卜繼玲,王永冠,宋傳江

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

轉(zhuǎn)向架是影響鐵道車輛運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵部件,其各結(jié)構(gòu)件可以視為轉(zhuǎn)向架的軀干,彈性懸掛系統(tǒng)則可以視為轉(zhuǎn)向架的大腦,直接影響運(yùn)行品質(zhì)。隨著高分子彈性元件的技術(shù)發(fā)展和轉(zhuǎn)向架性能要求的提高,具備非線性性能參數(shù)的橡膠類高分子產(chǎn)品被用作彈性元件的比例逐步增加。橡膠部件的使用也往往給主要的工程問(wèn)題提供了一種簡(jiǎn)單和巧妙的解決方法[1]。以某型鐵道車輛轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)為例,介紹橡膠彈性元件設(shè)計(jì)工程中的仿真技術(shù)及其校驗(yàn)過(guò)程。

1 橡膠關(guān)節(jié)的技術(shù)輸入

圖1是某新型地鐵轉(zhuǎn)向架及其轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)。在進(jìn)行橡膠關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)時(shí),主機(jī)廠僅提供了外形接口尺寸和產(chǎn)品的徑向、軸向剛度要求。并沒(méi)有明確給出具體的疲勞試驗(yàn)載荷條件,只提出了使用壽命要求。為確保研發(fā)的橡膠關(guān)節(jié)在技術(shù)參數(shù)和可靠性上滿足轉(zhuǎn)向架的運(yùn)用條件,決定采用虛擬樣機(jī)的方法,充分發(fā)揮三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元結(jié)構(gòu)分析、多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)仿真和疲勞載荷譜數(shù)據(jù)處理等設(shè)計(jì)仿真分析技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2 橡膠關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)彈性理論,橡膠的剪切模量G與壓縮彈性模量E的關(guān)系見(jiàn)式(1)[2]。

式中r為泊松比。

典型橡膠的r值為0.499 5,所以E≈3G。對(duì)于普通結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié),軸向意味著剪切方向,徑向則是壓縮方向。同時(shí)橡膠件受壓縮時(shí),它的上下表面與金屬板硫化粘結(jié)而受約束,使有效的壓縮彈性模量Ea值比式(1)計(jì)算得到的E大得多。所以普通結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)的軸、徑向剛度比通常小于0.3。

圖1 某型轉(zhuǎn)向架及其橡膠關(guān)節(jié)

但是本次設(shè)計(jì)的橡膠關(guān)節(jié)要求軸、徑向剛度比大于0.5,因此突破普通結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),采用了如圖2所示的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的軸、徑向剛度比可以做到0.5～1。根據(jù)基本結(jié)構(gòu)形式,結(jié)合接口尺寸的空間限制和產(chǎn)品剛度限制條件,利用有限元分析技術(shù),確定其具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在分析過(guò)程中充分利用既往產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)參數(shù),對(duì)具體結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。優(yōu)化過(guò)程中采用統(tǒng)一的網(wǎng)格規(guī)模、單元類型、材料屬性、接觸參數(shù)、求解參數(shù)等。通過(guò)調(diào)整各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù),再經(jīng)過(guò)多次有限元計(jì)算,最終確定結(jié)構(gòu)具體參數(shù),具體流程見(jiàn)圖3。有限元模型見(jiàn)圖4。通過(guò)這個(gè)設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化過(guò)程后,該產(chǎn)品樣品一次試模成功,徑向剛度和軸向剛度均滿足了要求。這樣就大大縮短開發(fā)周期,降低了研發(fā)成本。圖5為產(chǎn)品的靜剛度試驗(yàn)照片。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 結(jié)構(gòu)參數(shù)確認(rèn)流程

圖4 1/4橡膠關(guān)節(jié)有限元模型(隱藏芯軸)

圖5 橡膠關(guān)節(jié)靜剛度試驗(yàn)

3 橡膠關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)

轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)臂定位橡膠關(guān)節(jié)在保證鐵道車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性上非常關(guān)鍵,如果失效將導(dǎo)致轉(zhuǎn)向架其他部件發(fā)生破壞,危及行車安全,因此其疲勞可靠性十分重要。由于是新開發(fā)的轉(zhuǎn)向架和車輛,客戶并沒(méi)有真實(shí)的結(jié)構(gòu)疲勞載荷信息,因此采用車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析的技術(shù)手段,利用主機(jī)廠提供的車輛和轉(zhuǎn)向架技術(shù)參數(shù),結(jié)合最終用戶提供的線路情況,建立整車動(dòng)力學(xué)仿真分析模型(如圖6所示),分析得出橡膠關(guān)節(jié)的載荷時(shí)間歷程,進(jìn)而得到其載荷情況。

圖6 整車動(dòng)力學(xué)模型

3.1 計(jì)算工況確定

計(jì)算工況分得過(guò)細(xì),會(huì)增加計(jì)算工時(shí)和數(shù)據(jù)后處理工作量;工況分得過(guò)粗,會(huì)使計(jì)算結(jié)果缺乏代表性。所以工況的合理選擇十分重要。統(tǒng)計(jì)分析用戶提供的線路條件,得到車輛運(yùn)行線路分布比例具體見(jiàn)圖7,根據(jù)GB 50157-92《地下鐵道設(shè)計(jì)規(guī)范》可得到各種工況的最大行駛速度,考慮安全性,整車動(dòng)力學(xué)仿真分析時(shí)按相應(yīng)線路的最大速度取值。表1為計(jì)算工況。

圖7 工況所占運(yùn)行線路的比例

表1 線路設(shè)計(jì)工況

3.2 計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果,導(dǎo)向輪對(duì)上定位關(guān)節(jié)的載荷最為惡劣,所以取該關(guān)節(jié)14種工況下的載荷時(shí)間歷程,并分別進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)。然后按照一定里程內(nèi)(如150 km)各工況的比例進(jìn)行雨流矩陣疊加,生成150 km總雨流矩陣,見(jiàn)圖8所示。

圖8 各工況合成后的150 km載荷總雨流矩陣

該雨流矩陣共計(jì)有1.01×105次循環(huán),代表車輛運(yùn)行150 km,則產(chǎn)品性能要求的120萬(wàn)km對(duì)應(yīng)的載荷循環(huán)將高達(dá)8億次。從研發(fā)產(chǎn)品的角度,必須縮短疲勞試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù),即利用加速疲勞試驗(yàn)技術(shù)[3]。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行有限元應(yīng)力應(yīng)變仿真分析,結(jié)合既往產(chǎn)品形成的典型壓縮類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的S—N曲線,對(duì)總雨流矩陣進(jìn)行縮減,得到了縮小規(guī)模的總雨流矩陣。一個(gè)塊只包含450次循環(huán)。120萬(wàn)km包含8 000個(gè)塊,總計(jì)循環(huán)次數(shù)為360萬(wàn)次。從而在保證對(duì)結(jié)構(gòu)損傷不降低的情況下,縮短疲勞壽命試驗(yàn)時(shí)間的載荷方案。

3.3 編制臺(tái)架試驗(yàn)程序載荷譜塊

雨流矩陣描述的是三維均值、幅值統(tǒng)計(jì)頻次表,為便于臺(tái)架試驗(yàn)加載,需要轉(zhuǎn)換成二維表格——均值頻次表和幅值頻次表[3]。圖9為處理完數(shù)據(jù)得到的幅值分布曲線,可見(jiàn)該幅值累積分布曲線基本服從WeiBull分布。但雨流矩陣代表了運(yùn)行150 km中可能出現(xiàn)的載荷情況,其統(tǒng)計(jì)結(jié)果涵蓋幾乎所有典型運(yùn)行工況,因此可以直接使用其幅值分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)載荷幅值進(jìn)行分級(jí)。然后重復(fù)150 km的載荷譜塊。

依據(jù)CONOVER[4]法將載荷譜劃分為8級(jí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),但由于在頻次中出現(xiàn)了非整數(shù)值,實(shí)際試驗(yàn)中操作性較差,所以對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將8級(jí)載荷譜調(diào)整為6級(jí)載荷譜,見(jiàn)表2。

圖9 載荷幅值分布曲線和分級(jí)直方圖

表2 徑向載荷幅值分級(jí)

圖10 試驗(yàn)機(jī)控制計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)載荷譜塊

圖11 產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)情況

依據(jù)載荷低—高—低加載次序制定單塊程序加載譜,這樣可以最大程度上減小加載順序?qū)ζ谠囼?yàn)的影響[4,5]。如圖10為臺(tái)架試驗(yàn)控制計(jì)算機(jī)上的單個(gè)譜塊顯示,總循環(huán)數(shù)為450,代表運(yùn)行150 km的徑向載荷。試驗(yàn)波動(dòng)中心為21.5 kN,按圖10施加波動(dòng)幅值,共計(jì)運(yùn)行8 000個(gè)塊,相當(dāng)產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行120萬(wàn)km,頻率為2～ 4 Hz。

3.4 產(chǎn)品疲勞檢驗(yàn)

根據(jù)上述分析,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn),試驗(yàn)狀態(tài)照片及完成后產(chǎn)品見(jiàn)圖11所示。試驗(yàn)后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行剛度檢測(cè),剛度變化率為19.5%,滿足使用要求;而在外觀方面也只有壓縮部分有輕微的熔膠,所以該產(chǎn)品滿足疲勞試驗(yàn)條件。

該產(chǎn)品提供給主機(jī)廠后,經(jīng)過(guò)2年多運(yùn)用后檢修時(shí),進(jìn)行外觀檢查和參數(shù)檢測(cè),均沒(méi)有出現(xiàn)異常情況,表明該產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)完全能夠滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在鐵道車輛轉(zhuǎn)向架橡膠彈性元件的開發(fā)過(guò)程中,通過(guò)大量采用結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有限元仿真分析、車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析、隨機(jī)載荷統(tǒng)計(jì)仿真分析、疲勞結(jié)構(gòu)壽命仿真分析等虛擬樣機(jī)仿真技術(shù),不僅大大縮短了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)的周期與成本,也為橡膠產(chǎn)品的可靠性研究與設(shè)計(jì)提供了一條經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠的方法。

[1] A.N.Gent.Engineering with Rubber-How to Design Rubber Components(2nd Edition)[M].Munich:Carl Hanser Verlag,2001.

[2] 龔積球,龔震震,趙熙雍.橡膠件的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003.

[3] 樊曉燕,吳茲攀,童忠鈁.機(jī)械零件疲勞載荷譜編制[J].機(jī)電工程,1994,(2):23-26.

[4] 高鎮(zhèn)同.疲勞可靠性[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.

[5] W.V.M ars,A.Fatemi.A literature survey on fatigue analysis approaches for rubber[J].International Journal of Fatigue,2002,24:949-961.