王喜利 李 陽(yáng) 張春良

（中國(guó)南車株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，412007，株洲∥第一作者，工程師）

現(xiàn)有廣州地鐵4、5號(hào)線地鐵車輛電機(jī)支撐梁橡膠墊（以下簡(jiǎn)稱“橡膠墊”）為國(guó)外某廠家提供。該產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中永久變形很大，且橡膠破損嚴(yán)重，無(wú)法滿足正常運(yùn)行要求。株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“時(shí)代新材”）應(yīng)客戶要求對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，以替換現(xiàn)有產(chǎn)品并應(yīng)用于廣州6號(hào)線地鐵車輛。本文對(duì)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、橡膠材料選擇、有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及安裝特點(diǎn)

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

目前使用的橡膠墊結(jié)構(gòu)如圖1所示。除了安裝的螺紋孔尺寸不同外，老產(chǎn)品的上、下橡膠墊都采用了如圖1所示類似錐形彈簧的設(shè)計(jì)。

圖1 橡膠墊老產(chǎn)品簡(jiǎn)圖

1.2 產(chǎn)品安裝特點(diǎn)

廣州地鐵4、5號(hào)線地鐵車輛每個(gè)轉(zhuǎn)向架安裝2個(gè)電機(jī)支撐梁，每個(gè)支撐梁兩端各安裝一組橡膠墊與軸箱相連。橡膠墊的安裝方式如圖2所示。每組橡膠墊包括上橡膠墊和下橡膠墊兩部分。電機(jī)支撐梁安裝在上、下橡膠墊之間。上、下橡膠墊在安裝時(shí)通過(guò)軸向預(yù)壓縮預(yù)緊，通過(guò)橡膠材料的柔性降低車輛運(yùn)行時(shí)電機(jī)的振動(dòng)，改善電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境。根據(jù)圖2可以看出，上、下橡膠墊在不考慮電機(jī)質(zhì)量引起的橡膠變形情況下，處于相同的壓縮狀態(tài)，具有相同的軸向變形。但當(dāng)安裝電機(jī)后，由于電機(jī)質(zhì)量影響，下橡膠墊將受到進(jìn)一步壓縮，變形將加大；反之，上橡膠墊將得到放松，變形將減?。?］。

圖2 橡膠墊裝配簡(jiǎn)圖

2 使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題

2.1 永久變形過(guò)大

通過(guò)測(cè)量用于廣州地鐵4、5號(hào)線上使用6個(gè)月時(shí)間的產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品自由高較新產(chǎn)品下降了近4 mm。而產(chǎn)品在安裝時(shí)的名義預(yù)壓縮量為4 mm，考慮到制造誤差，部分產(chǎn)品的實(shí)際預(yù)壓縮量可能小于4 mm。一旦產(chǎn)品高度下降達(dá)到4 mm，上、下橡膠墊理論上都將沒(méi)有預(yù)壓縮而處于放松的狀態(tài)。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于電機(jī)質(zhì)量的作用，下橡膠墊仍將處于壓縮狀態(tài)。即便如此，由于預(yù)壓縮量的減小而使產(chǎn)品剛度產(chǎn)生較大變化，從而影響電機(jī)懸掛系統(tǒng)的振動(dòng)特性，對(duì)車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性產(chǎn)生不良影響。

2.2 橡膠破壞

圖3是從5號(hào)線地鐵車輛更換下來(lái)的橡膠墊產(chǎn)品照片。可以看出，產(chǎn)品周向橡膠損壞嚴(yán)重，出現(xiàn)了橡膠發(fā)粘、橡膠與金屬骨架粘接破壞以及橡膠鼓出超出最大金屬骨架外徑的現(xiàn)象。

圖3 橡膠墊破壞情況照片

3 原因分析

（1）上、下橡膠墊結(jié)構(gòu)和剛度相同但受力不同，加大了組裝后的整體永久變形。前文已經(jīng)分析，下橡膠墊要比上橡膠墊多承受電機(jī)自身的重力，如果上、下橡膠墊的剛度相同，那么如表1所示，下橡膠墊的變形就將會(huì)遠(yuǎn)大于上橡膠墊的變形。相對(duì)較大的橡膠應(yīng)變將使下關(guān)節(jié)更容易疲勞破壞。

表1 老產(chǎn)品上、下橡膠墊軸向變形對(duì)比

（2）橡膠材料選用不合理，導(dǎo)致永久變形加大。根據(jù)對(duì)客戶樣品檢測(cè)可知，其橡膠材料采用的是天然橡膠。盡管天然橡膠具有較好的綜合性能，但相對(duì)一些特殊的橡膠，其蠕變性能沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。而該橡膠墊內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一種類似用于機(jī)車車輛一系懸掛用錐形橡膠彈簧的錐面結(jié)構(gòu)，是一種典型的剪切型橡膠彈性元件，其蠕變性能要差于平面疊層橡膠彈簧，因此需要采用蠕變性能更好的橡膠配方來(lái)降低其永久變形。

（3）橡膠自由面設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致應(yīng)力集中，加速產(chǎn)品破壞。由圖1和圖3可以看出，老產(chǎn)品采用了橡膠與金屬骨架最大外徑幾乎相同的設(shè)計(jì)，且橡膠截面外形輪廓為直面結(jié)構(gòu)，因此當(dāng)橡膠變形鼓出時(shí)，在金屬骨架與橡膠粘接的最外緣處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速產(chǎn)品破壞。

圖4是利用有限元對(duì)老產(chǎn)品橡膠墊在最大動(dòng)載荷50 k N軸向載荷下的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。分析表明，橡膠層在受力后產(chǎn)生了很大的變形，橡膠沿自由面鼓出后，最大外徑已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出金屬骨架，對(duì)金屬骨架形成反包的形狀；在橡膠與金屬粘接的邊緣，橡膠的應(yīng)力達(dá)到了44.1 MPa，應(yīng)變達(dá)到2.16。如此高的應(yīng)力和應(yīng)變很容易使該處的橡膠開(kāi)裂破損［2］。

圖4 老產(chǎn)品軸向承載有限元分析云圖

4 解決方案

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）改變老產(chǎn)品內(nèi)部錐面傾斜方向，充分利用空間，增加膠層厚度，降低橡膠應(yīng)變。新的設(shè)計(jì)如圖5所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)傾斜方向與老產(chǎn)品相反，膠層厚度由14 mm提高到24.5 mm。由于膠層厚度的增加，新設(shè)計(jì)將橡膠層數(shù)由老產(chǎn)品的2層增加為3層，在使用合適硬度的膠料的前提下保持原有上、下橡膠墊組合后的軸向剛度，以滿足技術(shù)要求。

圖5 橡膠墊新產(chǎn)品簡(jiǎn)圖

通過(guò)表2可以看出，客戶樣品實(shí)際未能滿足要求的軸向剛度，而新產(chǎn)品上橡膠墊采用60左右的橡膠材料、下橡膠墊采用邵氏硬度為65左右的橡膠材料將能夠滿足組裝后的軸向剛度要求。在50 k N軸向載荷下，上橡膠墊橡膠應(yīng)變由1.6降低為0.86，下橡膠墊橡膠應(yīng)變由2.16降低為0.9。

（2）上、下橡膠墊采用等應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)，避免上、下橡膠墊組合后局部過(guò)載而破壞。由于產(chǎn)品的接口尺寸已確定，不能再做修改，因此，新產(chǎn)品設(shè)計(jì)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。新的設(shè)計(jì)采用了上、下橡膠墊相同結(jié)構(gòu)但不同剛度的設(shè)計(jì)；下橡膠墊受力大，因此剛度也適當(dāng)大于上橡膠墊，從而保證每個(gè)橡膠墊受力與剛度呈一定比例，實(shí)現(xiàn)上、下橡膠墊等應(yīng)變，避免出現(xiàn)下橡膠墊過(guò)早破壞的現(xiàn)象。由表2可知，在50 k N軸向載荷下，老產(chǎn)品上、橡膠墊橡膠應(yīng)變分別為1.6和2.16，而新產(chǎn)品上、下橡膠墊橡膠應(yīng)變分別為0.86和0.9?？梢钥闯觯庐a(chǎn)品上、下橡膠墊橡膠應(yīng)變趨于一致。

表2 新老產(chǎn)品橡膠硬度和軸向剛度對(duì)比

（3）優(yōu)化橡膠自由面，降低應(yīng)力集中。新的設(shè)計(jì)將老產(chǎn)品的橡膠自由面平面輪廓改為內(nèi)凹式曲面輪廓，這種結(jié)構(gòu)給了橡膠在產(chǎn)品承載時(shí)發(fā)生變形而鼓出的空間，因而不會(huì)出現(xiàn)橡膠反包金屬骨架的現(xiàn)象，有利于降低橡膠局部應(yīng)力應(yīng)變。圖6是新產(chǎn)品在50 k N軸向載荷下的應(yīng)力云圖，表3是新老產(chǎn)品橡膠最大應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)比。

圖6 新產(chǎn)品中橡膠的模擬應(yīng)力、應(yīng)變情況

表3 新老產(chǎn)品橡膠應(yīng)力對(duì)比 MPa

可以看出，相比老產(chǎn)品，新產(chǎn)品的橡膠變形較為合理、平緩，橡膠最大應(yīng)力明顯降低。

4.2 橡膠材料選擇

選用抗蠕變性能更好的異戊橡膠，降低產(chǎn)品永久變形，提高壽命期內(nèi)性能穩(wěn)定性。

時(shí)代新材近些年開(kāi)發(fā)了一種采用原位接枝技術(shù)的異戊橡膠。與以往普通的天然橡膠相比，這種橡膠材料能降低蠕變量50%以上。即便與世界先進(jìn)供應(yīng)商相比，用異戊橡膠配方制成的產(chǎn)品在蠕變性能方面也有明顯的優(yōu)勢(shì)。圖7所示就是時(shí)代新材采用該種橡膠做成的一系圓錐形彈簧與歐洲某供應(yīng)商產(chǎn)品的蠕變測(cè)試對(duì)比結(jié)果?？梢钥闯?，時(shí)代新材產(chǎn)品的蠕變量只有歐洲產(chǎn)品的50%左右，且蠕變過(guò)程更加穩(wěn)定。

圖7 時(shí)代新材異戊橡膠產(chǎn)品與國(guó)外某供應(yīng)商產(chǎn)品蠕變性能對(duì)比

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

筆者對(duì)新老產(chǎn)品在靜態(tài)剛度、應(yīng)力松弛和疲勞三方面性能進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，采用新的結(jié)構(gòu)和橡膠材料后，新產(chǎn)品靜態(tài)剛度滿足原技術(shù)要求，應(yīng)力松弛和疲勞性能遠(yuǎn)優(yōu)于老產(chǎn)品。

5.1 靜態(tài)剛度

表4是新產(chǎn)品某次試制的結(jié)果，可以看出，上、下橡膠墊的組合軸向剛度滿足技術(shù)要求，與表2的分析結(jié)果基本一致。

表4 新產(chǎn)品靜態(tài)軸向剛度試驗(yàn)結(jié)果

5.2 應(yīng)力松弛

表5是新老產(chǎn)品應(yīng)力松弛試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果，可以看出，老產(chǎn)品載荷在7天時(shí)間內(nèi)變化5 k N，且繼續(xù)下降的趨勢(shì)較為明顯；而新產(chǎn)品載荷最大變化為2.5 k N，只有老產(chǎn)品的50%，且后續(xù)變化趨勢(shì)較為平緩，與老產(chǎn)品相比也有明顯的優(yōu)勢(shì)。

表5 應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果

5.3 疲勞試驗(yàn)

5.3.1 疲勞前后軸向剛度變化

表6是新老產(chǎn)品在相同疲勞條件下的軸向剛度變化對(duì)比，在150萬(wàn)次疲勞條件下，新產(chǎn)品軸向剛度變化率僅為1%，而老產(chǎn)品軸向剛度變化達(dá)到了24.5%。

表6 疲勞試驗(yàn)前后軸向剛度變化

5.3.2 疲勞前后產(chǎn)品高度變化（永久變形）

表7是新、老產(chǎn)品的上、下橡膠墊在疲勞150萬(wàn)次后產(chǎn)品高度變化情況：老產(chǎn)品的高度變化較大，且在金屬與橡膠粘結(jié)處出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，與產(chǎn)品使用過(guò)程中出現(xiàn)的破壞形式一致；而新產(chǎn)品疲勞后高度僅微小變化，且橡膠表面無(wú)任何損壞現(xiàn)象出現(xiàn)。

表7 疲勞試驗(yàn)前后高度變化情況

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)上、下橡膠墊結(jié)構(gòu)和橡膠自由面進(jìn)行了優(yōu)化，選用蠕變性能更好的異戊橡膠后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，新的電機(jī)支撐梁橡膠墊能夠滿足要求的靜態(tài)軸向剛度，且在永久變形和疲勞性能方面均遠(yuǎn)優(yōu)于老產(chǎn)品。

［1］ 戴煥云.直線電機(jī)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式研究［J］.內(nèi)燃機(jī)車，2008（12）：1.

［2］ 戶原春彥.防震橡膠及其應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1982.