鐵路貨車軸向橡膠墊結構改進與技術優化研究

摘 要：軸向橡膠墊是交叉支撐與側架連接部件之一，為實現軸向橡膠墊壽命周期與修程修制匹配，同時進一步優化轉向架檢修工藝，減少檢修工作量，提高檢修效率。本文論述了交叉支撐轉向架核心部件之軸向橡膠墊結構改進與技術優化方案、膠料性能、仿真分析、試制、試驗等研究情況，產品性能在長壽命聚氨酯彈性墊和在役產品的基礎上，增加耐臭氧老化性能、熱老化性能要求，常規、強化疲勞試驗次數分別達到400、100萬次，較在役產品分別增加1倍、5.67倍。長壽命軸向橡膠墊彈性壓縮變形量及回彈能力較在役產品提升2倍以上，剛度及表面狀態較在役產品明顯改善，使用壽命滿足12年或180萬km的使用要求。

關鍵詞：軸向橡膠墊；結構優化；仿真；試制；試驗

中圖分類號：TQ336.4+7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）10-0050-04

Research on the improvement of axial rubber pad structure and technical optimization of railway wagons

YANG Erbin1，ZHANG Zhao2，DUAN Shihui2，XU Shifeng2

（1. China Energy Railway Equipment Co.，Ltd.，Beijing 100011，China）

（2. CRRC Qiqihar Rolling Stock Co.，Ltd.，Qiqihaer 161002，Heilongjiang China）

Abstract：The axial rubber pad is one of the connecting parts between the cross support and the side frame，whichcan match the life cycle of the axial rubber pad with the repair process，and further optimize the bogie maintenanceprocess，reduce the maintenance workload and improve the maintenance efficiency. On the basis of long-life poly?urethane elastic pads and in-service products，the product performance increases the requirements of ozone aging re?sistance and thermal aging performance，and the number of conventional and strengthened fatigue tests reaches4 million and 1 million times respectively，which is 1 time and 5.67 times higher than that of in-service products.The elastic compression deformation and rebound capacity of the long-life axial rubber pad are more than 2 timeshigher than those of in-service products，and the stiffness and surface condition are significantly improved comparedwith in-service products，and the service life meets the requirements of 12 years or 1.8 million kilometers.

Key words：axial rubber pad；structural optimization；simulation；trial production；experiment

交叉支撐轉向架在我國鐵路貨車大量裝用[1]，為提高車輛使用效率，降低檢修維護成本[2]，軸向橡膠墊是交叉支撐與側架連接部件之一，起到彈性連接作用，現行標準規定的壽命為6年或80萬公里[3]。為推動產品技術升級，實現軸向橡膠墊的壽命與廠修周期匹配，中車齊車公司聯合時代瑞唯、江蘇鐵科和河北騰躍公司對既有軸向橡膠墊進行了運用情況調查和結構優化，研制了新型軸向橡膠墊，先后完成了產品設計、仿真分析、產品試制和試驗等工作。

1軸向橡膠墊應用情況

1. 1外觀情況

調查統計的11 277個軸向橡膠墊整體運用情況良好，從外觀狀態看，外觀狀態正常占74.3%，龜裂占23.7%，貫通裂紋占1.1%，其他外觀缺陷占0.9%，見表1。

現有軸向橡膠墊運用超過6年后存在失效情況，調研過程發現3例明顯的軸向橡膠墊失效，其使用時間7～8年，失效原因是鐵件2裂紋和磨耗嚴重。

軸向橡膠墊龜裂現象均發生在易光照部分，使用時間由6年增至8年，龜裂數量由23.5%增加至36.3%。

1. 2厚度變化情況

經對11 277個軸向橡膠墊調研數據分析，使用時間由6年增至8年，其厚度明顯降低，平均厚度由23 mm（變形量1.6 mm）降低至22.81 mm（變形量1.79 mm），變形量增加11.88%。

2軸向橡膠墊結構優化技術方案及膠料性能

根據軸向橡膠墊作用原理、運用工況、現有產品應用情況，結合近年來橡膠材料及制品技術發展[4]，確定降低永久變形量、提高耐老化性能、改善橡膠表面龜裂或裂紋為主要方向[5]，同時考慮全壽命周期成本，具體從產品結構、膠料性能等方面進行研究[6]。

2. 1技術方案

既有軸向橡膠墊和改進軸向橡膠墊結構如圖1和圖2所示。

2. 1. 1結構優化方面

（1）鐵件（1）與鐵件（2）之間增加2.5 mm厚隔板，適當降低橡膠硬度；

（2）將鐵件（1）和鐵芯設計為一體，降低對組裝尺寸的影響；

（3）鐵件（1）厚度降低，鐵件（2）與橡膠層厚度增加；

（4）為降低橡膠表面應力，側面橡膠設計為內凹結構，增加橡膠受力面積，直徑增加5 mm至108 mm。

2. 1. 2金屬件材料選用方面

（1）鐵件（1）及隔板選用低合金高強度結構鋼Q355B，代替Q235-A；

（2）鐵件（2）材質選用冷沖壓低碳鋼DC03，代替Q235-A。

新型軸向橡膠墊降低橡膠應力及產品永久變形量。橡膠表面內凹結構，可有效改善橡膠表面應力及龜裂現象[7]。

2. 2膠料性能

針對現有產品橡膠壓縮永久變形量大及表面龜裂問題，新型軸向橡膠墊從膠料配方方面進行優化，

主要有以下2個方面[8]。

（1）蠕變性能優化，提升耐蠕變、回彈及壓縮永久變形性能。?膠料硬度降低，大幅提升回彈性能及蠕變性能；?優化配方的填料體系，提升材料的彈性和動態疲勞性能；?優化硫化體系，提高交聯密度及交聯網絡斷裂活化能[9]，從而進一步提高橡膠耐老化能力，降低壓縮永久變形；

（2）耐紫外線、耐臭氧及耐熱老化性能優化。?采用大分子的對苯二胺類長效/短效型防老劑與對熱氧和疲勞老化有良好防護作用酮胺類防老劑復配，提升耐熱氧和耐疲勞老化性能[10]；?優化防老劑體系配比；?采用物理防老劑與反應型防老劑并用，采用抗臭氧性能的化學防老劑與雙峰結構的防護蠟并用，提高異構烷烴含量[11]，控制結晶形態和成膜厚度，提升耐臭氧性能，以期達到長期防護的效果[12]。

與現有產品橡膠材料性能相比，提高硬度、拉伸強度等4項指標參數，新增直角撕裂強度、耐臭氧老化性能[13]等6項指標。

3仿真分析情況

3. 1剛度仿真結果

在垂向載荷35 kN作用下，新型軸向橡膠墊與現有產品剛度仿真分析結果如圖3和圖4所示，均滿足Q/CR 548.1（《鐵道貨車轉向架（第1部分：交叉支撐轉向架）》）的要求。

3. 2靜強度仿真結果

靜強度各工況下，軸向橡膠墊的應力、應變結果見表2。新型軸向橡膠墊金屬件和橡膠應力明顯降低，橡膠應力降低50%以上。

3. 3疲勞壽命分析結果

軸向橡膠墊橡膠的疲勞壽命評估結果見表3，應力云圖如圖5所示。新型軸向橡膠墊較現有產品疲勞壽命增加213%。

4新型軸向橡膠墊試制及試驗

4. 1產品試制

產品試制由時代瑞唯、江蘇鐵科、河北騰躍公司完成，試制后產品外觀良好，鐵件（1）和鐵件（2）表面平整，橡膠表面光滑，無粘接不牢等外觀問題，產品外觀尺寸合格。

新型軸向橡膠墊產品剖切后，產品內部膠料分布均勻，隔板未出現變形，整體滿足設計要求，產品內部剖開實物圖如圖6所示。

4. 2產品性能試驗

對新型軸向橡膠墊進行靜態剛度試驗、高低溫試驗、臭氧老化試驗、疲勞試驗及工況適應性試驗[15]。

（1）靜態剛度及變形量試驗情況，結果見表4和表5。

（2）產品高溫、低溫、熱老化及耐臭氧試驗情況，結果見表6。

（3）對新型軸向橡膠墊組合件進行400萬次常規疲勞試驗、100萬次強化疲勞試驗，結果見表7。

（4）交叉桿臺架疲勞試驗按TB/T 3225—2010《鐵路貨車交叉桿組成》之附錄C交叉桿組成疲勞試驗載荷循環350萬次，結果見表8。

5結語

（1）新型軸向橡膠墊從產品結構、膠料性能、產品性能全面提升長期運用可靠性[15]，形成產品圖紙及技術條件。在現有產品的基礎上，增加耐臭氧老化性能、熱老化性能要求，常規、強化疲勞試驗次數分別達到400、100萬次；

（2）仿真分析及產品試制、試驗結果表明，新型軸向橡膠墊金屬件和橡膠應力明顯降低[16]，橡膠應力降低50%以上，疲勞壽命增加213%[17]；產品各項指標及試驗結果滿足技術條件要求；

（3）新型軸向橡膠墊使用壽命較既有軸向橡膠墊提高2倍，與現行修程修制匹配，可進一步提高車輛的使用效率，降低檢修維護成本[18]。

【參考文獻】

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