張慶爽, 趙 鵬， 韓海山

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081； 2 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司， 北京 100094)

城市軌道交通車(chē)輛用制動(dòng)夾鉗單元在檢修過(guò)程中發(fā)現(xiàn)夾鉗臂軸承部分存在不同程度的因進(jìn)水生銹及所涂抹油脂變質(zhì)現(xiàn)象,這可能導(dǎo)致制動(dòng)夾鉗的制動(dòng)與緩解功能異常,嚴(yán)重時(shí)將影響車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全。

該制動(dòng)夾鉗單元轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處密封方式主要由轉(zhuǎn)軸保護(hù)蓋與密封圈配合的密封面組成。由于制動(dòng)夾鉗單元夾鉗臂與轉(zhuǎn)軸是一組相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)副，該軸承處的密封方式為非完全密封，其保護(hù)蓋與夾鉗臂之間存在一定的間隙，在長(zhǎng)期使用以及車(chē)輛高壓清洗過(guò)程中，水分容易從此間隙進(jìn)入轉(zhuǎn)軸內(nèi)部，導(dǎo)致軸承生銹，既有結(jié)構(gòu)密封圈防水效果較差。其次，地鐵車(chē)輛經(jīng)常處于當(dāng)?shù)厝諘裼炅艿穆短鞇毫庸r，加劇了制動(dòng)夾鉗單元轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處生銹的形成。

針對(duì)制動(dòng)夾鉗單元轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處在運(yùn)用過(guò)程反饋軸承生銹情況，需要對(duì)其防水功能改進(jìn)，對(duì)主要密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并經(jīng)可靠性驗(yàn)證通過(guò)后，確保制動(dòng)夾鉗單元具有可靠使用性能，這對(duì)于降低產(chǎn)品整體故障率和提高機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行安全性具有重要現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)，也可以降低運(yùn)用維護(hù)成本和不必要的人力、物力開(kāi)支。

1 密封圈結(jié)構(gòu)對(duì)比與優(yōu)化

為了適應(yīng)車(chē)輛維護(hù)及檢修作業(yè)中高壓水清洗的要求(圖3箭頭為高壓水流向)，優(yōu)化設(shè)計(jì)新型防護(hù)結(jié)構(gòu)的密封圈用于抑制外界水流進(jìn)入裝置內(nèi)軸承位置，保證軸承處于良好潤(rùn)滑狀態(tài)。

制動(dòng)夾鉗單元安裝于軌道交通車(chē)輛轉(zhuǎn)向架(見(jiàn)圖1)，圖2、圖3分別為制動(dòng)夾鉗單元轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的原防護(hù)結(jié)構(gòu)、新防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖，從中可以看出，與原結(jié)構(gòu)相比，新結(jié)構(gòu)密封圈分別增加圓周橡膠遮擋以及異形橡膠唇結(jié)構(gòu)，以用于遮擋和阻擋外來(lái)水流，阻塞泄漏通道，防止進(jìn)入裝置內(nèi)軸承位置，從而獲得密封效果提升。

圖1 軌道交通車(chē)輛及 制動(dòng)夾鉗單元

圖2 制動(dòng)夾鉗單元原防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

密封圈由金屬骨架及橡膠構(gòu)成，與原結(jié)構(gòu)相比，為提升密封圈外露橡膠部分耐老化、耐候性能，新結(jié)構(gòu)密封圈材質(zhì)由NBR變更為HNBR[1-2]，以更好的滿足運(yùn)用使用要求，分別如圖4、圖5所示。此外，金屬骨架材質(zhì)由鍍鋅碳鋼變更為不銹鋼，骨架不需要表面處理，以更好滿足密封圈在骨架外露使用工況條件下防腐要求。

圖3 制動(dòng)夾鉗單元 新防護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 密封圈原結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 密封圈新結(jié)構(gòu)示意圖

2 密封圈新結(jié)構(gòu)有限元分析

密封圈安裝后通過(guò)在唇口徑向方向產(chǎn)生一定程度的預(yù)壓縮，使其具備初始密封能力，并在系統(tǒng)壓力作用下產(chǎn)生密封力，與初始密封力合成為總密封力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)軸保護(hù)蓋和軸承接觸的密封。

本節(jié)對(duì)密封圈唇口密封性能進(jìn)行ABAQUS有限元分析仿真預(yù)測(cè)。

2.1 橡膠材料模型

橡膠硫化后分子呈網(wǎng)狀排布，具有超彈性、不可壓縮、大變形等特點(diǎn)，其應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系也表現(xiàn)出高度的非線性，描述其力學(xué)行為的本構(gòu)模型也極為復(fù)雜。工程上常用的橡膠本構(gòu)模型主要是Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型[3]。

Mooney-Rivlin本構(gòu)模型能夠較好地描述變形小于150%的橡膠材料的力學(xué)性能，其應(yīng)變能密度函數(shù)描述為：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中C10、C01為單軸拉伸試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)擬和而成的材料常數(shù)。

考慮密封圈的變形量以及本構(gòu)模型對(duì)其變形情況的預(yù)報(bào)能力，文中采用Mooney-Rivlin模型作為橡膠材料的本構(gòu)模型。

2.2 材料參數(shù)的確定

為得到Mooney-Rivlin模型的材料參數(shù)，按照GB/T 528-2009國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，對(duì)氫化丁腈橡膠(HNBR)進(jìn)行單軸拉伸試驗(yàn)，得到單軸拉伸模式下的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 單軸拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將單軸拉伸模式下測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元分析軟件中，與程序提供的單軸拉伸標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行擬合，擬合曲線如圖6所示。從中可以看出，橡膠材料在變形小于150%時(shí)，基于Mooney-Rivlin模型的單軸拉伸的標(biāo)準(zhǔn)擬合曲線與試驗(yàn)所得的單軸拉伸曲線數(shù)據(jù)吻合度好，因此，Mooney-Rivlin模型能夠較好地描述此橡膠結(jié)構(gòu)的變形行為。

圖6 單軸拉伸試驗(yàn)擬合曲線

經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得到的Mooney-Rivlin模型的材料參數(shù)如表2所示。

表2 擬合后的Mooney-Rivlin模型材料參數(shù)

2.3 有限元模型

考慮密封圈為軸對(duì)稱模型，因此對(duì)其軸對(duì)稱截面進(jìn)行分析(見(jiàn)圖7)：主體部分為橡膠，深灰顏色部分為金屬骨架。密封圈的網(wǎng)格劃分對(duì)于分析結(jié)果有著重要的影響，為得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，密封圈網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與掃掠網(wǎng)格相結(jié)合的方式，以掃掠網(wǎng)格為主，在較窄區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。橡膠單元采用4節(jié)點(diǎn)、雙線性、完全積分、常壓力雜交單元(CAX4H)，骨架單元采用4節(jié)點(diǎn)、雙線性、減縮積分單元(CAX4R)[4]。

圖7 密封圈有限元網(wǎng)格劃分

2.4 邊界條件定義

密封圈與剛性環(huán)、密封圈與定位圈之間的接觸類(lèi)型均為面面接觸，接觸屬性選項(xiàng)中定義切向?qū)傩?，摩擦公式選擇Penalty選項(xiàng)，剪應(yīng)力和彈性滑動(dòng)保持默認(rèn)值。法向?qū)傩詣t考慮接觸壓力與穿透之間的關(guān)系，并將設(shè)置選為Hard Contact選項(xiàng)。

對(duì)于密封性能的模擬，需要經(jīng)兩個(gè)分析步驟，首先通過(guò)移動(dòng)剛性環(huán)對(duì)密封圈進(jìn)行預(yù)壓縮，形成初始密封面；然后在密封面及上部面施加水壓(圖8中箭頭部位)，從而模擬在最?lèi)毫拥墓r下密封圈變形情況以及密封性能。

圖8 密封圈分析模型

2.5 有限元分析結(jié)果

當(dāng)初始預(yù)壓縮量為0.6 mm，介質(zhì)工作壓力為0.1 MPa時(shí)，初始預(yù)壓縮(P=0)與介質(zhì)壓力(P=0.1 MPa)下的密封圈截面等效應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9。從中可以看出，密封圈初始預(yù)壓縮后應(yīng)力區(qū)主要集中在壓縮部分和密封圈與定位圈接觸部位，其中壓縮部位應(yīng)力比較均勻，密封圈與定位圈接觸部位最高應(yīng)力達(dá)2 MPa；當(dāng)介質(zhì)工作壓力為0.1 MPa時(shí)，密封圈變形進(jìn)一步加大，由于密封圈可繞定位圈轉(zhuǎn)動(dòng)，因此應(yīng)力分布及應(yīng)力值與無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)基本相同，只是密封圈的變形有所差異?？紤]氫化丁腈(HNBR)材料的拉伸強(qiáng)度為15.6 MPa，密封圈滿足使用要求。

圖9 密封圈等效應(yīng)力云圖

密封圈與剛性環(huán)相接觸部位的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖10。當(dāng)接觸應(yīng)力大于介質(zhì)工作壓力時(shí)，密封圈可以實(shí)現(xiàn)良好的密封，否則就會(huì)發(fā)生泄漏。由圖10可知，接觸面最大應(yīng)力發(fā)生在密封圈尖端部位，當(dāng)介質(zhì)工作壓力為0.1MPa時(shí)，密封面的最大接觸壓力為1.36 MPa，大于介質(zhì)工作壓力，仿真結(jié)果表明密封圈具有良好的密封效果。

3 可靠性試驗(yàn)

為驗(yàn)證密封圈在制動(dòng)夾鉗單元內(nèi)使用的可靠性，對(duì)制動(dòng)夾鉗單元進(jìn)行制動(dòng)、緩解動(dòng)作的100萬(wàn)次疲勞耐久試驗(yàn)；在疲勞試驗(yàn)完成后，對(duì)制動(dòng)夾鉗單元參照GB 4208-2008 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了IPX4防護(hù)等級(jí)噴淋試驗(yàn)(見(jiàn)圖11)，以驗(yàn)證制動(dòng)夾鉗單元在疲勞耐久試驗(yàn)后新結(jié)構(gòu)密封圈防水性能。

圖10 密封圈接觸應(yīng)力云圖

圖11 噴淋試驗(yàn)

圖12 密封防護(hù)區(qū)域拆解后狀態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)新結(jié)構(gòu)密封圈滿足制動(dòng)夾鉗單元疲勞試驗(yàn)性能要求，疲勞試驗(yàn)后的例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)；(2)經(jīng)過(guò)噴淋試驗(yàn)測(cè)試，新結(jié)構(gòu)密封圈防水效果顯著，對(duì)密封圈防護(hù)區(qū)域進(jìn)行拆解檢查，軸承及配合位置無(wú)明顯滲水痕跡，且內(nèi)部潤(rùn)滑脂狀態(tài)良好(見(jiàn)圖11、圖12)。

圖13 軸承潤(rùn)滑脂狀態(tài)

4 結(jié) 論

(1) 制動(dòng)夾鉗單元關(guān)節(jié)處新結(jié)構(gòu)密封圈采用氫化丁腈(HNBR)作為橡膠主體材料，其耐油、高低溫性、耐候性能優(yōu)異，可以滿足產(chǎn)品運(yùn)用使用防護(hù)需求。

(2) 密封圈采用不銹鋼材質(zhì)金屬骨架，避免骨架表面處理環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化制造工藝過(guò)程，滿足在使用工況條件下防腐蝕要求。

(3) 新結(jié)構(gòu)密封圈唇口部分經(jīng)有限元分析，接觸位置無(wú)應(yīng)力集中區(qū)域，滿足制動(dòng)夾鉗單元100萬(wàn)次疲勞耐久試驗(yàn)要求；通過(guò)了IPX4防護(hù)等級(jí)的噴淋試驗(yàn)，這說(shuō)明新結(jié)構(gòu)密封圈防水效果顯著，關(guān)節(jié)處軸承轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，對(duì)密封圈防護(hù)區(qū)域進(jìn)行了拆解檢查，未發(fā)現(xiàn)與其配合位置有明顯滲水痕跡，內(nèi)部潤(rùn)滑脂狀態(tài)良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)優(yōu)化預(yù)期效果。