董 永,豐振東,柳祿泱,林 勝,黃友劍

(1 .株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 412007;2. 長沙市軌道交通運(yùn)營有限公司,湖南 長沙 410133)

0 引言

地鐵轉(zhuǎn)向架用轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié),是橡膠和金屬硫化而成的彈性體,安裝在軸箱轉(zhuǎn)臂中,用來無磨損地傳遞牽引力和制動(dòng)力,并實(shí)現(xiàn)輪對(duì)定位[1]。轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)作為一系懸掛系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,其性能對(duì)車輛的安全運(yùn)行至關(guān)重要。本文將介紹某地鐵轉(zhuǎn)向架用轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析在運(yùn)行過程中出現(xiàn)橡膠裂紋的情況與故障產(chǎn)生原因,基于實(shí)驗(yàn)室疲勞試驗(yàn),對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[2],為該類型的轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)的可靠性設(shè)計(jì)提供參考。

1 轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鋼彈簧與轉(zhuǎn)臂組合,形成車輛的一系懸掛系統(tǒng),如圖1所示。作為彈性部件,轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)與鋼彈簧一起承擔(dān)車輛的垂向以及橫向、縱向載荷。根據(jù)車輛的不同設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)有2種典型的安裝方式,分別是鋼彈簧頂置式和鋼彈簧側(cè)置式[1]。

某地鐵轉(zhuǎn)向架用轉(zhuǎn)臂定位裝置采用鋼簧側(cè)置式,該裝置的轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)為一種典型的芯軸壓裝整體內(nèi)凹式的組合橡膠金屬關(guān)節(jié),由金屬和橡膠硫化體而成。該結(jié)構(gòu)滿足17∶9徑軸剛度比要求(見表1),被廣泛地運(yùn)用于某地鐵轉(zhuǎn)向架一系懸掛系統(tǒng)中。圖2為該轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。

表1 疲勞試驗(yàn)過程剛度變化數(shù)據(jù)

圖2 轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

2 轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題及原因分析

2.1 轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題

該轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)壽命為130萬 km或12年,在運(yùn)行過程中大部分轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)的橡膠部分在運(yùn)行30萬 km(2～3年)后開始出現(xiàn)裂紋,且裂紋區(qū)域都集中在縱向方向,長度為20～30 mm,深度為1.5～3 mm。同時(shí)跟蹤產(chǎn)品到架修期,裂紋長度大于1/4圈(135 mm),深度達(dá)到了5 mm。圖3和圖4為30萬 km產(chǎn)品裂紋外觀圖和內(nèi)部裂紋剖切圖。圖5為架修期產(chǎn)品外觀圖。

圖3 30萬 km產(chǎn)品裂紋外觀圖

圖4 30萬km產(chǎn)品裂紋剖切圖

圖5 架修期產(chǎn)品外觀圖

2.2 原因分析

該橡膠的失效形式是在運(yùn)行過程中縱向交替載荷導(dǎo)致產(chǎn)生橡膠裂紋。為了驗(yàn)證橡膠開裂產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)壽命要求,按照產(chǎn)品開發(fā)期載荷條件對(duì)30萬km失效產(chǎn)品進(jìn)行縱向疲勞試驗(yàn)。

2.2.1疲勞試驗(yàn)條件

共5個(gè)階段,250萬次縱向疲勞。分別徑向加載(21.5±7) kN、(21.5±9.2) kN、(21.5±11.4) kN、(21.5±13.6) kN、(21.5±13.6) kN,各進(jìn)行疲勞試驗(yàn)50萬次(見圖6)。

圖6 疲勞試驗(yàn)示意圖

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果和曲線

疲勞試驗(yàn)過程中,剛度變化如表2所示,徑向、軸向剛度曲線分別如圖7、圖8所示。

表2 疲勞試驗(yàn)過程剛度變化數(shù)據(jù)

圖7 疲勞試驗(yàn)過程徑向剛度曲線

圖8 疲勞試驗(yàn)過程軸向剛度曲線

隨著疲勞次數(shù)的增加,橡膠出現(xiàn)機(jī)械損傷,剛度逐漸減小,承載能力越來越弱,從曲線上看,同等載荷下,不同疲勞階段后,產(chǎn)品的撓度越來越大。產(chǎn)品外觀裂紋數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 疲勞前后外觀對(duì)比

2.2.3試驗(yàn)結(jié)論

通過250萬次疲勞試驗(yàn)后,裂紋長度由60～70 mm擴(kuò)展到110～120 mm。徑向剛度變化率為12.14%,軸向剛度變化率為10.53%,產(chǎn)品剛度變化率小于TB/T 2843—2015 《機(jī)車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求的15%,產(chǎn)品目前狀態(tài)可以滿足該產(chǎn)品技術(shù)條件載荷要求,不對(duì)產(chǎn)品正常功能產(chǎn)生影響。但是產(chǎn)品外觀的裂紋影響業(yè)主對(duì)產(chǎn)品的使用滿意度。

進(jìn)一步結(jié)合裂紋狀態(tài)、疲勞試驗(yàn)結(jié)果和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),認(rèn)為橡膠產(chǎn)生裂紋主要有以下2個(gè)原因:

(1)疲勞載荷因線路產(chǎn)生了差異

項(xiàng)目開發(fā)初期,按照2.2.1節(jié)中的疲勞試驗(yàn)條件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了驗(yàn)證,產(chǎn)品順利通過了疲勞校核。在運(yùn)行30萬 km產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋后,繼續(xù)按照開發(fā)初期疲勞條件驗(yàn)證,裂紋擴(kuò)展到120 mm,短于架修期產(chǎn)品裂紋長度(135 mm)。可以間接說明,實(shí)驗(yàn)室所采用的疲勞載荷小于實(shí)際運(yùn)行載荷。通過與主機(jī)廠聯(lián)動(dòng)重新校核產(chǎn)品疲勞載荷,疲勞交替載荷振幅增加,同時(shí)有一定的偏轉(zhuǎn)載荷,疲勞條件更新為表4。

表4 更新后的疲勞條件

(2)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

產(chǎn)品在運(yùn)行過程中存在一定的偏轉(zhuǎn)角度,前期未考慮該偏轉(zhuǎn)角度載荷。同時(shí)采用芯軸壓裝整體內(nèi)凹式的組合橡膠金屬關(guān)節(jié),產(chǎn)品的偏轉(zhuǎn)剛度大,不利于車輛在小曲線行駛過程中偏轉(zhuǎn)。

同時(shí)相比其他成熟產(chǎn)品,該轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)膠料體積少,承載能力弱,造成產(chǎn)品局部應(yīng)力過大。

3 轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)優(yōu)化

對(duì)當(dāng)前芯軸壓裝整體內(nèi)凹式進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,采用如圖9所示的類球面式橡膠型面、并增加橡膠體積(見表5),達(dá)到降低偏轉(zhuǎn)剛度,提高偏轉(zhuǎn)能力的目的。同時(shí)橡膠體積的增加對(duì)縱向承載能力也有很大的提升。

表5 橡膠體積對(duì)比表

圖9 類球面式轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)

當(dāng)前結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)剛度為380 N·m/(°),而優(yōu)化結(jié)構(gòu)為180 N·m/(°),如表6所示。優(yōu)化結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)剛度下降了50%,大幅提高了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)適應(yīng)能力。

表6 偏轉(zhuǎn)剛度對(duì)比表

優(yōu)化后轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)采用類球面的結(jié)構(gòu)理念,相比優(yōu)化前增加了產(chǎn)品的膠料體積2倍,偏轉(zhuǎn)剛度下降了50%。橡膠關(guān)節(jié)優(yōu)化前后外形圖如圖10所示。

4 轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)改進(jìn)效果

借用成熟的有限元分析軟件[3],產(chǎn)品在靜態(tài)性能方面能夠滿足客戶的要求,為了進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品的改進(jìn)效果,采用更新后的疲勞條件在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)[4-5],同時(shí)跟蹤優(yōu)化后的產(chǎn)品運(yùn)行情況。

4.1 實(shí)驗(yàn)室疲勞驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化前后的產(chǎn)品進(jìn)行疲勞驗(yàn)證,關(guān)注產(chǎn)品外觀和剛度變化情況(見表7)。產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)示意圖如圖11所示,疲勞條件如表4所示。

4.1.1優(yōu)化前產(chǎn)品疲勞情況

試驗(yàn)過程中,優(yōu)化前的產(chǎn)品在43.6萬次疲勞時(shí)出現(xiàn)肉眼可見的18 mm裂紋,跟蹤了全過程裂紋擴(kuò)展情況,如表8所示。

表8 優(yōu)化前產(chǎn)品外觀與疲勞次數(shù)關(guān)系表

疲勞后剖切產(chǎn)品,裂紋已深入橡膠內(nèi)部,深度約為10 mm。具體如圖12產(chǎn)品剖切圖所示。

4.1.2優(yōu)化后產(chǎn)品疲勞情況

優(yōu)化后產(chǎn)品在250萬次疲勞試驗(yàn)后,外觀良好,無裂紋,如圖13所示。

圖13 疲勞試驗(yàn)后產(chǎn)品外觀圖

4.1.3優(yōu)化前后產(chǎn)品疲勞情況對(duì)比

通過更新后的疲勞條件驗(yàn)證,優(yōu)化前產(chǎn)品約在22.8萬 km出現(xiàn)裂紋,與實(shí)際產(chǎn)品運(yùn)行過程中出現(xiàn)裂紋公里數(shù)接近。

同時(shí)通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化后產(chǎn)品完成了250萬次徑向+偏轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn),疲勞試驗(yàn)后產(chǎn)品無裂紋,剛度變化率低。改進(jìn)結(jié)構(gòu)較老結(jié)構(gòu)的可靠性至少提升5.5倍,如表9、表10所示。

表9 疲勞前后產(chǎn)品剛度對(duì)比表

表10 優(yōu)化前后產(chǎn)品疲勞對(duì)比表

4.2 優(yōu)化后產(chǎn)品應(yīng)用情況

跟蹤優(yōu)化后產(chǎn)品的運(yùn)行情況,產(chǎn)品在架修期內(nèi)(5年)運(yùn)行狀態(tài)良好,無裂紋。相比優(yōu)化前產(chǎn)品在2～3年期間出現(xiàn)裂紋,產(chǎn)品可靠性至少提升2倍以上。優(yōu)化后產(chǎn)品架修期外觀圖如圖14所示。

圖14 優(yōu)化后產(chǎn)品架修期外觀圖

5 結(jié)論

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)上與優(yōu)化前結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,其具有較厚的膠層、類球面以及大預(yù)壓縮量設(shè)計(jì),一方面能最大限度地消除橡膠收縮預(yù)應(yīng)力、提高橡膠承載能力,另一方面能降低產(chǎn)品的偏、扭轉(zhuǎn)剛度,提高偏、扭轉(zhuǎn)適應(yīng)能力。

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)完成了250萬次徑向+偏轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn),疲勞試驗(yàn)后產(chǎn)品無裂紋,剛度變化率低。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)較優(yōu)化前結(jié)構(gòu)的可靠性至少提高5.5倍。

合理的疲勞載荷設(shè)計(jì)能夠通過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證預(yù)測產(chǎn)品的使用壽命,提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性。后續(xù)持續(xù)跟蹤,建立實(shí)驗(yàn)室疲勞試驗(yàn)次數(shù)與實(shí)際公里數(shù)的關(guān)系。