史華盛

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240

抗側(cè)滾扭桿支座的疲勞特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

史華盛

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240

抗側(cè)滾扭桿是軌道車輛轉(zhuǎn)向架上與空氣彈簧協(xié)同工作，彌補(bǔ)空氣彈簧抗側(cè)滾剛度不足，減小車體柔性系數(shù)的重要裝置部件。其主要由扭桿、扭臂、拉壓桿和鉸接元件組成。其中的支撐座是安裝于轉(zhuǎn)向架或者車體，支撐扭桿的重要零件，其結(jié)構(gòu)多種多樣，疲勞壽命十分關(guān)鍵。本文使用計(jì)算機(jī)仿真軟件ANSYS WORKBENCH 15.0對(duì)支撐座的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真，預(yù)測(cè)其疲勞壽命和失效模式，并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料對(duì)壽命的影響作用。最后對(duì)支撐座結(jié)構(gòu)作優(yōu)化設(shè)計(jì)，并制作實(shí)際樣品進(jìn)行工況試驗(yàn)，驗(yàn)證其效果是否符合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

抗側(cè)滾扭桿 支撐座 疲勞壽命 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，車輛的運(yùn)行速度不斷提高，對(duì)車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性和舒適性提出了更高的要求?？諝鈴椈傻氖褂么蟠笤黾恿塑圀w的柔性，其特點(diǎn)是低剛度、徑向變形能力強(qiáng)、高度不隨載荷變化。[1][2]但其也有一定的缺點(diǎn)，就是它在柔性系數(shù)增大的同時(shí)，也降低了它的抗側(cè)滾剛度，加大了其側(cè)滾角，同樣的載荷情況下，有更高的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)。因此，抗側(cè)滾扭桿可以大大提高其抗側(cè)滾剛度，減小其側(cè)滾角，同樣載荷情況小，較小了它的側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)?？箓?cè)滾扭桿是由扭桿、扭臂、拉壓桿和鉸接元件組成的部件。支撐座是支撐扭桿的重要零件，它一般由橡膠襯墊和金屬底座組成，結(jié)構(gòu)和功能基本和軸承類似，一般要求使用壽命10年，疲勞壽命N要求2×106次。

1 支撐座的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

支撐座一般是由橡膠襯墊與金屬底座一起硫化成型，如圖1左圖所示。也有使用石墨與金屬銅相結(jié)合制成，如圖1右圖所示。圖1左圖的某個(gè)典型結(jié)構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖1 支撐座結(jié)構(gòu)外觀圖

Fig.1 the structure of the supporting seat

圖2 支撐座結(jié)構(gòu)圖

其結(jié)構(gòu)由內(nèi)層的橡膠襯墊和外殼金屬組合而成，1為上支撐座，2為金屬襯墊，3為下支撐座，4為橡膠襯墊。1和3使用螺栓相連接，2作為對(duì)4的強(qiáng)度加強(qiáng)，2的厚度只有1.6 mm，有一定彈性。2存在的好處在于，它保持了橡膠材料的形狀，抵抗了一部分扭桿軸上由彎矩產(chǎn)生的縱向變形，一般采用高溫硫化，將橡膠材料和金屬零件很好結(jié)合在一起。為了使兩種材料能很好的結(jié)合，在對(duì)其進(jìn)行硫化成型以前，需要對(duì)金屬零件表面作特殊處理，然后涂敷特殊粘合劑，保證最終材料之間的結(jié)合力大于橡膠材料內(nèi)部被扯斷所需要的力。

軸承座的工作原理正如圖3所示，它是支撐主扭桿的主體部分，安裝于轉(zhuǎn)向架或者車體上。它有一定的扭轉(zhuǎn)剛度，但它的扭轉(zhuǎn)剛度只占抗側(cè)滾扭桿整體抗側(cè)滾剛度的很小一部分，可以被忽略。這在之后的試驗(yàn)中可以被驗(yàn)證。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其軸向(Y向)扭轉(zhuǎn)剛度小于33 N·m/°，繞X軸和Z軸的偏轉(zhuǎn)剛度小于375 N·m/°，而其Z向剛度240 kN/mm±25%，X向剛度大于100 kN/mm，Y向剛度2.5 kN/mm±25%。而根據(jù)軌道車輛相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，橡膠鉸接元件的疲勞壽命都要達(dá)到10年使用期或者疲勞壽命兩百萬次。

圖3 支撐座工作原理圖和典型客車動(dòng)力轉(zhuǎn)向機(jī)啊構(gòu)架組成圖

2 橡膠材料疲勞特性的研究

橡膠材料疲勞特性的研究在世界范圍內(nèi)也是擁有很多成果。普遍認(rèn)為，橡膠元件的疲勞壽命由裂紋萌生疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展疲勞壽命兩部分組成。[3][4]裂紋萌生疲勞壽命定義為試件表明從無裂紋到有一定尺寸的裂紋(通常為1mm)時(shí)的循環(huán)次數(shù)。裂紋擴(kuò)展的疲勞壽命為裂紋從一定值(通常為1mm)到斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)。

在疲勞分析過程中一般使用應(yīng)力循環(huán)來描述構(gòu)件所受到的疲勞載荷，一般用應(yīng)力比R來表示各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系為:

(1)

σmax：最大應(yīng)力

σmin：最小應(yīng)力

研究表明，橡膠裂紋萌生疲勞壽命達(dá)到橡膠材料總的疲勞壽命的95%，因此預(yù)測(cè)出橡膠材料的裂紋萌生的疲勞壽命顯得十分關(guān)鍵。

裂紋萌生形成方法是一種研究橡膠材料疲勞特性的一種方法。[5]2004年，研究者Kim等人，在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置疲勞壽命的單軸試驗(yàn)中，利用最大格林-拉格朗日應(yīng)變(應(yīng)變能密度)預(yù)測(cè)公式預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)懸置的疲勞壽命。其中天然橡膠材料的疲勞壽命是由啞鈴型橡膠試柱試驗(yàn)得出的。具體公式如下：

(2)

εGL,max：最大應(yīng)變，單位mm/mm

Nf：壽命，單位循環(huán)次

2009年有人利用最大全應(yīng)變參數(shù)來預(yù)測(cè)橡膠懸置的疲勞壽命，其公式如下，其中C、K均為材料常數(shù)，其它代號(hào)見公式(2)。

(3)

3 支撐座的基于ANSYS的疲勞壽命預(yù)測(cè)

模型的建立是在Solidworks中進(jìn)行的。在ANSYS軟件中建立新項(xiàng)目文件，靜應(yīng)力分析項(xiàng)目1。在項(xiàng)目文件中添加材料庫中的材料，材料種類為彈性體樣本(Mooney-Rivlin)，不修改其屬性。網(wǎng)格化設(shè)置采用默認(rèn)值，具體結(jié)果如上圖4。

圖4 支撐座網(wǎng)格化結(jié)果圖

分析結(jié)構(gòu)樹設(shè)置三個(gè)工況，具體見下表1。

表1 支撐座強(qiáng)制位移參數(shù)設(shè)置表

以下圖5分別為支撐座有限元分析工況1得到的應(yīng)變?cè)茍D。

圖5 支撐座工況1的應(yīng)變?cè)茍D

以下圖6分別為支撐座有限元分析工況1的得到的應(yīng)力云圖。

圖6 支撐座工況1的應(yīng)力云圖

根據(jù)分析得到的結(jié)果可以看出，當(dāng)零件扭轉(zhuǎn)角度5.5°，縱向位移量2 mm時(shí)，零件最大應(yīng)變?yōu)?.83，零件最大應(yīng)力為2.5 MPa；當(dāng)零件扭轉(zhuǎn)角度增加到6.6°，位移量增加到3 mm時(shí)，零件局部最大應(yīng)變量0.91，零件受到的局部最大應(yīng)力5.5 MPa；而當(dāng)零件扭轉(zhuǎn)角度減小到7.7°，位移量為4 mm時(shí)，零件局部最大應(yīng)變量1.12，材料所受局部最大應(yīng)力18.8 MPa。

實(shí)際情況中，車身在發(fā)生側(cè)滾時(shí)對(duì)扭桿軸在產(chǎn)生扭矩的時(shí)候還會(huì)產(chǎn)生一定的彎矩，這一彎矩被扭桿軸本身的抗彎曲轉(zhuǎn)矩所克服，所以扭桿在工作的時(shí)候?qū)嵸|(zhì)上還會(huì)產(chǎn)生一定的縱向(Z)向變形，對(duì)支撐座產(chǎn)生不小的擠壓變形，這一變形量是反復(fù)變化的，對(duì)于橡膠材料產(chǎn)生了很大的疲勞損傷，而且實(shí)際工況比較惡劣，長(zhǎng)時(shí)間的溫度、適度反復(fù)變化，更加劇了疲勞損傷的萌生和發(fā)展。

4 支撐座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖2所示，原先結(jié)構(gòu)中零件2存在的好處在于，它保持了橡膠材料的形狀，分散了一部分扭桿軸上由彎矩產(chǎn)生的縱向變形，使其結(jié)構(gòu)應(yīng)變分布得更均勻。但其存在的弊端也很明顯，它破壞了橡膠材料的整體性，增加了接近扭桿軸的橡膠材料所受到的應(yīng)力，增加了它的應(yīng)變。

再者，橡膠材料與其它介質(zhì)的接觸面積的減小，也能提高零件的疲勞壽命。有研究表明，橡膠材料的表介面越大，氧化變?cè)礁?，橡膠材料與金屬材料在硫化前，中間要涂敷增加結(jié)合力的粘合劑，這在很大程度上使得橡膠材料老化的更快，這降低零件的疲勞壽命。

如前幾章所述，扭桿支撐座的疲勞壽命關(guān)鍵是看其中主要承載零件橡膠襯墊的疲勞壽命，所以對(duì)橡膠襯墊的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。以下就是對(duì)支撐座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果。

如圖7所示，新支撐座由上支撐座、下支撐座和橡膠襯墊組成。上支撐座和下支撐座用螺栓相連接，橡膠襯墊采用硫化工藝和支撐座相結(jié)合，硫化前涂敷固化粘合劑，使其結(jié)合強(qiáng)度加強(qiáng)，將原先僅1.6 mm的鋼片去除后，不增加橡膠襯墊的厚度，因此，支撐座的扭轉(zhuǎn)剛度幾乎沒有改變。但其垂向剛度有所減小。應(yīng)力和應(yīng)變分析表明，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，其最大應(yīng)變和應(yīng)力都變小了，從這一點(diǎn)上也可以提高零部件總體的疲勞壽命。

圖7 支撐座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

如圖8所示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的支撐座的Ansys仿真，做了遠(yuǎn)程位移分析，同時(shí)設(shè)置了扭轉(zhuǎn)位移和縱向位移，其位移量和前一種結(jié)構(gòu)的一致，其橡膠總厚度與之前結(jié)構(gòu)中的厚度基本一致，前后應(yīng)力對(duì)比可知在零件尺寸基本不變的情況下，應(yīng)力分布更加均勻，最大應(yīng)力和最大應(yīng)變都比原來的數(shù)值更小。比較其在扭轉(zhuǎn)7.7°，縱向位移4 mm的情況，后者的局部最大應(yīng)變量比前者的減小了58%，所受到的最大應(yīng)力減小了90%?？梢姼倪M(jìn)設(shè)計(jì)的零件在疲勞壽命方面得到了加強(qiáng)。通過前文所引用的公式(2)計(jì)算，假設(shè)此處仿真的氯丁橡膠的應(yīng)力應(yīng)變特性(ε-σ)和天然橡膠材料的基本一致，那么，在這樣的工作應(yīng)力范圍內(nèi)的應(yīng)變量增加10%，就會(huì)大大降低橡膠材料的疲勞壽命，使其降低50%，根據(jù)天然橡膠的疲勞壽命經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到新設(shè)計(jì)支撐座的疲勞壽命比原來支撐座的疲勞壽命延長(zhǎng)了1000倍。

圖8 新支撐座扭轉(zhuǎn)5.5°(左)、6.6°(中)和7.7°(右)的應(yīng)變?cè)茍D

5 扭桿支撐座的疲勞試驗(yàn)方法與設(shè)備

其各向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和偏轉(zhuǎn)剛度的實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)備簡(jiǎn)單介紹如下圖10所示。

圖10中從左至右分別為扭桿支撐座的Z向剛度，X向剛度，Y向剛度。測(cè)試結(jié)果分別為200 kN/mm，110 kN/mm，2.87 kN/mm。靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度在如圖11的扭桿疲勞試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，力矩680 N· m，扭轉(zhuǎn)角14.83°，測(cè)得的扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果是28 N·m/°。該試驗(yàn)結(jié)果也證明了橡膠支撐座的扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)與抗側(cè)滾扭桿的扭轉(zhuǎn)剛度幾乎可以忽略不計(jì)。以上實(shí)驗(yàn)均按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施，而其實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在要求范圍以內(nèi)，所以可以繼續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

圖10 支撐座剛度試驗(yàn)示意圖

Fig.10 schematic diagram of the support stiffness test

該項(xiàng)試驗(yàn)可在如圖11的橡膠疲勞試驗(yàn)機(jī)上單獨(dú)進(jìn)行，也可與扭桿疲勞特性試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，如圖12所示。

圖11 橡膠元件疲勞試驗(yàn)機(jī)

圖12 支撐座疲勞試驗(yàn)示意圖

對(duì)組裝好的扭桿支撐座施加隨時(shí)間變化的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷，該載荷由徑向載荷和扭轉(zhuǎn)變形載荷組成。徑向載荷有準(zhǔn)靜態(tài)的Fq和動(dòng)態(tài)的Fd，扭轉(zhuǎn)變形有靜態(tài)變形角度Φq和動(dòng)態(tài)變形角度Φd。試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照NF EN13913[7]的要求執(zhí)行，實(shí)驗(yàn)方法也按照該標(biāo)準(zhǔn)中附錄B的B.3條(見附錄)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果情況如是，總循環(huán)次數(shù)106次，F(xiàn)q=0,Fd=±20.6KN，Φq=±25.0°，施加載荷的頻率在標(biāo)準(zhǔn)室溫的情況下(40℃以下)為1.8 Hz. 疲勞應(yīng)力循環(huán)實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)支撐座進(jìn)行各向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的測(cè)試，其測(cè)試值的與初始值的變化不大于15%，并且零件的各部分材料沒有脫落，橡膠材料沒有開裂、凸起或凹陷。

6 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

按照以上技術(shù)要求和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和大量數(shù)據(jù)的積累，可以說明扭桿支撐座在整個(gè)扭桿系統(tǒng)當(dāng)中的疲勞壽命表現(xiàn)得到了驗(yàn)證，就像橡膠原材料疲勞試驗(yàn)中其所受載荷和其疲勞壽命的產(chǎn)生了關(guān)系，扭桿支撐座其所受扭矩和扭桿支撐座的疲勞壽命也產(chǎn)生了聯(lián)系。其應(yīng)變是扭轉(zhuǎn)應(yīng)變和壓縮拉伸的合成應(yīng)變，應(yīng)變量越小，所受應(yīng)力越小，材料疲勞壽命相應(yīng)越長(zhǎng)；應(yīng)變量越大，所受應(yīng)力越大，材料疲勞壽命越短。這采用了最大全應(yīng)變參量，可以預(yù)測(cè)零部件的疲勞壽命。這些實(shí)驗(yàn)再結(jié)合文獻(xiàn)[6]中所做的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是相當(dāng)有用，具有一定的普遍意義。理論研究的方法和經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但同時(shí)也反應(yīng)出，具體到某個(gè)行業(yè)，某個(gè)產(chǎn)品零部件，對(duì)其進(jìn)行疲勞特性的研究還要制定完備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)其疲勞壽命的預(yù)測(cè)還要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，需要花費(fèi)一定的精力和時(shí)間。

[1] 嚴(yán)雋髦．車輛工程[M]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2008．

[2] 劉增華，李 芾，黃運(yùn)華．空氣彈簧及其在軌道車輛上的應(yīng)用[J]．電力機(jī)車與城軌車輛，2003，26(6)：24-27．

[3] Mars W.V., Fatemi A. A literature survey on fatigue analysis approaches for rubber[J].International Journal of Fatigue,2002,24 (2002)(12).

[4] Andre N Cailletaud G, Piques R. Haigh diagram for fatigue crack initiation prediction ofnatural rubber components[J]. Kautschuk Und Gummi Kunstoffe, 1999, 52 (120-123).

[5] MARS W. V. Factors That Affect the Fatigue Life of Rubber:A Literature Survey[J].Rubber chemistry and technology,2004,76(391-412).

[6] Kim W. D., a H. J. Lee, a J. Y. Kim, et al. Fatigue life estimation of an engine rubbermount[J]. International Journal of Fatigue,2004,26 (553-560).

[7] BSI.EN 13913-2003.Railway application-Rubber suspesion components Elastomer based mechanical parts. London:BSI.2003.

Fatigue Characteristics and Structural Optimization Design of Anti Roll torsion Bar Support

ShiHuasheng

(SchoolofMechanicalEngineering，ShanghaiJiaoTongUniversity，Shanghai200240)

The anti roll bar is an important device part of the rail vehicle bogie that works with the air spring to compensate for the lack of lateral stiffness of the air spring and reduce the flexibility factor of the vehicle body. It consists mainly of a torsion bar, a torsion arm, a tension and compression bar and an articulated component. The supporting seat is an important part which is installed on the bogie or car body and supports the torsion bar. Its structure is varied, and the fatigue life is very critical. In this paper, the computer simulation software ANSYS WORKBENCH 15 is used to simulate the structure of the support seat, predict the fatigue life and failure mode, and analyze the influence of the structural parameters and the material on the service life. Finally, the supporting seat structure is optimized, and the actual sample is worked out to test whether the effect conforms to the optimization design.

Anti roll torsion bar Supporting seat Fatigue life Optimization design

1006-8244(2017)02-030-06

史華盛

U270.32

B