轨道车辆用沙漏簧垂向刚度特性和失稳的探讨

周 炜,黄友剑,冯万盛

(株洲时代新材科技股份有限公司 开发中心,湖南株洲421007)

为了适应现代轨道车辆全方位提高走行品质、简化转向架结构、减轻转向架自重的需要,开发出了结构简单、功能全面、高效能的弹性悬挂系统。沙漏式橡胶弹簧,简称沙漏簧,就是其中一种应用于二系悬挂的多功能、高品质橡胶元件。沙漏簧能够有效减少转向架造价和系统的复杂性,并提供较好的空重车垂向柔性和横向刚度。对于运行速度不高的轻轨车辆,采用沙漏簧能够满足地板面高度较低,二系悬挂的安装高度受限制要求。此外,沙漏簧还可以代替地铁车辆中所用的结构较复杂、占用空间较多、价格也较高的空气弹簧。近年来,沙漏簧已经在地铁、轻轨车、货车和机车等多种轨道车辆上得到了广泛应用。

沙漏簧(如图1所示)应用于FU3000型低地板车上,用来替代图2所示二系悬挂系统橡胶堆、弹性止挡以及钢弹簧的功能,以适应降低地板高度、简化转向架结构的需求。

1 沙漏簧结构特点

沙漏簧为轴对称结构弹性元件,如图3所示,其外部和中部都去除了很大一部分橡胶材料,呈现沙漏形状。在垂向载荷作用下,沙漏簧的垂向变形由剪压共同作用所致:轻载时以剪切为主,重载时以压缩为主。图3中1,2部位在受压的过程中逐步产生接触,起到增加沙漏簧受压横截面的作用,所以沙漏簧垂向刚度的非线性特性体现在橡胶的材料非线性、结构上的几何非线性和边界条件的非线性3个方面,这三者大大增强了沙漏簧垂向刚度的非线性特性[1]。

沙漏簧在垂向可以提供10倍于夹层橡胶堆弹簧所能提供的静挠度,而本身的工作高度却依然与橡胶堆相近[2]。

2 沙漏簧的非线性有限元模型

利用达索公司非线性有限元分析软件ABAQUS对沙漏簧进行大变形非线性求解,得到其内部的应力情况及变形状态,并分析其垂向刚度性能。实体建模得到的沙漏簧有限元模型如图4所示。

3 沙漏簧刚度性能分析

图5是在50 kN垂向载荷作用下,沙漏簧橡胶体的内部应力云图,其外部变形与产品试验情况(图7所示)基本一致。由图5可知,橡胶弹性体的应力分布较均匀,Mises应力的最大值发生在橡胶体与上、下钢板粘结部位附近,为2.507 MPa,小于橡胶弹簧压缩应力的许用值[3,4],能够满足工程要求。

图1 沙漏簧外形图

图2 二系悬挂系统

图3 沙漏簧结构示意图

通过分析可知,沙漏簧受21 kN的垂向载荷时,其垂向刚度为472 N/mm,与试验值496 N/mm相比,误差为5%;沙漏簧受50 kN的垂向极限载荷时,其刚度为691 N/mm,与试验值751 N/mm相比,误差为8%。如图6所示,通过对比两条垂向刚度曲线可以看出,两者的非线性趋势基本一致。因此,可以认为有限元的分析结果较为准确,可以用来指导产品设计的。

从沙漏簧垂向刚度曲线可以看出,空载之前的垂向刚度较小基本为线性,随着载荷的增加刚度显著上升,表现出明显的非线性变化规律;即空载时弹簧较软,重载下弹簧较硬。这一特性有利于减小地铁和轻轨车辆在承载量不同时,地板面高度或车钩高度的过大变化;可以防止轨道车辆在载客量较小状态下因静挠度过小而引起垂向动力学性能的下降。以FU3000型低地板车为例,空车和满载时,每个沙漏簧上的垂向载荷分别约为21 kN和40 kN,相应的垂向静挠度为42 mm和69 mm,地板高度差约为27 mm,使得空车和满载时的自振频率变化很小。

图4 沙漏簧1/2网格模型

图5 50 kN垂向载荷下橡胶体应力云图

图6 沙漏簧垂向刚度曲线

4 沙漏簧垂向失稳分析

橡胶具有大变形、大位移的承载特点,结构在承载过程中,可能会出现位移不再随载荷的增加而增加,而是出现位移增加但载荷减少的不正常现象,这就是橡胶元件的结构失稳[5]。这种失稳往往忽然发生、毫无征兆,会给车辆运行的稳定性、安全性带来一定影响。因此在设计沙漏簧时,需要考虑结构的稳定性,以确保弹性元件在使用过程中是稳定的。

图8是沙漏簧初始设计结构的垂向刚度曲线,由图8可以看出,刚度曲线不是一条平稳上升的非线性曲线:当垂向加载至37 kN时,刚度呈现下降趋势,垂向加载至46 kN时,刚度恢复上升趋势。刚度曲线显示结构出现了阶段失稳现象,但是产品试验外观正常,因此,需要通过有限元分析模拟产品形变来找到结构出现阶段失稳的原因。如图9所示,当垂向加载至37 kN时,沙漏簧内部A、B两处出现局部坍塌现象,造成阶段失稳发生,刚度丢失;继续加载至46 kN,A、B两处接触在一块形成一个整体,局部坍塌基本消失,刚度恢复上升趋势。

图7 50 kN垂向载荷下产品变形情况

图8 初始结构沙漏簧垂向刚度曲线

图9 阶段失稳有限元分析结果

产品出现阶段失稳,会给轨道车辆运行的平稳性和安全性带来一定影响,因此需要对结构进行改进。结构改进后沙漏簧的刚度曲线为一平稳上升的非线性曲线(见图6),这表明结构在承载过程中是稳定的。

为了验证改进结构的垂向稳定性,在横向位移40 mm工况下,利用有限元仿真技术对沙漏簧的垂向变形进行了分析。此时沙漏簧的变形状态如图10所示,沙漏簧的隔板组成部分发生了明显偏斜。从垂向刚度曲线可以发现,当垂向加载小于60 kN时,刚度稳步上升;继续加载,则刚度呈现出不可恢复的下降趋势。产品的变形外观和刚度曲线都表明结构出现了失稳现象。

沙漏簧的失稳现象发生在垂向载荷60 kN,高于设计的极限载荷50 kN,这表明结构在设计所给定的载荷下可以确保系统的稳定性和机车运行的安全性。

为了进一步增强沙漏簧的抗失稳性能,在工艺上,通过选取抗剪切性能较好的胶料配方,同时采用高压模,可提高产品的抗失稳能力;在结构上,将上、下支撑板设计成硬止挡形式,如图12所示,当沙漏簧的垂向变形超过设计位移时,硬止挡端部相互接触在一起限制其进一步变形,以确保沙漏簧不出现垂向失稳情况。

图10 横向位移40 mm沙漏簧垂向失稳变形状态

图11 横向位移40 mm沙漏簧垂向失稳刚度曲线

图12 沙漏簧改进结构示意图

5 结论

(1)沙漏簧采用筒状结构,增加了产品的受压承载面积,保证其垂向刚度具有较大的非线性特性,可有效防止轨道车辆在空载状态下因挠度过小而引起垂向动力学性能的过分下降。

(2)沙漏簧在承载过程中,可能会因结构或载荷原因而失稳,且失稳是忽然发生的,因此,必须通过试验测试或有限元分析以确保结构在承载过程中的稳定性。

(3)将沙漏簧的上、下支撑板设计成硬止挡形式来限制其垂向位移,可确保沙漏簧不出现垂向失稳情况。

(4)分析和试验表明,用于FU3000型低地板车上的沙漏簧在极限垂向工作载荷50 kN下是稳定的,分析还表明,在横向位移40 mm工况下,垂向失稳的临界载荷为60 kN,表明沙漏簧能够满足结构的稳定性要求。

[1]赵洪伦,张广世.高速客车空气弹簧非线性横向刚度特性研究[J].铁道学报,1999,21(6):30-33.

[2]张定贤.一种用于二系悬挂的新橡胶弹簧—沙漏式旁承弹簧[J].电力机车技术,1999,(1):7-13.

[3]詹特AN.橡胶工程——如何设计橡胶配件[M].北京:化学工业出版社,2002.

[4]严隽耄.车辆工程(第3版)[M].北京:中国铁道出版社,2008.

[5]崔德刚.结构稳定性设计手册[M].北京,航空工业出版社,1996.