孫海燕， 蘭加標(biāo)， 馮萬盛， 林 勝， 榮繼綱

(株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007)

軌道車輛的發(fā)展，環(huán)境友好性的要求日益成為主導(dǎo)，車輛對于軌道的磨耗越來越被重視。車輛制造商在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架時(shí)，追求既可以滿足車輛的高承載能力，又盡可能將轉(zhuǎn)向架自重降低，從而降低車輛對軌道的磨耗，以達(dá)到整個(gè)軌道系統(tǒng)壽命周期成本(LCC)的最優(yōu)化。

針對這一發(fā)展趨勢，筆者介紹一種輕便的二系縱向牽引橡膠裝置。轉(zhuǎn)向架的牽引裝置是連接轉(zhuǎn)向架構(gòu)架與車體并傳遞牽引力與制動(dòng)力的重要部件，機(jī)車車輛的牽引方式多種多樣，包括單拉桿牽引、雙平桿牽引、雙側(cè)拉桿牽引和牽引橡膠堆等[1]。

介紹的牽引裝置可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的牽引拉桿裝置或者浮動(dòng)牽引系統(tǒng)(雙平桿牽引、雙側(cè)拉桿牽引和牽引橡膠堆形式)，提供車輛所需的牽引力和制動(dòng)力，同時(shí)該橡膠牽引裝置結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)牽引裝置同樣的功能，傳遞車輛的牽引力和制動(dòng)力，并提供柔性連接和吸收二系懸掛產(chǎn)生的振動(dòng)，且設(shè)計(jì)壽命期為12年，壽命期內(nèi)免維護(hù)，極大降低了車輛的維護(hù)成本。

1 二系牽引裝置的常見形式及其承載特性

二系牽引裝置常見的形式有牽引中心銷裝置與兩根牽引拉桿形成的Z形浮動(dòng)牽引裝置、單牽引拉桿裝置以及牽引中心銷裝置與牽引橡膠堆組成的牽引裝置。

1.1 Z形浮動(dòng)牽引裝置

Z形浮動(dòng)牽引裝置由牽引中心銷裝置和牽引拉桿裝置兩個(gè)相互獨(dú)立的部分組成[2]，包括金屬部件和橡膠球鉸，由橡膠球鉸提供縱向承載和柔性連接。此種牽引裝置質(zhì)量大，整個(gè)牽引系統(tǒng)一般質(zhì)量為60 kg。整個(gè)牽引系統(tǒng)的縱向剛度性能是一條非線性的曲線[1]，如圖2，為實(shí)現(xiàn)非線性要求，牽引中心銷橡膠球鉸以及牽引桿橡膠球鉸需要進(jìn)行空實(shí)向設(shè)計(jì)，即在橡膠體上增加開孔設(shè)計(jì)，而開孔處應(yīng)力應(yīng)變水平較高，為薄弱處，容易產(chǎn)生疲勞問題，而球鉸制造過程中出現(xiàn)的各種偏差，也容易出現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量問題[3]。

圖1 Z形浮動(dòng)牽引裝置示意圖

圖2 Z形浮動(dòng)牽引裝置的縱向剛度曲線

1.2 單牽引拉桿裝置

單牽引拉桿裝置由牽引拉桿和橡膠球鉸組成，一般質(zhì)量為30 kg，也要求變剛度設(shè)計(jì)，橡膠球鉸需進(jìn)行空實(shí)向設(shè)計(jì)，兩個(gè)橡膠球鉸需要承擔(dān)車輛的牽引/制動(dòng)載荷，及各方向的偏扭轉(zhuǎn)載荷，橡膠球鉸受載情況復(fù)雜，易出現(xiàn)疲勞失效，牽引球鉸的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作復(fù)雜。根據(jù)時(shí)代新材多年的牽引拉桿橡膠球鉸的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，此種牽引裝置中的橡膠球鉸受載情況最為惡劣，疲勞失效比例也最高，運(yùn)行過程中的維護(hù)費(fèi)用高。

圖3 單牽引拉桿組成

1.3 牽引中心銷與牽引橡膠堆組成的牽引系統(tǒng)

某些車輛的設(shè)計(jì)二系牽引裝置有牽引中心銷球鉸和牽引橡膠堆組成，包括金屬部件、橡膠球鉸和橡膠堆[4]，此種結(jié)構(gòu)可靠性高，變剛度特性不明顯，且整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量大，一般大于50 kg。

圖4 牽引中心銷和牽引橡膠堆組成的牽引系統(tǒng)

傳統(tǒng)的二系牽引裝置根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，滿足車輛動(dòng)力學(xué)性能的同時(shí)，普遍質(zhì)量大，橡膠球鉸的設(shè)計(jì)復(fù)雜，無法滿足車輛設(shè)計(jì)輕量化，磨耗小，環(huán)境友好日益迫切的要求。

2 技術(shù)要求

為滿足車輛設(shè)計(jì)輕量化的要求，彌補(bǔ)傳統(tǒng)牽引裝置的不足，介紹一種新型的牽引橡膠裝置，該牽引橡膠裝置既適用于干線車輛也適用于地鐵車輛，與金屬牽引中心銷配合，承擔(dān)傳遞車輛牽引力和制動(dòng)力的作用，同時(shí)提供合適的扭轉(zhuǎn)剛度以實(shí)現(xiàn)車輛良好的過彎道性能，滿足車輛動(dòng)力學(xué)性能所需的縱向牽引性能。

根據(jù)轉(zhuǎn)向架的設(shè)計(jì)，車輛二系牽引裝置需要非線性要求，小牽引載荷下提供柔性變形，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的動(dòng)力學(xué)性能及車輛的舒適度要求，而大牽引載荷下提供限位功能，保證行車的安全性。同時(shí)車輛行駛過程中橫向的附加力也將作用于牽引橡膠裝置上，這就需要牽引橡膠裝置有較小的橫向剛度或者特殊的設(shè)計(jì)減小橫向剛度，以減輕橫向附加力對整個(gè)二系懸掛的影響。根據(jù)轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能計(jì)算，牽引橡膠裝置的技術(shù)要求見圖6及表1。

1-牽引橡膠裝置；2-中心銷圖5 牽引橡膠裝置的安裝位置示意圖

3 新型牽引橡膠裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 新型牽引橡膠裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及承載特性分析

新型牽引橡膠裝置僅為安裝于中心銷兩側(cè)的橡膠彈簧，安裝簡便，結(jié)構(gòu)簡單，且質(zhì)量輕，兩個(gè)橡膠彈簧的總質(zhì)量僅為13 kg，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)牽引裝置的動(dòng)輒50 kg以上。由表1可知，為滿足新型牽引裝置的變剛度要求，及車輛過曲線時(shí)的偏擺要求，橡膠采用錐形結(jié)構(gòu)，并在產(chǎn)品上設(shè)計(jì)硬止擋，以實(shí)現(xiàn)車輛非線性的牽引動(dòng)力學(xué)性能。同時(shí)新型牽引橡膠裝置與中心銷的間隙僅為1～2 mm，鑒于各零部件的制造公差，新型牽引橡膠裝置在運(yùn)行過程中與中心銷基本屬于常接觸，同時(shí)為減小橫向附加力對牽引橡膠裝置造成的剪切影響，新型牽引橡膠裝置采用錐形橡膠結(jié)構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)有耐磨板，錐形橡膠結(jié)構(gòu)提供牽引橡膠裝置大的橫向剛度和垂向剛度(橫向剛度>2.5 kN/mm，常規(guī)產(chǎn)品僅為0.2～0.5 kN/mm)，耐磨板采用摩擦系數(shù)低且強(qiáng)度好的超高分子量聚乙烯(UHMW-PE),會(huì)使橡膠裝置在大位移下滑動(dòng)，雙重保證，以避免橡膠受大的剪切變形，從而提升了牽引橡膠裝置的疲勞壽命。

1-底板；2-橡膠；3-頂板；4-耐磨板。圖7 新型牽引橡膠裝置設(shè)計(jì)方案

由圖7可知，新型牽引橡膠裝置采用錐形橡膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)錐形橡膠套的計(jì)算方法，近似計(jì)算牽引橡膠裝置的40 kN之前(40 kN為牽引橡膠裝置的工作載荷，且為線性區(qū)域)的牽引剛度Ka=4.3 kN/mm。

l為錐形橡膠套平均長度，mm；

E,G為橡膠的楊氏彈性模數(shù)及剪切模數(shù)，N/mm2;

a為圓錐頂角之半(°)；

μ1為形狀系數(shù)，μ1=1+mS；

S為面積比，

m為系數(shù)，一般取1；

圖8 軸向剛度計(jì)算示意圖

3.2 有限元分析

為驗(yàn)證3.1所述的結(jié)構(gòu)滿足表1所示的載荷要求，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，F(xiàn)EA分析所用材料參數(shù)來源于株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司FEA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

3.2.1橡膠材料參數(shù)

橡膠部分采用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型進(jìn)行模擬，其本構(gòu)模型參數(shù)見表2，橡膠材料的機(jī)械性能參數(shù)見表3。

表2 Mooney-Rivlin參數(shù)

表3 橡膠材料的機(jī)械性能

3.2.2金屬材料參數(shù)

牽引橡膠裝置的頂板和底板采用Q345B的材料，材料特性參數(shù)見表4。

表4 金屬材料特性參數(shù)

3.2.3邊界條件

牽引橡膠裝置的有限元計(jì)算采用了如圖9所示的1/2網(wǎng)格模型，頂板和底板部分運(yùn)用C3D8R單元進(jìn)行模擬，頂板網(wǎng)格數(shù)量為5 518，底板3 198；橡膠部分運(yùn)用C3D8H單元進(jìn)行模擬，網(wǎng)格數(shù)量為8 430。

通過分析可知產(chǎn)品結(jié)構(gòu)能夠滿足剛度要求且能實(shí)現(xiàn)變剛度性能。橡膠在縱向最大載荷下的最大應(yīng)變?yōu)?03%，與橡膠扯斷伸長率555%比，應(yīng)變水平遠(yuǎn)低于橡膠扯斷伸長率；金屬的最大應(yīng)力為33.10 MPa遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于所選材料Q345B的屈服強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度≥325 MPa)。因此產(chǎn)品的可靠性能夠得到保證。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)牽引橡膠裝置使用位置及功能，對3.1所述的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.3.1靜態(tài)剛度試驗(yàn)

對靜態(tài)剛度的試驗(yàn)驗(yàn)證選擇某單位制造的CSS5300電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的縱向剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)的量程為0～100 kN，引伸計(jì)量程為0～5 mm，精度為示值的1%，如圖11、12。試驗(yàn)方法參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13913 鐵路應(yīng)用-橡膠懸掛部件-彈性體機(jī)械部件。剛度試驗(yàn)結(jié)果見表7。

圖9 新型牽引橡膠裝置有限元分析模型

項(xiàng)目工況條件技術(shù)要求計(jì)算結(jié)果縱向剛度/(kN·mm-1)0～30kN4±15%4.3>8mm>66.6橫向剛度/(kN·mm-1)6mm-10

圖10 縱向最大載荷50 kN & 偏擺最大角度5°下的應(yīng)力應(yīng)變云圖

序號(hào)項(xiàng)目1外觀及尺寸檢驗(yàn)2材料性能檢驗(yàn)(橡膠及金屬)3粘結(jié)試驗(yàn)4縱向剛度5橫向剛度6疲勞試驗(yàn)7摩擦試驗(yàn)

3.3.2摩擦試驗(yàn)

為驗(yàn)證牽引橡膠裝置的摩擦性能，對該產(chǎn)品進(jìn)行摩擦試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果見表8，可以看出牽引橡膠裝置在2.5 mm左右即已打滑，摩擦系數(shù)為0.09，滿足要求≤0.1。摩擦試驗(yàn)裝置見圖13，摩擦試驗(yàn)曲線見圖14。

3.3.3疲勞試驗(yàn)

為更好驗(yàn)證牽引橡膠裝置的可靠性，設(shè)計(jì)了與產(chǎn)品在車輛上安裝類似的試驗(yàn)工裝模擬產(chǎn)品實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)的載荷，以驗(yàn)證牽引橡膠裝置的可靠性，疲勞試驗(yàn)設(shè)計(jì)為偏擺疲勞試驗(yàn)。

偏擺疲勞試驗(yàn)原理是將牽引橡膠裝置固定于試驗(yàn)平臺(tái)上，通過一根擺桿加載軸向預(yù)載，模擬牽引橡膠裝置所承受的縱向牽引/制動(dòng)力，橫向油缸施加剪切位移，以模擬車輛通過曲線時(shí)產(chǎn)生的橫向位移，橡膠變形，使得牽引橡膠裝置承擔(dān)橫向位移及偏擺角度，如圖15所示。

根據(jù)表1的要求，某型轉(zhuǎn)向架用牽引橡膠裝置的12年疲勞壽命要求，轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)室可驗(yàn)證的疲勞試驗(yàn)條件為，縱向預(yù)載40 kN，偏擺動(dòng)態(tài)載荷±4°，需完成100萬次[6]。

完成100萬次偏擺疲勞試驗(yàn)后，牽引橡膠裝置外觀良好，且剛度變化率僅為8.68%，完全滿足牽引橡膠裝置12年的壽命要求。疲勞試驗(yàn)參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13913 鐵路應(yīng)用-橡膠懸掛部件-彈性體機(jī)械部件，疲勞試驗(yàn)橡膠表面溫度超過40℃時(shí)，采用降溫措施或者降低頻率。

表7 牽引橡膠裝置縱向剛度試驗(yàn)結(jié)果

圖11 牽引橡膠裝置縱向剛度試驗(yàn)

圖12 牽引橡膠裝置的縱向剛度曲線——試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對比

縱向載荷/kN橫向位移/mm打滑點(diǎn)/mm橫向載荷摩擦系數(shù)50±102.54.670.09

圖13 牽引橡膠裝置摩擦試驗(yàn)

圖14 牽引橡膠裝置摩擦試驗(yàn)曲線

圖15 偏擺疲勞試驗(yàn)原理圖

4 裝車驗(yàn)證

該牽引橡膠裝置開發(fā)成功后，即在英國 進(jìn)行了裝車試運(yùn)行，于2015年10月份開始試運(yùn)行，列車運(yùn)行速度100 km/h，目前已運(yùn)行1年時(shí)間，根據(jù)車輛的維護(hù)計(jì)劃，產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)良好，未有任何不良反饋，同時(shí)后續(xù)也會(huì)根據(jù)車輛的維護(hù)計(jì)劃定期進(jìn)行檢查維護(hù)，見圖16。

表9 偏擺疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖16 牽引橡膠裝置裝車示意圖

5 結(jié) 論

(1) 提出了一種輕便的牽引橡膠裝置，質(zhì)量只有傳統(tǒng)牽引裝置的一半，可以極大地降低車輛轉(zhuǎn)向架的整體質(zhì)量，降低車輛整體的磨耗。

(2) 該牽引橡膠裝置可以實(shí)現(xiàn)車輛牽引所需的變剛度要求，且同時(shí)滿足車輛的動(dòng)力學(xué)性能。該牽引橡膠裝置，采用錐形橡膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在頂部設(shè)計(jì)有摩擦板，且橫向剛度大，橡膠裝置在2.5 mm的橫向變形時(shí)即發(fā)生了滑動(dòng)，保護(hù)了牽引橡膠裝置免受大變形的剪切力，提高了牽引橡膠裝置的可靠性，從而可降低產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期成本(LCC)。

(3) 文中研究的這種牽引橡膠裝置，結(jié)構(gòu)簡單，為軌道交通車輛二系牽引系統(tǒng)提供了更輕、更經(jīng)濟(jì)的解決方案，可以廣泛應(yīng)用于各種輕軌、地鐵、有軌電車及高速列車上。

[1] 劉健勛，卜繼玲.軌道車輛轉(zhuǎn)向架橡膠彈性元件應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國鐵道出版社，2012.

[2] 嚴(yán)雋耄，傅茂海.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，2008.

[3] 孫海燕，馮萬盛，黃友劍，等.一款高速車牽引橡膠球鉸承載特性的研究[J].鐵道機(jī)車車輛，2012,32(2):46-48.

[4] 劉穎峰.上海1號(hào)線牽引橡膠堆研制報(bào)告[R].2006.

[5] 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.

[6] 蘭加標(biāo).縱向牽引橡膠裝置研制報(bào)告[R].2014.