具有空腔結構的軌道車輛用橡膠液力球鉸空向靜剛度特性研究

鄒紀操，丁行武，李曉武，卜繼玲，王家序

[1.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007；2.博戈橡膠金屬（上海）有限公司，上海 201799；3.重慶科技學院，重慶 401331]

軌道車輛用橡膠液力球鉸是在傳統橡膠球鉸基礎上引入液壓阻尼機構，通過阻尼機構對外界振動的響應來實現其動態剛度和阻尼頻變的性能，有降低車輛過曲線尖叫噪聲、降低輪軌磨耗、降低車輛行駛能量損耗、降低軌道維護成本及延長部件使用壽命等諸多優勢[1-6]。橡膠液力球鉸由于要形成液壓阻尼機構，需要在橡膠體中設計空腔結構，并匹配動靜剛度比，其中以空向（空腔方向）靜剛度為主要匹配目標[7-10]。因此，橡膠液力球鉸結構較傳統橡膠球鉸結構復雜，其設計周期大大加長。

目前，在工程設計中尚未有符合橡膠液力球鉸結構特征的橡膠體理論模型。本工作對橡膠液力球鉸空向靜剛度特性進行研究，為其結構靜剛度設計提供理論指導，以縮短類品的設計周期。

1 橡膠液力球鉸空向靜剛度計算

1.1 橡膠液力球鉸結構

在傳統橡膠球鉸的橡膠體中加設空腔，空腔內填充阻尼液，阻尼液通過流道在空腔內流動，即形成橡膠液力球鉸。在外界振動激勵下，由于響應時滯形成壓差，阻尼液可為橡膠液力球鉸提供附加動剛度。

某型傳統橡膠球鉸和基于該球鉸改進的橡膠液力球鉸結構如圖1所示。該傳統橡膠球鉸結構是軌道車輛轉向架用球鉸的典型結構，常用于一系軸箱定位系統、牽引拉桿系統、齒輪箱懸掛系統和減振器。

為便于受力分析，忽略起密封作用的橡膠薄層結構，對橡膠液力球鉸橡膠體進行簡化，如圖2所示。橡膠液力球鉸空腔結構由空腔寬度（L0）和空腔開口角度（a）2個關鍵尺寸確定。

對于傳統橡膠球鉸，常用的徑向靜剛度計算模型有單層圓筒橡膠套模型和單層非等值橡膠套模型，如圖3所示。其中，r1和r2分別為橡膠體內徑和外徑，模型空向靜剛度（kr）采用式（1）進行計算[11-13]。

式中，Ea為橡膠體表觀彈性模量，Ga為橡膠體表觀剪切模量，l為橡膠體長度。

式（1）無法表征橡膠液力球鉸液壓空腔結構對空向靜剛度的影響，其計算結果無法滿足產品剛度設計精度要求。

1.2 形狀因數計算公式

橡膠制品彈性模量與其材料屬性和結構形狀有關，其中，結構形狀對彈性模量的影響用形狀因數表征。

橡膠為不可壓縮材料，泊松比（ν）約等于0.5，自然狀態下橡膠剪切模量（G）與彈性模量（E）滿足如下關系：

即E＝3G。

在實際工程產品中，橡膠通常與金屬硫化粘合在一起，橡膠變形受到約束，此時結構模量被稱為表觀模量，研究[14-15]得出無限長柱狀橡膠體表觀彈性模量與剪切模量關系如下：

式中，S為橡膠體形狀因數。

結構承載方向的截面面積與自由面面積之比被定義為形狀因數。橡膠體形狀因數計算式為

式中，Ac為橡膠體承載面面積，Af為橡膠體自由面面積。

單層圓筒橡膠套徑向受壓時，其形狀因數如式（5）所示，自由面面積如式（6）所示。

利用泰勒公式張開并做相應變換，可得到公式（7）。

取第1項，有Ac＝πl（r1＋r2），即橡膠體承載面面積取平均半徑時的圓柱面面積。

當橡膠液力球鉸承受空向載荷時，空腔內液體可通過流道自由、充分地實現體積交換，此時液體的不可壓縮性對橡膠形變不產生影響，在理論推導中可忽略空腔液體作用，進而推導出帶空腔的橡膠體承載面面積和自由面面積的計算公式，分別如式（8）和（9）所示。

式中，δ為橡膠體厚度，δ＝r2－r1。

綜合式（8）和（9），可推出具有空腔結構的橡膠體形狀因數如式（10）所示。

為延長橡膠液力球鉸疲勞壽命，工程應用前會對橡膠球鉸進行徑向預壓縮，此工序會使橡膠體的表觀剪切模量增大，其具體效果如式（11）所示[16-17]。

式中，ξ＝Δ/δ，Δ為橡膠球鉸徑向預壓縮量。

1.3 空向靜剛度計算公式

對于橡膠液力球鉸，考慮空向加載，以加載方向為x軸，從x軸測定周向角度θ，橡膠在x軸上的位移為u0。建立柱坐標，橡膠體上任意點（r，θ，z）的位移為（u，v，0），其中z軸與橡膠體中心線重合，如圖4所示。

u和v的計算公式如下。

現有（r，r＋dr）的薄圓筒，其體積單元為rdθdrdz。

壓縮（拉伸）應力（σ）為

剪切應力（τ）為

x向載荷（Px）表征x向靜剛度，微元x向載荷（dPx）為

因此，Px可表示為

式中，f（z，θ）為分段函數，表征具有空腔的橡膠體結構特點。

綜合式（16）和（17），Px可表示為

Px下，橡膠體x向位移（δx）可表示為

故而，橡膠液力球鉸空向靜剛度計算公式為

2 試驗驗證

對橡膠液力球鉸試制產品進行空向靜剛度試驗（見圖5），試驗過程為：以2 mm·min-1的速度對產品施加（0～20）kN載荷，空向預壓2次；設備壓頭與測試工裝緊密貼合后對位移及載荷清零，以1 mm·min-1的加載速度對產品施加空向載荷（0～20）kN。橡膠液力球鉸空向靜剛度曲線如圖6所示[橡膠體邵爾A型硬度為（62±2）度]。

橡膠液力球鉸空向靜剛度試驗值與計算值對比如表1所示。cavity direction static stiffnesses of rubber hydraulic ball joints

表1 橡膠液力球鉸空向靜剛度試驗值與計算值對比Tab.1 Comparison between test values and calculated values of

從表1可知，橡膠液力球鉸空向靜剛度計算值略小于試驗值，最大相對誤差為13%，誤差來源可能與忽略了空腔液體對橡膠體變形的影響及測試的橡膠體膠料邵爾A型硬度存在偏差有關。

3 有限元分析

3.1 有限元模型驗證

前面只針對一組特定尺寸空腔結構的橡膠液力球鉸空向靜剛度進行了驗證，為避免偶然性，需要對更大尺寸范圍的橡膠液力球鉸空向靜剛度進行驗證，并參考工程應用精度要求，以確定橡膠液力球鉸空向靜剛度計算公式的適用范圍。

橡膠液力球鉸有限元模型如圖7所示。

橡膠體采用六面體C3D8H雜交單元進行離散，材料模型選擇對應膠料硬度的超彈本構模型。考慮到結構變形幾乎全由橡膠體承擔，故有限元模型中只考慮橡膠體，相應金屬-橡膠粘接面通過表面剛化進行模擬，粘接面B與參考點C耦合。空向載荷工況分2個步驟進行模擬：全約束參考點C，對粘接面A上節點施加徑向位移，模擬預壓縮工況；保持粘接面A上節點預壓縮變形狀態，在參考點C施加x向載荷20 kN，模擬空向受載工況。

橡膠液力球鉸空向靜剛度試驗值與仿真值對比如表2所示。

從表2可以看出，橡膠液力球鉸空向靜剛度試驗值與仿真值的最大相對誤差為6%，可以認為仿真結果能夠準確表征橡膠液力球鉸實際靜剛度特性，驗證了仿真模型的有效性以及邊界條件簡化的合理性。

3.2 規律性分析

基于同樣的模型和載荷邊界條件，在Abaqus軟件中對橡膠液力球鉸空腔角度與空腔寬度進行參數化，利用Isight平臺調用Abaqus程序，并采用全因素試驗設計方法進行空向靜剛度試驗，分析空腔角度和空腔寬度對橡膠體空向靜剛度的影響。考慮橡膠液力球鉸的工程應用實際，空腔角度取值區間與采集間隔量設置為（40，120，10），空腔寬度取值區間與采集間隔量設置為（40，120，10）和（20，50，5），共63組試驗組合。

不同空腔角度下橡膠液力球鉸空向靜剛度-空腔寬度曲線如圖8所示，不同空腔寬度下橡膠液力球鉸空向靜剛度-空腔角度曲線如圖9所示。

從圖8和9可以看出，橡膠液力球鉸空向靜剛度隨空腔角度和空腔寬度的增大而減小，橡膠液力球鉸空向靜剛度下降幅度也隨空腔角度和空腔寬度的增大而減小。

3.3 誤差分析

結合理論公式，計算試驗設計中各組參數組合下橡膠液力球鉸空向靜剛度，并與仿真值進行對比。

橡膠液力球鉸空向靜剛度仿真值與計算值相對誤差曲面如圖10所示。

從圖10可以看出，橡膠液力球鉸空向靜剛度相對誤差曲面呈現邊緣高、中間區域低的下凹形態，即越靠近試驗設計參數區間兩端臨界值，仿真值與計算值相對誤差越大。其中，空腔角度為40°、空腔寬度為50 mm時，橡膠液力球鉸最大相對誤差為27.43%；在空腔角度為60°～120°、空腔寬度為（20～40）mm時，橡膠液力球鉸仿真值與計算值相對誤差在10%以內；本工作橡膠體總長為66 mm，空腔寬度與總長比值為30%～60%，可以認為在該結構尺寸范圍內計算公式[式（20）]能夠準確反映橡膠液力球鉸的空向靜剛度特性。

4 結論

與傳統橡膠球鉸相比，橡膠液力球鉸有多種性能優勢，是軌道車輛用橡膠球鉸的重要發展方向，但因內部存在空腔，其結構復雜，傳統橡膠球鉸的靜剛度計算公式對其不適用，其靜剛度只能依靠有限元分析方法進行計算，導致產品開發速度較慢。為縮短產品開發周期，本工作從力學角度推導了具有空腔結構的橡膠液力球鉸空向靜剛度計算公式，主要有如下結論。

（1）與試驗結果相比，橡膠液力球鉸空向靜剛度計算公式的最大誤差為13%。

（2）與試驗結果相比，橡膠液力球鉸空向受載工況下的仿真模型和載荷邊界條件均有效。

（3）在空腔角度為60°～120°、空腔寬度占總長比值為30%～60%時，橡膠液力球鉸空向靜剛度仿真值與計算值相對誤差在10%以內，空向靜剛度計算公式可以有效表征具有空腔結構的橡膠液力球鉸空向靜剛度特性。