袁可 馮萬盛 王金輝 趙斌 韋怡 黃江彪

摘 要：從某自導向轉向架的兩瓣式平衡臂軸襯失效案例入手，對其進行運行工況整體分析，進而對原結構不同的失效問題進行一一剖析之后，做出預壓量、膠層厚度分布、自由面、膠層型式等多方面的結構改進，并對比兩種結構的有限元仿真分析結果。最終根據(jù)疲勞試驗結果進一步驗證該產(chǎn)品設計改進的效果，產(chǎn)品的疲勞優(yōu)化預計將疲勞壽命由2-5年優(yōu)化至10年左右。

關鍵詞：自導向轉向架;平衡臂軸襯;層疊式橡膠節(jié)點;有限元仿真分析;疲勞試驗

Abstract： starting from the failure of 2-sleeves marty bar bushing on the truck， after analyzing the overall running load conditions， causes of failures were uncovered individually. Improvements were obtained on the new structure in many aspects like pre-compression， rubber thickness， free surface contour of rubber， rubber layer structure. Fatigue test was performed eventually and it proved that the design improvement was achieved. The service life of current product could be enhanced from 2-5 years to about 10 years.

Keywords： Self-steering Truck; Marty Bar Bushing; Multiple Layer Rubber Bushing; Finite Element Analysis; Fatigue Test.

引言

自導向轉向架[1]（見圖1）包括一系列把兩端車軸連接在一起的桿件，在車輛前端車軸通過曲線時，載荷通過一系拉桿等桿件傳遞至后端車軸，起到帶動后端車軸一同運動的自導向功能，改善曲線軌道上粘著[2]以及避免出現(xiàn)蛇形運動的作用。

美國GE的自導向式機車轉向架用平衡臂軸襯在運行過程中（2-5年期間），出現(xiàn)了批量產(chǎn)品失效情況，主要表現(xiàn)為產(chǎn)品躥出、橡膠開裂等多個問題，導致其傳遞自導向式轉向架行進過程中水平載荷的功能基本喪失，給車輛帶來了安全隱患。

同時本產(chǎn)品屬于層疊式橡膠節(jié)點（3層橡膠），相對單層節(jié)點而言，設計、工藝、仿真等多個方面的難度均要更高，失效案例也同樣更多。但由于它在小空間尺寸下的高徑向剛度、低偏扭轉剛度的特有性能優(yōu)勢，本結構設計仍是該應用環(huán)境下的首選。

本文從平衡臂軸襯的失效形式、原因剖析、仿真分析及試驗驗證著手，解決該橡膠件的失效問題，提升其疲勞壽命，滿足客戶使用要求。

1設計內(nèi)容

1.1目標要求

根據(jù)產(chǎn)品的應用工況以及該自導向式轉向架的維修計劃，產(chǎn)品的目標設計壽命為10年，設計初期的維修計劃為6年架修期到了之后進行更換，意味著產(chǎn)品的設計疲勞壽命留有一定的余量。

1.2平衡臂軸襯運行工況及失效情況分析

平衡臂在曲線通過過程中起到協(xié)調(diào)兩側轉臂轉動角度，在運行過程中，平衡臂繞轉臂進行轉動，平衡臂軸襯產(chǎn)品在其過程中受到的主要載荷為徑向載荷。扭轉角度很小，產(chǎn)生的疲勞損傷小。

平衡臂軸襯技術參數(shù)及工況參數(shù)見表1

既有結構產(chǎn)品在使用2-5年左右出現(xiàn)了橡膠嚴重開裂（見圖2），過盈松弛后產(chǎn)品躥出甚至金屬與橡膠完全脫離的情況，主要原因在產(chǎn)品的功能主要是平衡自導向式轉向架車輛運行過程中，水平左右兩側橫向載荷。

1.3既有結構剖析

產(chǎn)品是由三層橡膠（中間為金屬隔片）與兩層金屬隔片、芯軸以及外套硫化粘接而成，整體分為兩瓣式，金屬外套在安裝至對應安裝孔的過程中抱攏對節(jié)點實現(xiàn)預壓縮（見圖3）。

針對產(chǎn)品的具體不同的失效問題，依次進行分析如下：

（1）橡膠本體開裂：

●橡膠層厚度分布不合理，內(nèi)外橡膠層體積、剛度不一致但厚度一致，導致內(nèi)層剛度小、應變大、疲勞壽命低;

●單層膠層型式設計不合理（見圖3.（a）），為直線、圓弧、直線相連接的方式，存在徑向載荷下，單層應變不連續(xù)的情況;

●橡膠的自由面小，在擠壓過后容易鼓出，造成表面拉伸應力很大的情況。

（2）從桿體中躥出：

平衡臂軸襯的金屬外套與桿體的內(nèi)孔為過渡配合，意味著產(chǎn)品預壓僅依靠橡膠體的壓縮來實現(xiàn)，即使橡膠未出現(xiàn)開裂，也存在應力松弛后產(chǎn)品預壓力不夠然后躥出的情況。

1.4平衡臂軸襯優(yōu)化設計

1.4.1 合理的預壓縮量及分布設計[3]

對于橡膠節(jié)點而言，徑向剛度會隨著預壓縮量的增加而增加，增加幅度與預壓縮量成正比，而適當?shù)闹芟蝾A壓量也能顯著提升產(chǎn)品的疲勞壽命。

1.4.2 層厚分布設計

為滿足客戶徑向剛度要求以及承載載荷需要，產(chǎn)品仍然需要設計為疊層彈簧的型式，單層剛度計算[4]公式如（1）。在內(nèi)層直徑更小的情況下，相同的膠層厚度下內(nèi)層的剛度更低。

由上式可知，在徑向載荷P、剪切模量G、產(chǎn)品寬度l都一定的情況下，應變與膠層厚度呈負相關，與膠層平均直徑呈正相關。

在膠層設計準則確定之后，根據(jù)公式反復迭代確定具體膠層厚度、徑向剛度及該層應變。最終膠層整體厚度增加減小總應變，同時相較于原結構外層（膠層1）應變比內(nèi)層（膠層3）應變大3%的計算結果，改進結構每一層的應變均為6.5%左右（見表2），理論計算上實現(xiàn)等應變設計。

1.4.3 橡膠自由面增大設計

原結構的橡膠開口處寬度與膠層厚度完全一致，但由上述公式可以看出，徑向剛度由整體膠層厚度決定，而疲勞破壞卻是由橡膠生出細微裂紋擴展而成，而根據(jù)設計經(jīng)驗，開裂的起始擴展位置往往便是膠層表面。自由面的增大可以改善橡膠表面的受力情況，起到提升疲勞性能的作用。

2有限元仿真分析

首先對原結構以及改進結構進行疲勞載荷下的有限元應力應變分析，首先可以看出在工作載荷30kN下，產(chǎn)品的對數(shù)應變由1.33變?yōu)?.03，降低22.6%左右（見圖6）。

然后進一步進行疲勞仿真分析，基于Mars[5，6]提出的開裂能理論的橡膠疲勞分析方法，由假定的內(nèi)部橡膠裂紋結合開裂能的計算結果，最終累積到破壞條件的裂紋長度。

具體的計算方法為，根據(jù)應力應變結果提取所有可能開裂平面的最大、最小撕裂能，得出應變能釋放率，進一步地計算出相應的裂紋增長速度，最終結合式（4）得出產(chǎn)品的疲勞壽命。

結合疲勞分析理論，采用ABAQUS及Endurica CL橡膠疲勞計算軟件進行橡膠疲勞壽命仿真分析計算，得到疲勞壽命結果云圖。由圖7可知，產(chǎn)品的疲勞壽命由原結構的38.6萬次提升至196.0萬次。

2.1疲勞試驗驗證

在理論和仿真充分分析后，在室溫下對產(chǎn)品進行對比疲勞試驗，其參數(shù)和結果見下表3所示。

改進結構在200萬次后出現(xiàn)疲勞破壞，而原結構僅35萬次便出現(xiàn)疲勞破壞，二者開裂時的剛度變化率相當。如果不考慮使用過程中橡膠老化等因素，僅以循環(huán)次數(shù)評估產(chǎn)品壽命的話，改進結構提升壽命約4.7倍。而就目前可使用2-5年的情況來看，改進結構可滿足客戶10年使用壽命的要求。

3結語

目前，優(yōu)化設計的產(chǎn)品已經(jīng)在線運行半年，產(chǎn)品各項性能表現(xiàn)良好。本次優(yōu)化設計為多層分瓣式橡膠關節(jié)提供設計經(jīng)驗：

3.1對于自導向式轉向架上的平衡臂，徑向載荷在運行過程中起到主要作用，改善該方向的應力應變情況是解決問題的主要方向;

3.2橡膠彈性元件設計過程中，預壓縮量、膠層結構設計能改善產(chǎn)品受載時的整體應變情況，而自由面的設計能改善局部應力情況;

3.3多層薄壁類產(chǎn)品在小尺寸空間下能有效提升徑向剛度同時對偏扭方向自由度不產(chǎn)生過大影響，疲勞可靠的前提下，能在機車運行上運用到一些特定場合。

參考文獻：

[1]Franz P M. Self-steering rail truck： U.S. Patent 4，660，476[P]. 1987-4-28.

[2]Ahmadian M， Huang W. A qualitative analysis of the dynamics of self-steering locomotive trucks[J]. Vehicle System Dynamics， 2002， 37（2）： 85-127.

[3]榮繼剛 [1， 黃友劍， 唐先賀， 等. 預壓量對橡膠球鉸綜合性能的影響[D]. ， 2006.

RONG Jigang， HUANG Youjian， TANG Xianhe， et al. Effect of Pre-compression on Comprehensive Performance of Rubber Bushing[D]. 2006.

[4]龔積球， 龔震震， 趙熙雍. 橡膠件的工程設計及應用[M]. 上海交通大學出版社， 2003.

Gong Jiqiu， Gong Zhengzhen， Zhao Xiyong. Engineering Design and Application with Rubber Components[M]. Shanghai Jiaotong University Press， 2003

[5]Mars W V. Cracking energy density as a predictor of fatigue life under multiaxial conditions[J]. Rubber chemistry and technology， 2002， 75（1）： 1-17.

[6]Mars W V， Fatemi A. Multiaxial fatigue of rubber： Part I： equivalence criteria and theoretical aspects[J]. Fatigue & fracture of engineering materials & structures， 2005， 28（6）： 515-522.

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