城際動車組牽引拉桿橡膠節點疲勞壽命提升優化研究

公衍軍,楊 欣,楊東曉

(中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

城際動車組是為了滿足中國區域經濟快速發展和城市群崛起對城際軌道交通的需求而研制的一種新型運輸工具,它既繼承了高速動車組安全、成熟、舒適和可靠等優點,又具備快起快停、快速乘降、大載客量及高速持續運轉的特點,可滿足互聯互通的要求,同時又兼具傳統地鐵和輕軌車輛輕型化等優點[1-3]。

鐵道車輛轉向架懸掛系統一般由鋼簧、油壓減振器、空氣彈簧、橡膠元件等組成,懸掛系統具有特定的剛度、阻尼特性,保證了車輛安全、平穩運行[4-6]。王付勝等[7]研究了鐵道車輛空簧常見的失效形式及原因,研究表明空氣彈簧的應力應變工況復雜,結構設計不當、材料及生產工藝不正確易導致空簧失效。黃寶[8]研究了油壓減振器活塞桿組件疲勞斷裂與油液泄露導致阻尼力失效的問題。張偉龍等[9]研究了大功率交流傳動電力機車軸箱鋼簧斷裂問題,研究表明軸箱彈簧端圈存在高接觸應力,同時由于線路不平順激以及車輪踏面外形不規則產生的沖擊振動,導致接觸表面產生疲勞磨損,生成疲勞裂紋并逐漸擴展,最終導致斷裂。高軍與趙海板[10]研究了高速動車組牽引拉桿節點橡膠老化導致的失效問題。目前對懸掛元件失效的問題研究相對較少,針對城際動車組的研究更為少見。

本文針對某型城際動車組單牽引拉桿結構的橡膠節點裂紋現象,從拉桿節點的現象剖析、開裂原因分析、方案優化、試驗驗證入手,解決了該橡膠件的失效問題,提升了其疲勞壽命,滿足了用戶使用需求。

1 現象剖析

城際動車組單牽引拉桿結構如圖1所示,牽引拉桿節點安裝于牽引拉桿體座孔中,連接轉向架與車體。

圖1 單牽引拉桿結構

牽引拉桿橡膠節點是由芯軸、橡膠層以及外筒經相關工藝形成的一個整體結構,如圖2所示,在車輛運行過程中主要起到牽引、減振的作用。

圖2 牽引拉桿節點結構示意圖

1.1 外觀檢查

按照《城際動車組二級修檢修要求》,對運營時間達4～6年的某型城際動車組進行檢修時,發現牽引拉桿節點的橡膠表面出現了裂紋,如圖3所示。裂紋位于拉桿節點橡膠端面中部近芯軸側,與芯軸螺栓安裝面平行,裂紋長度為60 mm,超出了檢修標準,而且裝用于動車的牽引拉桿橡膠節點的裂紋明顯比拖車嚴重。

圖3 牽引拉桿橡膠節點裂紋位置及形態

1.2 剖切后產品內部狀態檢查

抽取返廠產品實施剖切,以確認橡膠裂紋的深度、擴展方向及趨勢,如圖4所示。檢查發現,裂紋出現在橡膠端面,圓弧與直線過渡處,逐步向橡膠內部擴展。裂紋最深可達11 mm,接近芯軸表面。

圖4 剖切后裂紋擴展情況

1.3 裂紋后節點剛度性能檢測

對該型城際動車組返廠的8件牽引拉桿橡膠節點以及首列車全數牽引拉桿橡膠節點實施剛度檢測,產品的徑向剛度均能滿足檢修標準的要求,平均剛度偏差為-21.9%,未超過-30%的技術規范要求。從產品性能角度評估,問題產品仍舊可滿足使用要求。

2 牽引拉桿橡膠節點開裂原因分析

2.1 牽引拉桿橡膠節點受力分析

牽引拉桿用于傳遞車體與轉向架支架的縱向力,牽引拉桿節點安裝在牽引拉桿兩端,起到緩沖、減振的作用。牽引拉桿受力工況主要分為3類:

(1) 當轉向架與車體之間不存在相對橫移量時,節點主要受徑向載荷;

(2) 當轉向架與車體之間存在相對橫移量時,節點主要受偏轉載荷;

(3) 上述二者的復合載荷。

根據牽引拉桿的受力工況,建立牽引拉桿的有限元模型,分別對牽引拉桿施加上述3種工況載荷,3種工況載荷下的應變如圖5所示。經有限元分析,在徑向載荷工況下,牽引拉桿節點橡膠應變最大位置位于外筒側與芯軸“肩部”,橡膠最大主應變為1.341;在偏轉載荷工況下,牽引拉桿節點橡膠應變最大位置位于芯軸“肩部”和“頸部”,橡膠最大主應變為1.138;復合載荷工況下節點橡膠應變最大位置位于橡膠自接觸部位,出現了橡膠褶皺,且表現有明顯應力集中,橡膠最大主應變為1.824。通過對不同工況下橡膠最大應變出現的位置與實物出現裂紋的位置進行對比,發現在第三種復合載荷工況下,兩者出現的位置一致,這表明,該種橡膠裂紋是牽引拉節點在復合載荷工況下產生的。

圖5 各工況下牽引拉桿節點應變云圖與實物裂紋對比

3種載荷工況下的節點橡膠分析結果見表1,應變云圖見圖5(a)～圖5(c),實物橡膠裂紋照片見圖5(d)。

表1 疲勞試驗工況表

2.2 城際動車組運行狀態分析

裝用該問題牽引拉桿橡膠節點的城際動車組為8節車廂,其中動車為2、3、6、7節,拖車為1、4、5、8節,車輛的最大牽引力為78.5 kN,轉向架軸重為17 t,運行線路為國內某城際線。經溝通及運行記錄查詢,存在橡膠開裂的拉桿節點只出現在該段運行線路,該段線路有如下特點:

(1) 線路站點間距較短,車輛啟停頻繁,拉桿節點承受極限疲勞載荷的頻次較高。

(2) 線路曲線相對較多,且曲線半徑較小。車輛過曲線時牽引拉桿節點頻繁發生較大角度的偏轉。

2.3 裂損原因分析

基于城際動車組實際運行狀態,結合牽引拉桿橡膠節點有限元分析結果以及實物橡膠裂紋的狀態分析,該橡膠節點橡膠裂紋產生的原因為:牽引拉桿節點在多小曲線半徑、站間距短、啟停頻繁的線路上,牽引拉桿節點受到徑向與偏轉共同作用的復合載荷工況,并承受頻繁的交變載荷,橡膠表面局部位置存在應力集中,長期使用使應力集中位置產生了橡膠疲勞裂紋。

2.4 技術分析驗證

根據產品裂損原因分析、車輛運行線路特點、牽引拉桿橡膠節點受力工況,重新制定了疲勞試驗方案,以再現產品裂損狀態,確認產品損裂工況。疲勞試驗工況見表1。

試驗表明,在疲勞工況1下執行20萬次疲勞循環,節點橡膠出現損壞情況,損壞位置靠近外筒側;在疲勞工況2下執行15萬次疲勞循環,節點橡膠出現損壞,節點外筒側與芯軸“肩部”均出現橡膠裂紋;在疲勞工況3執行15萬次循壞,節點橡膠出現損壞,表現為靠近芯軸側橡膠開裂,開裂至芯軸金屬表面,該種破壞的裂紋位置及裂紋延伸方向與現車產品破壞型式基本一致。3種疲勞工況下的牽引拉桿橡膠節點疲勞損壞情況如圖6所示。

圖6 牽引拉桿橡膠節點疲勞試驗裂損狀態

2.5 技術分析結論

經過試驗分析,得出以下結論:

(1) 某城際動車組牽引拉桿節點的橡膠開裂,是在徑向和偏轉復合載荷(偏轉載荷為主)作用下,橡膠應力集中處產生裂紋并不斷擴展而形成的;

(2) 橡膠裂損的出現,與線路曲線多、頻繁啟停等運行條件有關;

(3) 確定了再現裂損的試驗條件:徑向載荷為 ±31.4 kN,徑向頻率為0.5 Hz;偏轉角度為±7 °,偏轉頻率為1 Hz,并進行了試驗驗證,再現了故障工況。

為提升產品對車輛運用條件的適用性,有必要對該產品進行進一步的優化,綜合產品使用壽命,優化目標在相同疲勞試驗工況下,疲勞壽命提高到原產品10倍以上。

3 牽引拉桿橡膠節點裂紋問題解決措施

3.1 解決思路

對于某型城際動車組用牽引拉桿橡膠節點出現早期橡膠裂損的優化思路主要有如下2個方向:

(1) 結構調整,降低產品在復合載荷下的應力水平,受載下的應力盡量均勻,避免應力集中從而提高其疲勞壽命;

(2) 材料調整,采用抗應力及抗疲勞性能更高的橡膠材料,提高產品承載能力,從而提高疲勞壽命。

3.2 思路分析

3.2.1 結構調整

產品結構決定了產品剛度性能,結構調整會使產品各向剛度產生變化。在保證徑向剛度不變的情況下,產品軸向、扭轉、偏轉靜剛度會發生變化,這種變化可能導致載荷條件的變化,可能暴露出新的風險,導致優化的失敗。因此,結構調整的優化方案需要綜合車輛整體參數的驗證調整,此優化思路的設計難度、驗證難度都較大。

3.2.2 材料調整

結構保持不變,提高橡膠材料的強度與耐久性。產品的剛度性能變化小,優化后的產品裝車運用時,受載條件不產生變化,上述得出的驗證條件可直接應用于優化產品。因此,認為材料調整優化思路具備實施條件,可優先實施。

4 材料調整及試驗驗證

根據進一步提高橡膠材料耐疲勞性能的設計要求,對原橡膠配方進行了重新設計和研究并進行了橡膠配方的試驗驗證,提高了橡膠材料的抗拉強度、撕裂強度、耐屈撓能力。經調整,優化后的橡膠材料的主要力學性能有顯著提高,主要性能參數對比結果見表2。

表2 橡膠性能優化對比結果

橡膠材料改進后,重新對產品進行了試驗,并按照前述驗證過程中重現橡膠裂紋故障的方法,對改進優化后的產品重新進行疲勞試驗驗證(與2.4節工況3條件相同)。試驗表明,在疲勞循環160萬次時,橡膠靠近外筒位置出現輕微橡膠損壞;在疲勞循環172萬次時,節點接近芯軸位置橡膠出現了顯著的裂紋。與既有產品相比,產生橡膠裂紋的疲勞試驗次數顯著提高。

試驗前、疲勞循環50萬次、疲勞循環160萬次、疲勞循環172萬次的試驗產品裂損狀態如圖7所示。

圖7 橡膠材料優化后產品疲勞試驗過程中裂損狀態

4.1 疲勞試驗驗證情況分析

4.1.1 產品外觀

優化后的產品在進行50萬次疲勞循環后,外觀未見異常,實際出現橡膠表面裂損時間為160萬次循環以后,裂紋位置靠近外筒側,在172萬次疲勞循環后靠近芯軸側也出現了橡膠裂紋。綜上所述,按照相同的疲勞試驗方法,優化產品出現橡膠裂紋的疲勞次數有了顯著提高,試驗循環次數提高至11倍以上,并且在172萬次疲勞循環后又再現了原產品的故障現象。

4.1.2 產品性能

對出現裂紋后的產品分別在160萬次、172萬次后進行了徑向剛度試驗,以驗證產品出現裂紋后對性能的影響,試驗表明:

(1) 優化后產品在160萬次疲勞循環后,徑向剛度出現了降低的情況,降低了25.5%,雖出現下降但仍滿足剛度變化率小于30%的技術規范要求;

(2) 172萬次疲勞循環后,剛度變化率達到-41.1%,超出了技術規范的要求范圍。

綜合考慮優化后產品出現橡膠裂紋的時間、產品的實際使用工況和壽命,優化后的產品疲勞壽命比優化前調高了10倍以上,實現了優化目標。同時建議后續對技術規范中的試驗方法進行更新,參照前述驗證試驗方法,將出現橡膠裂紋的疲勞次數修改為150萬次。

4.1.3 試驗后產品內部狀態

剛度性能檢測后,對疲勞試驗后的產品進行了剖切檢驗,進一步檢查疲勞試驗橡膠裂紋狀態。檢查發現,外筒處的橡膠裂紋較淺,主要是橡膠和金屬外套在疲勞過程中摩擦生熱導致的淺層橡膠裂解和發粘,從而造成該位置橡膠出現裂紋,因其深度較淺,對性能影響較小。近芯軸位置的橡膠裂紋向芯軸方向沿伸,同現車故障件的形貌基本一致,因其深度較深,對剛度性能的影響增大。綜合橡膠內部剖切檢驗結果,進一步確定了150萬次疲勞次數的合理性,在該種條件下,既滿足使用壽命需求,橡膠未產生裂紋,剛度變化也符合技術規范要求。剖切后的產品照片如圖8所示。

圖8 剖切后樣品內部狀態

5 結論

通過對現車返廠產品進行調查、測試、剖切,對車輛運用線路的研究和產品結構的FEM分析,推測出該城際線運行的某型城際動車組用牽引拉桿節點出現橡膠裂損的原因,以裂損再現疲勞試驗的方式驗證了推測原因的合理性,并提出了具體的解決措施和方法,為類似產品問題的解決提供了設計經驗。

(1) 針對牽引拉桿橡膠節點類產品,其橡膠疲勞裂損受線路影響較大,疲勞裂損是在偏轉載荷為主的徑向和偏轉復合載荷作用下,橡膠承受交變載荷,橡膠局部應力集中位置產生了橡膠裂紋并不斷擴展而形成的。其裂損再現的疲勞試驗為徑向和偏轉復合載荷工況,對于牽引拉桿節點的疲勞方案具有指導意義。

(2) 高強度、高耐久橡膠材料可有效改善橡膠應力集中區域的抗疲勞性能,延緩表面裂損的發生,有效提升牽引拉桿節點類產品的疲勞壽命。

(3) 工程問題的解決途徑往往是多樣的,相比其他途徑,本文提出的解決問題的思路、方法和措施成本低、效率高,可為后續類似問題的解決提供借鑒。