城际动车组牵引拉杆橡胶节点疲劳寿命提升优化研究

公衍军,杨 欣,杨东晓

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 266111)

城际动车组是为了满足中国区域经济快速发展和城市群崛起对城际轨道交通的需求而研制的一种新型运输工具,它既继承了高速动车组安全、成熟、舒适和可靠等优点,又具备快起快停、快速乘降、大载客量及高速持续运转的特点,可满足互联互通的要求,同时又兼具传统地铁和轻轨车辆轻型化等优点[1-3]。

铁道车辆转向架悬挂系统一般由钢簧、油压减振器、空气弹簧、橡胶元件等组成,悬挂系统具有特定的刚度、阻尼特性,保证了车辆安全、平稳运行[4-6]。王付胜等[7]研究了铁道车辆空簧常见的失效形式及原因,研究表明空气弹簧的应力应变工况复杂,结构设计不当、材料及生产工艺不正确易导致空簧失效。黄宝[8]研究了油压减振器活塞杆组件疲劳断裂与油液泄露导致阻尼力失效的问题。张伟龙等[9]研究了大功率交流传动电力机车轴箱钢簧断裂问题,研究表明轴箱弹簧端圈存在高接触应力,同时由于线路不平顺激以及车轮踏面外形不规则产生的冲击振动,导致接触表面产生疲劳磨损,生成疲劳裂纹并逐渐扩展,最终导致断裂。高军与赵海板[10]研究了高速动车组牵引拉杆节点橡胶老化导致的失效问题。目前对悬挂元件失效的问题研究相对较少,针对城际动车组的研究更为少见。

本文针对某型城际动车组单牵引拉杆结构的橡胶节点裂纹现象,从拉杆节点的现象剖析、开裂原因分析、方案优化、试验验证入手,解决了该橡胶件的失效问题,提升了其疲劳寿命,满足了用户使用需求。

1 现象剖析

城际动车组单牵引拉杆结构如图1所示,牵引拉杆节点安装于牵引拉杆体座孔中,连接转向架与车体。

图1 单牵引拉杆结构

牵引拉杆橡胶节点是由芯轴、橡胶层以及外筒经相关工艺形成的一个整体结构,如图2所示,在车辆运行过程中主要起到牵引、减振的作用。

图2 牵引拉杆节点结构示意图

1.1 外观检查

按照《城际动车组二级修检修要求》,对运营时间达4～6年的某型城际动车组进行检修时,发现牵引拉杆节点的橡胶表面出现了裂纹,如图3所示。裂纹位于拉杆节点橡胶端面中部近芯轴侧,与芯轴螺栓安装面平行,裂纹长度为60 mm,超出了检修标准,而且装用于动车的牵引拉杆橡胶节点的裂纹明显比拖车严重。

图3 牵引拉杆橡胶节点裂纹位置及形态

1.2 剖切后产品内部状态检查

抽取返厂产品实施剖切,以确认橡胶裂纹的深度、扩展方向及趋势,如图4所示。检查发现,裂纹出现在橡胶端面,圆弧与直线过渡处,逐步向橡胶内部扩展。裂纹最深可达11 mm,接近芯轴表面。

图4 剖切后裂纹扩展情况

1.3 裂纹后节点刚度性能检测

对该型城际动车组返厂的8件牵引拉杆橡胶节点以及首列车全数牵引拉杆橡胶节点实施刚度检测,产品的径向刚度均能满足检修标准的要求,平均刚度偏差为-21.9%,未超过-30%的技术规范要求。从产品性能角度评估,问题产品仍旧可满足使用要求。

2 牵引拉杆橡胶节点开裂原因分析

2.1 牵引拉杆橡胶节点受力分析

牵引拉杆用于传递车体与转向架支架的纵向力,牵引拉杆节点安装在牵引拉杆两端,起到缓冲、减振的作用。牵引拉杆受力工况主要分为3类:

(1) 当转向架与车体之间不存在相对横移量时,节点主要受径向载荷;

(2) 当转向架与车体之间存在相对横移量时,节点主要受偏转载荷;

(3) 上述二者的复合载荷。

根据牵引拉杆的受力工况,建立牵引拉杆的有限元模型,分别对牵引拉杆施加上述3种工况载荷,3种工况载荷下的应变如图5所示。经有限元分析,在径向载荷工况下,牵引拉杆节点橡胶应变最大位置位于外筒侧与芯轴“肩部”,橡胶最大主应变为1.341;在偏转载荷工况下,牵引拉杆节点橡胶应变最大位置位于芯轴“肩部”和“颈部”,橡胶最大主应变为1.138;复合载荷工况下节点橡胶应变最大位置位于橡胶自接触部位,出现了橡胶褶皱,且表现有明显应力集中,橡胶最大主应变为1.824。通过对不同工况下橡胶最大应变出现的位置与实物出现裂纹的位置进行对比,发现在第三种复合载荷工况下,两者出现的位置一致,这表明,该种橡胶裂纹是牵引拉节点在复合载荷工况下产生的。

图5 各工况下牵引拉杆节点应变云图与实物裂纹对比

3种载荷工况下的节点橡胶分析结果见表1,应变云图见图5(a)～图5(c),实物橡胶裂纹照片见图5(d)。

表1 疲劳试验工况表

2.2 城际动车组运行状态分析

装用该问题牵引拉杆橡胶节点的城际动车组为8节车厢,其中动车为2、3、6、7节,拖车为1、4、5、8节,车辆的最大牵引力为78.5 kN,转向架轴重为17 t,运行线路为国内某城际线。经沟通及运行记录查询,存在橡胶开裂的拉杆节点只出现在该段运行线路,该段线路有如下特点:

(1) 线路站点间距较短,车辆启停频繁,拉杆节点承受极限疲劳载荷的频次较高。

(2) 线路曲线相对较多,且曲线半径较小。车辆过曲线时牵引拉杆节点频繁发生较大角度的偏转。

2.3 裂损原因分析

基于城际动车组实际运行状态,结合牵引拉杆橡胶节点有限元分析结果以及实物橡胶裂纹的状态分析,该橡胶节点橡胶裂纹产生的原因为:牵引拉杆节点在多小曲线半径、站间距短、启停频繁的线路上,牵引拉杆节点受到径向与偏转共同作用的复合载荷工况,并承受频繁的交变载荷,橡胶表面局部位置存在应力集中,长期使用使应力集中位置产生了橡胶疲劳裂纹。

2.4 技术分析验证

根据产品裂损原因分析、车辆运行线路特点、牵引拉杆橡胶节点受力工况,重新制定了疲劳试验方案,以再现产品裂损状态,确认产品损裂工况。疲劳试验工况见表1。

试验表明,在疲劳工况1下执行20万次疲劳循环,节点橡胶出现损坏情况,损坏位置靠近外筒侧;在疲劳工况2下执行15万次疲劳循环,节点橡胶出现损坏,节点外筒侧与芯轴“肩部”均出现橡胶裂纹;在疲劳工况3执行15万次循坏,节点橡胶出现损坏,表现为靠近芯轴侧橡胶开裂,开裂至芯轴金属表面,该种破坏的裂纹位置及裂纹延伸方向与现车产品破坏型式基本一致。3种疲劳工况下的牵引拉杆橡胶节点疲劳损坏情况如图6所示。

图6 牵引拉杆橡胶节点疲劳试验裂损状态

2.5 技术分析结论

经过试验分析,得出以下结论:

(1) 某城际动车组牵引拉杆节点的橡胶开裂,是在径向和偏转复合载荷(偏转载荷为主)作用下,橡胶应力集中处产生裂纹并不断扩展而形成的;

(2) 橡胶裂损的出现,与线路曲线多、频繁启停等运行条件有关;

(3) 确定了再现裂损的试验条件:径向载荷为 ±31.4 kN,径向频率为0.5 Hz;偏转角度为±7 °,偏转频率为1 Hz,并进行了试验验证,再现了故障工况。

为提升产品对车辆运用条件的适用性,有必要对该产品进行进一步的优化,综合产品使用寿命,优化目标在相同疲劳试验工况下,疲劳寿命提高到原产品10倍以上。

3 牵引拉杆橡胶节点裂纹问题解决措施

3.1 解决思路

对于某型城际动车组用牵引拉杆橡胶节点出现早期橡胶裂损的优化思路主要有如下2个方向:

(1) 结构调整,降低产品在复合载荷下的应力水平,受载下的应力尽量均匀,避免应力集中从而提高其疲劳寿命;

(2) 材料调整,采用抗应力及抗疲劳性能更高的橡胶材料,提高产品承载能力,从而提高疲劳寿命。

3.2 思路分析

3.2.1 结构调整

产品结构决定了产品刚度性能,结构调整会使产品各向刚度产生变化。在保证径向刚度不变的情况下,产品轴向、扭转、偏转静刚度会发生变化,这种变化可能导致载荷条件的变化,可能暴露出新的风险,导致优化的失败。因此,结构调整的优化方案需要综合车辆整体参数的验证调整,此优化思路的设计难度、验证难度都较大。

3.2.2 材料调整

结构保持不变,提高橡胶材料的强度与耐久性。产品的刚度性能变化小,优化后的产品装车运用时,受载条件不产生变化,上述得出的验证条件可直接应用于优化产品。因此,认为材料调整优化思路具备实施条件,可优先实施。

4 材料调整及试验验证

根据进一步提高橡胶材料耐疲劳性能的设计要求,对原橡胶配方进行了重新设计和研究并进行了橡胶配方的试验验证,提高了橡胶材料的抗拉强度、撕裂强度、耐屈挠能力。经调整,优化后的橡胶材料的主要力学性能有显著提高,主要性能参数对比结果见表2。

表2 橡胶性能优化对比结果

橡胶材料改进后,重新对产品进行了试验,并按照前述验证过程中重现橡胶裂纹故障的方法,对改进优化后的产品重新进行疲劳试验验证(与2.4节工况3条件相同)。试验表明,在疲劳循环160万次时,橡胶靠近外筒位置出现轻微橡胶损坏;在疲劳循环172万次时,节点接近芯轴位置橡胶出现了显著的裂纹。与既有产品相比,产生橡胶裂纹的疲劳试验次数显著提高。

试验前、疲劳循环50万次、疲劳循环160万次、疲劳循环172万次的试验产品裂损状态如图7所示。

图7 橡胶材料优化后产品疲劳试验过程中裂损状态

4.1 疲劳试验验证情况分析

4.1.1 产品外观

优化后的产品在进行50万次疲劳循环后,外观未见异常,实际出现橡胶表面裂损时间为160万次循环以后,裂纹位置靠近外筒侧,在172万次疲劳循环后靠近芯轴侧也出现了橡胶裂纹。综上所述,按照相同的疲劳试验方法,优化产品出现橡胶裂纹的疲劳次数有了显著提高,试验循环次数提高至11倍以上,并且在172万次疲劳循环后又再现了原产品的故障现象。

4.1.2 产品性能

对出现裂纹后的产品分别在160万次、172万次后进行了径向刚度试验,以验证产品出现裂纹后对性能的影响,试验表明:

(1) 优化后产品在160万次疲劳循环后,径向刚度出现了降低的情况,降低了25.5%,虽出现下降但仍满足刚度变化率小于30%的技术规范要求;

(2) 172万次疲劳循环后,刚度变化率达到-41.1%,超出了技术规范的要求范围。

综合考虑优化后产品出现橡胶裂纹的时间、产品的实际使用工况和寿命,优化后的产品疲劳寿命比优化前调高了10倍以上,实现了优化目标。同时建议后续对技术规范中的试验方法进行更新,参照前述验证试验方法,将出现橡胶裂纹的疲劳次数修改为150万次。

4.1.3 试验后产品内部状态

刚度性能检测后,对疲劳试验后的产品进行了剖切检验,进一步检查疲劳试验橡胶裂纹状态。检查发现,外筒处的橡胶裂纹较浅,主要是橡胶和金属外套在疲劳过程中摩擦生热导致的浅层橡胶裂解和发粘,从而造成该位置橡胶出现裂纹,因其深度较浅,对性能影响较小。近芯轴位置的橡胶裂纹向芯轴方向沿伸,同现车故障件的形貌基本一致,因其深度较深,对刚度性能的影响增大。综合橡胶内部剖切检验结果,进一步确定了150万次疲劳次数的合理性,在该种条件下,既满足使用寿命需求,橡胶未产生裂纹,刚度变化也符合技术规范要求。剖切后的产品照片如图8所示。

图8 剖切后样品内部状态

5 结论

通过对现车返厂产品进行调查、测试、剖切,对车辆运用线路的研究和产品结构的FEM分析,推测出该城际线运行的某型城际动车组用牵引拉杆节点出现橡胶裂损的原因,以裂损再现疲劳试验的方式验证了推测原因的合理性,并提出了具体的解决措施和方法,为类似产品问题的解决提供了设计经验。

(1) 针对牵引拉杆橡胶节点类产品,其橡胶疲劳裂损受线路影响较大,疲劳裂损是在偏转载荷为主的径向和偏转复合载荷作用下,橡胶承受交变载荷,橡胶局部应力集中位置产生了橡胶裂纹并不断扩展而形成的。其裂损再现的疲劳试验为径向和偏转复合载荷工况,对于牵引拉杆节点的疲劳方案具有指导意义。

(2) 高强度、高耐久橡胶材料可有效改善橡胶应力集中区域的抗疲劳性能,延缓表面裂损的发生,有效提升牵引拉杆节点类产品的疲劳寿命。

(3) 工程问题的解决途径往往是多样的,相比其他途径,本文提出的解决问题的思路、方法和措施成本低、效率高,可为后续类似问题的解决提供借鉴。