魏延剛，李剛，王睿嘉，宋亞昕，宋海超，顧曉東

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.北京多邦匯科軌道車輛裝備技術(shù)有限公司，北京 101199)

0 引言

目前國內(nèi)外應(yīng)用的貨車緩沖器中，根據(jù)國標(biāo)TB/T1961- 2006《機(jī)車車輛緩沖器》的標(biāo)準(zhǔn)，按照緩沖吸能方式可以分為全鋼摩擦式緩沖器、橡膠緩沖器、彈性膠泥緩沖器、液壓緩沖器和組合緩沖器[1- 2].全鋼摩擦式緩沖器雖然能量吸收率高，容量大，但是其體積大，零件多，維修困難[3]；橡膠緩沖器只適用于載荷較小、緩沖容量不大的場合，而且橡膠易老化[4]；彈性膠泥緩沖器具有體積小、重量輕、容量大和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，但是其價格昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不太適合推廣使用；液壓式緩沖器也叫液氣緩沖器，其性能優(yōu)良，但是具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，密封要求高，需要經(jīng)常維護(hù)等缺點(diǎn).高分子彈性體(TPEE)緩沖器具有優(yōu)良的耐熱性能、抗老化性能和耐腐蝕性能，該高分子彈性體和橡膠相比，具有非常低的溫度敏感性，緩沖器的最大阻抗力高，吸振能力強(qiáng)，吸收效率高，容量大[5].能量吸收率是衡量緩沖器性能的重要的指標(biāo)[6]，而高分子彈性體緩沖器的能量吸收率只有70%左右，還不能完全達(dá)到現(xiàn)代機(jī)車車輛對緩沖器高能量吸收率的要求.為了獲得能量吸收率更高的緩沖器，本文提出了發(fā)明專利“一種高分子彈性體元件和金屬摩擦元件組合式緩沖器”[7]，這種組合式緩沖器有效地提高了緩沖器高能量吸收率[8].為了進(jìn)一步提高緩沖器高能量吸收率，在這種發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，又提出了一種新的發(fā)明專利“高分子彈性元件與楔形機(jī)構(gòu)組合緩沖器”[9]，本文所研究的是基于這一新發(fā)明專利的新型緩沖器，這種緩沖器的楔形摩擦機(jī)構(gòu)是多組串聯(lián)的楔形摩擦塊機(jī)構(gòu)，從而增加了其運(yùn)動產(chǎn)生摩擦所消耗的沖擊能量，顯著提高了緩沖器的能量吸收率.本文將介紹新型緩沖器的組成及設(shè)計原理，并利用有限元方法分別對一組、兩組串聯(lián)楔形摩擦機(jī)構(gòu)的型緩沖器的靜壓試驗(yàn)進(jìn)行仿真研究，證明這種新型緩沖器的能量吸收率更高，為新型緩沖器樣機(jī)的研制和開發(fā)提供指導(dǎo).

1 新型合緩沖器的結(jié)構(gòu)與原理

本文研究的緩沖器裝配關(guān)系示意圖如圖1所示,該新型緩沖器與原高分子彈性體緩沖器的主要區(qū)別在于增加了兩組串聯(lián)的楔形摩擦機(jī)構(gòu)，從而加大了楔塊與殼體內(nèi)壁的接觸面積，在壓塊受到軸向載荷的作用時，楔塊與殼體內(nèi)壁接觸部分產(chǎn)生摩擦，消耗更多的沖擊能量，所以，該新型緩沖器比現(xiàn)有組合緩沖器具有更高的能量吸收率.

圖1 新型緩沖器裝配關(guān)系示意圖

圖2 一組楔形機(jī)構(gòu)的徑向平面示意圖

圖2為一組楔形機(jī)構(gòu)受到軸向載荷時某一徑向平面的簡化示意圖.對圖中空心圓臺與楔形塊組的運(yùn)動過程進(jìn)行受力分析，根據(jù)機(jī)械原理，可以推導(dǎo)出該摩擦楔塊機(jī)構(gòu)效率為下式，

(1)

從而得到此緩沖器下行效率和能量損耗率1-η[10].

式中，η是楔塊機(jī)構(gòu)的下行效率,F1是楔形塊和空心圓臺之間存在摩擦?xí)r的實(shí)際情況下所需的驅(qū)動力，F(xiàn)10是當(dāng)空心圓臺和楔形塊之間不存在摩擦?xí)r的理想情況下所需的驅(qū)動力，α是楔塊楔形角，φ是摩擦角，φ=arctanμ，μ是楔形塊和殼體內(nèi)腔之間的摩擦系數(shù).

一般情況下，鋼與鋼之間的摩擦系數(shù)μ取0.15，故φ=arctan0.15=10°，摩擦系數(shù)確定后楔塊下行效率只與α有關(guān).經(jīng)過理論的計算得出，隨著楔形角的增大，下行效率逐漸減小，也就是說楔形機(jī)構(gòu)消耗的能量越來越多，緩沖器的容量越大，但是綜合考慮到楔形角對緩沖器機(jī)構(gòu)中主要零件強(qiáng)度的影響，經(jīng)過分析后取楔形角為55°比較合理，此時一組楔形機(jī)構(gòu)的效率為82%，能量消耗率為18%，則兩組串聯(lián)的楔形機(jī)構(gòu)的效率為67.2%，能量消耗率為32.7%.

2 新型緩沖器的有限元靜壓試驗(yàn)仿真

根據(jù)鐵道部標(biāo)準(zhǔn)TB/T1961- 2006《機(jī)車車輛緩沖器》對緩沖器靜壓試驗(yàn)的要求，通過應(yīng)用有限元法，對新型緩沖器分別采用一組和二組楔形機(jī)構(gòu)時，進(jìn)行靜壓試驗(yàn)的有限元仿真，驗(yàn)證這個結(jié)論的正確性，在這兩種新型緩沖器具有相同的行程情況下對比分析能量吸收率和主要零件的應(yīng)力.

2.1 有限元建模

由于該緩沖器的幾何結(jié)構(gòu)具有對稱性，為減少計算量，提高計算效率，取緩沖器的1/4建模，有限元模型網(wǎng)格圖如圖3所示，為了保證計算精度，同時盡量減少運(yùn)算時間，網(wǎng)格劃分時，對于接觸區(qū)域適當(dāng)加大網(wǎng)格密度，非接觸的區(qū)域和應(yīng)力較小區(qū)域適當(dāng)減小網(wǎng)格密度.對于模型中的鋼件，設(shè)其彈性模量為210 000 N/mm2，泊松比為0.3，在定義TPEE的材料屬性時，使用的是TPEE壓縮試驗(yàn)修正后的數(shù)據(jù)[11]，以此來保證靜壓仿真結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.同時正確、合理的設(shè)置邊界條件.仿真過程是對壓塊6施加122 mm的位移.

(a) 一組楔形機(jī)構(gòu) (b) 兩組楔形機(jī)構(gòu)

2.2 摩擦損耗率分析

有限元靜壓試驗(yàn)仿真，可得到相關(guān)的能量輸出值，表1是壓塊施加122 mm的位移后的各能量值.通過讀取仿真結(jié)果和計算可得出，只有一組楔形機(jī)構(gòu)時摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率是約18.8%，有兩組楔形機(jī)構(gòu)時摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率是約31.8%，同時可以看出外力做的功逐漸增加.

表1 靜壓試驗(yàn)仿真數(shù)據(jù)

另外，從靜壓試驗(yàn)仿真的結(jié)果中，可以讀取緩沖器受載時，壓縮的位移與該位移對應(yīng)的阻抗力，由于篇幅有限，只取了一部分?jǐn)?shù)據(jù)，見表2，且可以畫出位移與阻抗力的曲線，如圖4.

圖4 兩種緩沖器靜壓曲線圖

2.3 主要零件等效應(yīng)力分析與對比

分別在兩種新型緩沖器達(dá)到最大位移122 mm時，對其等效應(yīng)力云圖進(jìn)行對比分析.兩種新型緩沖器殼體等效應(yīng)力云圖如圖5所示.從圖中可以看出一組的最大等效應(yīng)力為235.9 MPa，兩組的最大等效應(yīng)力為270.1 MPa，呈逐漸增大的趨勢，且都滿足材料的強(qiáng)度要求.兩種殼體的最大等效應(yīng)力都發(fā)生在楔形塊與殼體的接觸區(qū)域，另外在接觸區(qū)域上可以明顯看出等效應(yīng)力最大的區(qū)域發(fā)生在接觸區(qū)域的上半邊緣部分，且集中在兩邊.

(a) 一組(b) 兩組

如圖6為兩種新型緩沖器的楔塊等效應(yīng)力云圖.從圖中可以看出一組楔形塊的最大等效應(yīng)力為420.9 MPa，兩組楔形塊的最大等效應(yīng)力為431.1 MPa，呈逐漸增大的趨勢，且都滿足材料的強(qiáng)度要求.兩種楔形塊的最大等效應(yīng)力都發(fā)生在楔形塊與空心圓臺的接觸邊緣處，有明顯的應(yīng)力集中帶，這是由于楔形塊與空心圓臺接觸的邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的，所以在楔形塊邊緣可通過倒圓角來減小應(yīng)力集中.

(a) 一組(b) 兩組

如圖7為兩種新型緩沖器的空心圓臺等效應(yīng)力云圖.從圖中可以看出一組的最大等效應(yīng)力為435.7 MPa，兩組的最大等效應(yīng)力為446.6 MPa，呈逐漸增大的趨勢，且都滿足材料的強(qiáng)度要求.兩種空心圓臺的最大應(yīng)力都發(fā)生在楔形塊與空心圓臺接觸的下側(cè)邊緣處，這也是由于楔形塊與空心圓臺接觸的邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中的現(xiàn)象，同理在空心圓臺下側(cè)邊緣處也可通過倒圓角來減小應(yīng)力集中.

(a) 一組(b) 兩組

3 結(jié)論

對新型緩沖器分別采用一組和二組楔形機(jī)構(gòu)的靜壓試驗(yàn)仿真，從仿真結(jié)果中可以得出楔形機(jī)構(gòu)組數(shù)越多，外力做的功越多，并且摩擦消耗的能量占總能量的比例越多，通過對比，理論計算結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致.只有一組楔形機(jī)構(gòu)時緩沖器摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率是約18.8%，有兩組楔形機(jī)構(gòu)時緩沖器摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率是約31.8%，一組楔形機(jī)構(gòu)和兩組楔形機(jī)構(gòu)的新型緩沖器楔形機(jī)構(gòu)摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率都大于原組合式緩沖器摩擦損耗產(chǎn)生的能量消耗率約15%[8].通過比較兩種緩沖器受載時的靜壓曲線，可以看出第二條曲線與橫坐標(biāo)所圍成的面積比第一條曲線與橫坐標(biāo)圍成的面積大，即第二種緩沖器比第一種緩沖器承受的沖擊能量更多.從仿真結(jié)果的等效應(yīng)力云圖中看出，主要零件的最大等效應(yīng)力都有所增加，但是第二種緩沖器比第一種緩沖器的能量吸收率提高了13%，且主要零件的等效應(yīng)力滿足材料的強(qiáng)度要求.