轉向架軸箱橡膠節(jié)點疲勞壽命的有限元分析

王 鑫，吳智強，吳紹利，毛昆朋

(中國鐵道科學院 金屬及化學研究所，北京100081)

轉向架軸箱橡膠節(jié)點傳統設計是先出試驗樣品，然后進行樣品剛度試驗，根據樣品測試結果對產品設計進行修改，最后進行疲勞測試，直到滿足設計要求［1］。該過程耗時長，且裝車使用易出現早期疲勞失效問題。主要原因是車輛在實際運行中，轉向架軸箱橡膠節(jié)點既受橫向載荷、縱向載荷和扭轉載荷的作用，同時還要承受車輛的垂直載荷作用，由于受力情況復雜，橡膠節(jié)點很難達到設計要求的使用壽命［2］。圖1是某型號機車軸箱橡膠節(jié)點在接近使用壽命一半時失效的圖片。

圖1 機車軸箱橡膠節(jié)點失效的照片

有限元分析目前被廣泛應用于結構計算，但通過非線性有限元分析對轉向架軸箱橡膠節(jié)點進行分析設計卻鮮有報道。這可能是因為橡膠彈性元件是力學行為十分復雜的黏彈性體［3］。本文通過構建橡膠節(jié)點模型，并利用非線性有限元分析對轉向架軸箱橡膠節(jié)點進行改進設計，使預期疲勞壽命比原結構大幅提高，實際裝車使用達到設計要求。

1 橡膠節(jié)點有限元分析

1.1 計算公式

橡膠的疲勞破壞參數可以用最大Green－Lagrange應變來表示，因為應變在橡膠試驗中很容易測得的，所以最大Green－Lagrange應變作為疲勞破壞參數更能吻合橡膠元件的疲勞壽命。本文最大Green－Lagrange應變通過非線性有限元分析仿真得到。

根據研究結果［4］，Green－Lagrange應變的計算公式為:

式中，εGL為 Green －Lagrange應變;ε11為主應變。

最大Green－Lagrange應變作為疲勞破壞參數的疲勞壽命計算公式為:

式中，εGLmax為最大Green－Lagrange應變;Nf為疲勞壽命。

1.2 橡膠節(jié)點有限元模型

橡膠類不可壓縮材料在數值模擬時容易引起一些困難，比如體積鎖死、求解不精確等，有時甚至容易發(fā)生計算不收斂情況。在該有限元分析時，對彈性體的分析，選擇了特殊的“F－BAR”單元，建立一個六面體網格的拓撲結構，這是一個8節(jié)點的三維一階等參單元。模型尺寸數據通過對同一轉向架軸箱橡膠節(jié)點橫截面測量而得。

橡膠節(jié)點由外鋼套和橡膠襯套組成，當節(jié)點受壓時，較大的形變和局部的高應力，使彈性層擠滿了外鋼套縫隙，導致模型不可預知，意味著節(jié)點模型很復雜，因此，我們用兩個不同的節(jié)點模型來實施分析。

節(jié)點模型Ⅰ含有外鋼套和鋼套間的縫隙，見圖2。當對節(jié)點模型施加預壓載荷時，橡膠襯套的網格密度出現收斂問題，同時在靠近縫隙的橡膠位置出現了更大的應變。由于沒有更為詳細的子模型或合適的劃分網絡方法，縫隙處橡膠的應變很難精確預測，所以我們又建立了沒有外鋼套的節(jié)點模型Ⅱ，見圖3。

圖2 節(jié)點模型Ⅰ

圖3 節(jié)點模型Ⅱ

節(jié)點模型Ⅱ不含外鋼套，同時所有關于外鋼套的邊界條件應用到橡膠襯套外表面，模型Ⅰ和模型Ⅱ的橡膠襯套網格密度一樣。

有限元分析中所有的應變和剛度是通過節(jié)點模型Ⅱ得到的，這是由于其在大形變載荷下具有優(yōu)越的數據收斂穩(wěn)定性。節(jié)點模型Ⅰ僅是為了得到不同預壓載荷時相應的壓縮位移量。

1.3 載荷和邊界條件

在節(jié)點模型承受4種主要載荷中，其中預壓、偏載和扭向是通過位移來控制的，而徑向是通過力控制。為了簡化運用這些復合載荷，徑向力轉化成相應的位移，具體方法是通過對軸芯施加75 kN的徑向壓力來觀察徑向位移情況。

每一次分析的加載和邊界條件都經歷3個階段，第1階段，限制軸芯的三維，并對橡膠節(jié)點進行預壓，在節(jié)點模型Ⅰ中，預壓施加在外鋼套上，作用力轉化為徑向位移表現在節(jié)點模型Ⅰ中橡膠襯套外層節(jié)點上。保持上述預壓，進行第2、第3階段的分析。在第2階段，限制軸芯的X和Z軸，對軸芯的Y軸進行徑向等效力的位移載荷。在第3階段，保持第2階段的徑向等效力的位移載荷，對軸芯進行偏載或扭向位移載荷，當施加偏載位移載荷時，限制軸芯的Z軸，當施加扭向位移載荷時，限制軸芯的X軸。如圖4和圖5。

圖4 橡膠節(jié)點在預壓、徑向、偏載和扭向的正交視圖

圖5 橡膠襯套在預壓、徑向、偏載和扭向的正交視圖

1.4 材料

橡膠節(jié)點外鋼套為EN25號高強度鋼，材料為鎳—鉻化鉬合金高。在有限元分析中，我們將外鋼套視為剛體，以保證在任何載荷下沒有局部形變，確保分析中的形變均為橡膠襯套形變。

橡膠襯套采用硬度為55的天然膠。在有限元分析中，我們選擇了較為接近的硬度為57的天然膠。

1.5 載荷工況

(1)建立原橡膠節(jié)點的有限元模型，進行極限75 kN和標準38 kN的疲勞復合加載:

a預壓:1.5 mm，徑向載荷75 kN，偏載載荷3°;

b預壓:1.5 mm，徑向載荷75 kN，扭向載荷6°;

c預壓:1.5 mm，徑向載荷38 kN，偏載載荷1°;

d預壓:1.5 mm，徑向載荷38 kN，扭向載荷3°。

(2)將原橡膠節(jié)點的預壓量減小到1.0 mm，該工況可通過改變橡膠節(jié)點安裝公差實現，進行極限75 kN和標準38 kN的疲勞復合加載:

a預壓:1.0 mm，徑向載荷75 kN，偏載載荷3°;

b預壓:1.0 mm，徑向載荷75 kN，扭向載荷6°;

c預壓:1.0 mm，徑向載荷38 kN，偏載載荷1°;

d預壓:1.0 mm，徑向載荷38 kN，扭向載荷3°。

(3)將改進后的橡膠節(jié)點，在預壓量為1.0 mm下，進行極限75 kN和標準38 kN的疲勞復合加載:

a預壓:1.0 mm，徑向載荷75 kN，軸向載荷3°;

b預壓:1.0 mm，徑向載荷75 kN，扭向載荷6°;

c預壓:1.0 mm，徑向載荷38 kN，軸向載荷1°;

d預壓:1.0 mm，徑向載荷38 kN，扭向載荷3°。

2 結果與討論

圖6是在任意載荷條件下，最大應變在橡膠襯套的分布。由于徑向載荷向下，圖中A－A＇位置是橡膠的臨界應變區(qū)，分析中橡膠最大應變取自這一區(qū)域。

圖6 橡膠襯套在載荷條件下的最大應變

2.1 原橡膠節(jié)點疲勞破壞參數

圖7是原橡膠節(jié)點在工況1載荷下的最大應變圖。從圖中可以看出，當預壓1.5 mm時，橡膠襯套產生巨大形變，以致溢出了橡膠襯套兩露出端。當增加75 kN徑向載荷時，橡膠襯套最大應變增大。當繼續(xù)增加3°的偏載載荷時，橡膠襯套最大機械應變達到最大值148%，而當改為增加6°的扭向載荷時，其緩解了橡膠襯套應變，橡膠襯套最大應變降低到122%。

表1是通過試驗載荷所得的最大Green－Lagrange應變算出疲勞破壞參數，包括了預壓1.5 mm和預壓1.0 mm的所有工況條件，可以看出預壓量直接影響到橡膠節(jié)點的疲勞壽命，但通過減少預壓縮量所達到的疲勞壽命仍然難以滿足設計要求，需要對橡膠節(jié)點進行改進。

圖7 橡膠襯套在工況1下的最大應變圖

表1 橡膠節(jié)點工況載荷的疲勞破壞參數

2.2 改進橡膠節(jié)點疲勞破壞參數

考慮到原橡膠節(jié)點結構在預壓載荷下，橡膠襯套從兩露出端溢出，造成形變過大，材料應變高，應力集中。新橡膠節(jié)點結構擴大了外鋼套端部空間，使其呈“喇叭狀”以減小橡膠襯套在端部的擠出，降低形變。圖8是新舊橡膠節(jié)點在設定預壓載荷下的橡膠襯套的形變和應變對比圖，從圖中可以看出，新橡膠節(jié)點在1.0 mm預壓條件下，橡膠襯套擠出量減少，有效降低載荷對橡膠襯套的形變和應變，改進后的橡膠節(jié)點在1.0 mm預壓條件下，最大機械應變僅有70%。

對新橡膠節(jié)點在工況下進行有限元分析，如圖9。從圖中可以看出，在橡膠襯套A－A＇位置增加75 kN徑向載荷后，橡膠襯套的最大機械應變僅為85.2%，分別增加3°偏載載荷或6°扭向載荷時，橡膠襯套的最大機械應變也未超過87%。

圖8 新舊橡膠節(jié)點在工況載荷下形變和應變對比圖

表2是新橡膠節(jié)點通過試驗載荷所得的最大Green－Lagrange應變算出疲勞破壞參數，可以看出改進后的橡膠節(jié)點在標準工況下疲勞壽命已超過設計要求，即使在極端工況下，改進后的橡膠節(jié)點的疲勞壽命也接近設計要求，同時有限元分析得出新橡膠節(jié)點剛度等也滿足設計要求。

表2 新橡膠節(jié)點工況載荷的疲勞破壞參數

圖9 橡膠襯套在工況3下的最大應變圖

3 結論

(1)建立了完整的轉向架橡膠節(jié)點模型，并利用模型通過有限元分析預測轉向架橡膠節(jié)點疲勞壽命。

(2)利用有限元分析轉向架橡膠節(jié)點疲勞壽命短的原因，并通過減小預壓增加疲勞壽命，但沒達到期望值。

(3)根據非線性有限元分析結果，擴大橡膠節(jié)點端部空間，通過對外鋼套邊緣的改進，使新的轉向架橡膠節(jié)點疲勞壽命達到設計要求，實際裝車運營40多萬公里未見異常，大大提高了轉向架橡膠節(jié)點的使用壽命。

［1］ 蘭清群.高速列車轉向架定位節(jié)點疲勞強度研究［D］.成都:西南交通大學，2009:1-5.

［2］ 韓 方.CW-2型轉向架軸箱橡膠節(jié)點的應用與改進［J］.鐵道車輛，2005，(11):39-40.

［3］ 姜紀鑫，勒曉雄，殷 聞.發(fā)動機橡膠懸置元件的疲勞壽命分析與預測［J］.佳木斯大學學報，2011，(5):674-676

［4］ Kim，W.D.，Lee，H.J.，Kim，J.Y.＆ Koh，S.-K.Fatigue life estimation of an engine rubber mount［J］.International Journal of Fatigue，2004，(26):553-560.