铁道车辆橡胶弹性元件设计仿真与校验*

卜继玲,王永冠,宋传江

(株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007)

转向架是影响铁道车辆运行品质的关键部件,其各结构件可以视为转向架的躯干,弹性悬挂系统则可以视为转向架的大脑,直接影响运行品质。随着高分子弹性元件的技术发展和转向架性能要求的提高,具备非线性性能参数的橡胶类高分子产品被用作弹性元件的比例逐步增加。橡胶部件的使用也往往给主要的工程问题提供了一种简单和巧妙的解决方法[1]。以某型铁道车辆转向架转臂定位橡胶关节的设计为例,介绍橡胶弹性元件设计工程中的仿真技术及其校验过程。

1 橡胶关节的技术输入

图1是某新型地铁转向架及其转臂定位橡胶关节。在进行橡胶关节的设计时,主机厂仅提供了外形接口尺寸和产品的径向、轴向刚度要求。并没有明确给出具体的疲劳试验载荷条件,只提出了使用寿命要求。为确保研发的橡胶关节在技术参数和可靠性上满足转向架的运用条件,决定采用虚拟样机的方法,充分发挥三维结构设计、有限元结构分析、多体动力学系统仿真和疲劳载荷谱数据处理等设计仿真分析技术优势。

2 橡胶关节的结构设计

根据弹性理论,橡胶的剪切模量G与压缩弹性模量E的关系见式(1)[2]。

式中r为泊松比。

典型橡胶的r值为0.499 5,所以E≈3G。对于普通结构的关节,轴向意味着剪切方向,径向则是压缩方向。同时橡胶件受压缩时,它的上下表面与金属板硫化粘结而受约束,使有效的压缩弹性模量Ea值比式(1)计算得到的E大得多。所以普通结构关节的轴、径向刚度比通常小于0.3。

图1 某型转向架及其橡胶关节

但是本次设计的橡胶关节要求轴、径向刚度比大于0.5,因此突破普通结构进行设计,采用了如图2所示的结构,这种结构的轴、径向刚度比可以做到0.5～1。根据基本结构形式,结合接口尺寸的空间限制和产品刚度限制条件,利用有限元分析技术,确定其具体的结构参数。在分析过程中充分利用既往产品的经验参数,对具体结构参数进行优化分析。优化过程中采用统一的网格规模、单元类型、材料属性、接触参数、求解参数等。通过调整各个结构参数,再经过多次有限元计算,最终确定结构具体参数,具体流程见图3。有限元模型见图4。通过这个设计仿真优化过程后,该产品样品一次试模成功,径向刚度和轴向刚度均满足了要求。这样就大大缩短开发周期,降低了研发成本。图5为产品的静刚度试验照片。

图2 产品结构示意图

图3 结构参数确认流程

图4 1/4橡胶关节有限元模型(隐藏芯轴)

图5 橡胶关节静刚度试验

3 橡胶关节疲劳试验

转向架转臂定位橡胶关节在保证铁道车辆的运行稳定性上非常关键,如果失效将导致转向架其他部件发生破坏,危及行车安全,因此其疲劳可靠性十分重要。由于是新开发的转向架和车辆,客户并没有真实的结构疲劳载荷信息,因此采用车辆系统动力学仿真分析的技术手段,利用主机厂提供的车辆和转向架技术参数,结合最终用户提供的线路情况,建立整车动力学仿真分析模型(如图6所示),分析得出橡胶关节的载荷时间历程,进而得到其载荷情况。

图6 整车动力学模型

3.1 计算工况确定

计算工况分得过细,会增加计算工时和数据后处理工作量;工况分得过粗,会使计算结果缺乏代表性。所以工况的合理选择十分重要。统计分析用户提供的线路条件,得到车辆运行线路分布比例具体见图7,根据GB 50157-92《地下铁道设计规范》可得到各种工况的最大行驶速度,考虑安全性,整车动力学仿真分析时按相应线路的最大速度取值。表1为计算工况。

图7 工况所占运行线路的比例

表1 线路设计工况

3.2 计算结果及数据处理

根据动力学仿真结果,导向轮对上定位关节的载荷最为恶劣,所以取该关节14种工况下的载荷时间历程,并分别进行雨流计数。然后按照一定里程内(如150 km)各工况的比例进行雨流矩阵叠加,生成150 km总雨流矩阵,见图8所示。

图8 各工况合成后的150 km载荷总雨流矩阵

该雨流矩阵共计有1.01×105次循环,代表车辆运行150 km,则产品性能要求的120万km对应的载荷循环将高达8亿次。从研发产品的角度,必须缩短疲劳试验的循环次数,即利用加速疲劳试验技术[3]。通过对产品进行有限元应力应变仿真分析,结合既往产品形成的典型压缩类结构产品的S—N曲线,对总雨流矩阵进行缩减,得到了缩小规模的总雨流矩阵。一个块只包含450次循环。120万km包含8 000个块,总计循环次数为360万次。从而在保证对结构损伤不降低的情况下,缩短疲劳寿命试验时间的载荷方案。

3.3 编制台架试验程序载荷谱块

雨流矩阵描述的是三维均值、幅值统计频次表,为便于台架试验加载,需要转换成二维表格——均值频次表和幅值频次表[3]。图9为处理完数据得到的幅值分布曲线,可见该幅值累积分布曲线基本服从WeiBull分布。但雨流矩阵代表了运行150 km中可能出现的载荷情况,其统计结果涵盖几乎所有典型运行工况,因此可以直接使用其幅值分布统计结果对载荷幅值进行分级。然后重复150 km的载荷谱块。

依据CONOVER[4]法将载荷谱划分为8级进行统计,但由于在频次中出现了非整数值,实际试验中操作性较差,所以对表中的数据进行处理,将8级载荷谱调整为6级载荷谱,见表2。

图9 载荷幅值分布曲线和分级直方图

表2 径向载荷幅值分级

图10 试验机控制计算机中实现载荷谱块

图11 产品疲劳试验情况

依据载荷低—高—低加载次序制定单块程序加载谱,这样可以最大程度上减小加载顺序对疲劳试验的影响[4,5]。如图10为台架试验控制计算机上的单个谱块显示,总循环数为450,代表运行150 km的径向载荷。试验波动中心为21.5 kN,按图10施加波动幅值,共计运行8 000个块,相当产品实际运行120万km,频率为2～ 4 Hz。

3.4 产品疲劳检验

根据上述分析,对产品进行疲劳寿命试验,试验状态照片及完成后产品见图11所示。试验后对产品进行刚度检测,刚度变化率为19.5%,满足使用要求;而在外观方面也只有压缩部分有轻微的熔胶,所以该产品满足疲劳试验条件。

该产品提供给主机厂后,经过2年多运用后检修时,进行外观检查和参数检测,均没有出现异常情况,表明该产品的开发设计完全能够满足使用要求。

4 结束语

在铁道车辆转向架橡胶弹性元件的开发过程中,通过大量采用结构三维设计、结构有限元仿真分析、车辆系统动力学仿真分析、随机载荷统计仿真分析、疲劳结构寿命仿真分析等虚拟样机仿真技术,不仅大大缩短了产品结构设计开发的周期与成本,也为橡胶产品的可靠性研究与设计提供了一条经济、实用、可靠的方法。

[1] A.N.Gent.Engineering with Rubber-How to Design Rubber Components(2nd Edition)[M].Munich:Carl Hanser Verlag,2001.

[2] 龚积球,龚震震,赵熙雍.橡胶件的工程设计及应用[M].上海:上海交通大学出版社,2003.

[3] 樊晓燕,吴兹攀,童忠钫.机械零件疲劳载荷谱编制[J].机电工程,1994,(2):23-26.

[4] 高镇同.疲劳可靠性[M].北京:北京航空航天大学出版社,2000.

[5] W.V.M ars,A.Fatemi.A literature survey on fatigue analysis approaches for rubber[J].International Journal of Fatigue,2002,24:949-961.