剛度407 Nm/°、扭轉剛度為760 Nm/°.

4.2 牽引裝置橡膠套徑向剛度分析

如圖4所示是產品徑向剛度FEA分析圖和試驗示意圖，利用有限元載荷分析中力加載方式，將產品徑向加載150 kN，取19～150 kN范圍內的力計算徑向剛度為142 kN/mm，由有限元分析云圖可以看出，橡膠層在圓弧過渡較小處應力比較大，通過對比類似橡膠關節可以發現，其他參數不變的情況下，膠層越厚，徑向剛度越小[6]，FEA徑向剛度分析參數見表3，徑向剛度試驗曲線與FEA曲線對比見圖5.

表3 FEA徑向剛度性能分析

圖4 扭轉剛度性能分析圖(a)徑向剛度FEA分析云圖；(b)徑向剛度試驗示意圖

圖5 徑向剛度試驗曲線與FEA曲線對比圖

4.3 牽引裝置橡膠套偏轉剛度分析

圖6所示是產品偏轉剛度FEA分析圖和試驗示意圖.偏轉加載7.5°時，計算0～7.5°時的偏轉剛度為406 KN/mm，偏轉剛度除了受內套圓弧半徑影響較大外，膠層厚度和自由面大小，也是影響偏轉剛度的重要因素，FEA分析得出，膠層自由面較小，其他結構不變的前提下，偏轉剛度越大[7].FEA偏轉剛度分析參數見表4，偏轉剛度試驗曲線與FEA曲線對比見圖7.

表4 FEA偏轉剛度性能分析表

圖6 偏轉剛度性能分析圖(a)偏轉剛度FEA分析云圖；(b)偏轉剛度試驗示意圖

圖7 偏轉剛度試驗曲線與FEA曲線比對圖

4.4 牽引裝置橡膠套扭轉剛度分析

圖8所示是產品扭轉剛度FEA分析圖和試驗示意圖.扭轉加載12°時，計算0～12°區間的剛度為760 Nm/°，扭轉剛度主要受橡膠開口尺寸影響較大，分析知橡膠層尺寸開口越大，扭轉角度就越大，扭轉剛度就相對較小，外套尺寸，內套圓弧尺寸對扭轉剛度影響不大[8].扭轉剛度分析參數見表5，扭轉剛度試驗曲線與FEA曲線對比見圖9.

表5 FEA扭轉剛度性能分析

圖8 扭轉剛度性能分析圖(a)扭轉剛度FEA分析云圖；(b)扭轉剛度試驗示意圖

圖9 扭轉剛度試驗曲線與FEA曲線比對圖

5 結論

根據牽引裝置橡膠套FEA分析，得出如下結論：金屬部分在加載時分析的應力參數均在設計范圍內，滿足結構強度要求；橡膠部分應力應變性能也符合要求，FEA分析結果與試驗結果對比見表6.由表6可知，FEA分析結果與試驗結果數值有一定的差異性，但是差別不是很大，產生誤差的主要原因在于，FEA模型處于理想狀態，不存在人為加工誤差，安裝誤差，試驗操作時工序較多很難保證試驗工裝，安裝方式方法都能達到理論要求.橡膠參數本構模型的選取也對試驗結果有一定的影響，從總體分析數據來看，FEA分析可以作為設計指導工具，進一步提高產品研發周期和產品疲勞使用壽命.

表6 FEA分析結果與試驗結果對比表