匡劍宇，汪林峰

中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲，412000

0 引言

頂置式一系彈性止檔安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與軸箱體之間，位于一系彈簧組內(nèi)簧中，在車輛正常運(yùn)行時(shí)不承受載荷，在極限工況下垂下承載并起到限位作用。近期，A型車頂置式轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)一系彈性止檔與內(nèi)簧接磨，止檔橡膠開裂、斷裂等質(zhì)量問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)一系彈性止檔接磨、開裂原因進(jìn)行分析，并對(duì)一系彈性止檔進(jìn)行方案優(yōu)化改進(jìn)。

1 一系彈性止檔開裂分析

1.1 現(xiàn)象分析

（1）斷裂層橡膠部分與金屬件粘接良好，橡膠本體撕裂，見圖2；

（2）蓋板（金屬件）外圓柱面有擠壓變形且被磨光磨亮，見圖3；

（3）尼龍磨耗板上平面未見明顯磨耗痕跡，見圖4；

（4）部分未斷裂產(chǎn)品，底層橡膠也存在有裂紋，見圖5。

1.2 項(xiàng)目應(yīng)用普查

該款一系彈性止檔于2009年上海11號(hào)線開始應(yīng)用，之后株機(jī)公司A型車一系均采用該結(jié)構(gòu)止檔，除深圳項(xiàng)目外其他項(xiàng)目未收到開裂反饋。

一系彈性止檔共有三家供應(yīng)商，在深圳地鐵項(xiàng)目中出現(xiàn)橡膠開裂和斷裂的均為株洲名揚(yáng)的產(chǎn)品，其余兩家未出現(xiàn)開裂。

2021年8月，鄭州5號(hào)線運(yùn)行3年后換修下來(lái)的一列車48件株洲名揚(yáng)的止檔外觀良好，均無(wú)裂紋，該產(chǎn)品與深圳項(xiàng)目同結(jié)構(gòu)、同廠家。

1.3 設(shè)計(jì)說(shuō)明

一系彈性止檔作為極端工況下限位作用，在車輛正常運(yùn)行時(shí)不承受載荷，其結(jié)構(gòu)組成如下：

1.4 生產(chǎn)調(diào)查

1.4.1 產(chǎn)品全尺寸抽檢

對(duì)株洲名揚(yáng)一系彈性止檔的全尺寸進(jìn)行檢查，實(shí)測(cè)尺寸符合設(shè)計(jì)圖紙要求。

1.4.2 制造工藝流程調(diào)查

對(duì)制膠、加工、酸洗、硫化、成型、試驗(yàn)等現(xiàn)場(chǎng)制造工藝流程進(jìn)行了調(diào)查：

在檢查硫化模具時(shí)，發(fā)現(xiàn)橡膠成型面棱邊有磕碰現(xiàn)象，形成局部鋒利凸起，在橡膠硫化出模時(shí)，有可能在其根部形成肉眼難以觀察的細(xì)微裂痕。

1.5 特性分析

1.5.1 黏結(jié)性能

對(duì)名揚(yáng)的兩件樣品進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，止檔的粘接強(qiáng)度符合TB/T 2843要求。

表1 橡膠抗拉試驗(yàn)數(shù)據(jù)

*理論載荷的計(jì)算

根據(jù)TB/T 2843-2015[1]，計(jì)算非破壞性試驗(yàn)載荷：

1）采取拉伸試驗(yàn)

2）粘接面積

3）試驗(yàn)載荷

由于S＜3000mm2，故F=2S=5.2kN

1.5.2 橡膠抗撕裂強(qiáng)度對(duì)比

鑒于三家供應(yīng)商只有名揚(yáng)的產(chǎn)品出現(xiàn)了橡膠開裂和斷裂現(xiàn)象，且產(chǎn)品粘接強(qiáng)度符合要求，對(duì)比三家供應(yīng)商止檔膠料的抗撕裂強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)名揚(yáng)止檔膠料的抗撕裂強(qiáng)度明顯小于其他兩家供應(yīng)商。

表2 各供應(yīng)商產(chǎn)品膠料抗撕裂強(qiáng)度對(duì)比

1.6 線路振動(dòng)影響

考慮一系止擋安裝在軸箱體上振動(dòng)較大，對(duì)止檔按照《IEC 61373-2010鐵路設(shè)備滾動(dòng)車輛設(shè)備沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)》[2]中的3類軸裝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，總共15h，每個(gè)方向5h。

表3 類型3 安裝在車軸上的ASD 頻譜

第三方機(jī)構(gòu)（CTI華測(cè)檢測(cè)）對(duì)止檔進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，結(jié)果如下：

（1）止檔在振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)開裂；

（2）止檔在67.01Hz橫向振動(dòng)下，發(fā)生明顯共振，根據(jù)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，線路的P2力頻率主要在50～80Hz范圍。

1.7 小結(jié)

根據(jù)以上分析，初步判斷止擋開裂原因?yàn)椋?/p>

1）模具的橡膠成型面棱邊有磕碰現(xiàn)象，出模時(shí)在其根部可能形成細(xì)微裂痕。

2）名揚(yáng)止檔橡膠膠料的抗撕裂強(qiáng)度明顯小于其他兩家供應(yīng)商。

3）止擋橫向自振頻率為67.01Hz，在較大線路振動(dòng)下可能激發(fā)共振，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

2 一系彈性止檔接磨分析

2.1 理論分析

AWO工況下，止檔與內(nèi)簧的設(shè)計(jì)理論間隙為10.25mm。在車輛縱向方向，由于一系懸掛采用轉(zhuǎn)臂式定位，在不同工況下，軸箱體會(huì)圍繞轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致安裝在軸箱體上的止檔圍繞轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣止檔才會(huì)有可能與內(nèi)簧接磨。

2.2 有限元分析

通過(guò)有限元分析，得出以下結(jié)果：

1）止檔接觸工況：在彈簧向下壓縮32mm時(shí)，此時(shí)垂向載荷約為94640N，相當(dāng)于1.4倍AW3工況，止檔與內(nèi)簧開始接磨；

2）1.42倍AW3工況：止檔與內(nèi)簧接磨量為0.64mm，此時(shí)彈簧垂向載荷為95992N。

結(jié)論：在大于1.3倍AW3工況下，再考慮止檔的共振，止檔有可能與內(nèi)簧接磨。

表4 用于有限元分析的載荷工況

3 一系彈性止檔方案改進(jìn)

3.1 改進(jìn)方向

1）增加硫化模具的檢查頻次，發(fā)現(xiàn)受損及時(shí)修復(fù)，解決制造工藝問(wèn)題。

2）縮小止檔的輪廓尺寸，解決接磨問(wèn)題。

3）減小止檔的重量，降低止檔的重心，解決抗振動(dòng)性能差問(wèn)題。

4）提高止檔的抗撕裂強(qiáng)度，解決抗振動(dòng)性能差問(wèn)題。

3.2 改進(jìn)方案對(duì)比

3.3 改進(jìn)說(shuō)明

針對(duì)一系彈性止檔與內(nèi)簧接磨，止檔橡膠開裂、斷裂等質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)一系彈性止檔進(jìn)行了改進(jìn)[3]：

（1）采用上小下大的錐形結(jié)構(gòu)，止擋頂部直徑由φ70mm減小至φ58mm，以避免止檔與內(nèi)簧接磨。

（2）頂蓋采用尼龍，降低了頂蓋重量。止檔重量由1.83kg降至1.56kg，減重0.27kg。且重心整體下移，提高止擋抗高頻振動(dòng)能力。

（3）選用抗撕裂性能較好的膠料，撕裂強(qiáng)度由35kN/mm左右提高到90kN/mm以上，使產(chǎn)品抗振效果更好，在高頻振動(dòng)下不易產(chǎn)生裂紋或斷裂。

3.4 改進(jìn)方案驗(yàn)證

3.4.1 有限元分析

在最大垂向載荷74.8kN（AW3工況下一系彈簧組所承受載荷）作用下，一系彈性止檔金屬件、耐磨板、橡膠件均滿足強(qiáng)度要求。

3.4.2 常規(guī)試驗(yàn)驗(yàn)證

改進(jìn)的一系彈性止檔進(jìn)行剛度試驗(yàn)、極限承載試驗(yàn)、加載疲勞試驗(yàn)、膠料試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)規(guī)范要求：

●剛度試驗(yàn)：在0-6.5kN垂向加載范圍內(nèi)，止檔的垂向剛度符合812N/mm±10%。

●極限承載試驗(yàn)：垂向加74.8kN的極限載荷，加載60s，止檔未出現(xiàn)裂紋。

●疲勞試驗(yàn)：垂向加載100萬(wàn)次，止檔未出現(xiàn)裂紋，且剛度變化在20%內(nèi)。

●膠料試驗(yàn)：膠料的抗撕裂強(qiáng)度提高至90kN/mm以上。

3.4.3 1.3倍AW3工況干涉試驗(yàn)

改進(jìn)產(chǎn)品干涉試驗(yàn)驗(yàn)證：

在同款轉(zhuǎn)向架（ZME-080型）上換裝改進(jìn)后的一系彈性止檔，在空簧上施加1.3倍AW3工況載荷，即156kN，一系止檔與內(nèi)簧無(wú)干涉，有約7～8mm間隙。

表5 兩款止檔共振頻率、振幅對(duì)比

3.4.4 振動(dòng)試驗(yàn)

對(duì)改進(jìn)前、后的兩款止檔進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)：功能性振動(dòng)試驗(yàn)、模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)試驗(yàn)、掃頻試驗(yàn)。掃頻得到了兩款止檔的共振頻率，并測(cè)量了其振幅。改進(jìn)后的止檔共振頻率更高，更容易避開輪軌常見的振動(dòng)頻率，且振幅極小。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)A型車頂置式轉(zhuǎn)向架一系彈性止檔接磨、開裂原因進(jìn)行了深入分析，并對(duì)一系彈性止檔進(jìn)行方案優(yōu)化改進(jìn)。