城際動(dòng)車組牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)疲勞壽命提升優(yōu)化研究

公衍軍,楊 欣,楊東曉

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,山東 青島 266111)

城際動(dòng)車組是為了滿足中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市群崛起對(duì)城際軌道交通的需求而研制的一種新型運(yùn)輸工具,它既繼承了高速動(dòng)車組安全、成熟、舒適和可靠等優(yōu)點(diǎn),又具備快起快停、快速乘降、大載客量及高速持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的特點(diǎn),可滿足互聯(lián)互通的要求,同時(shí)又兼具傳統(tǒng)地鐵和輕軌車輛輕型化等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。

鐵道車輛轉(zhuǎn)向架懸掛系統(tǒng)一般由鋼簧、油壓減振器、空氣彈簧、橡膠元件等組成,懸掛系統(tǒng)具有特定的剛度、阻尼特性,保證了車輛安全、平穩(wěn)運(yùn)行[4-6]。王付勝等[7]研究了鐵道車輛空簧常見(jiàn)的失效形式及原因,研究表明空氣彈簧的應(yīng)力應(yīng)變工況復(fù)雜,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)、材料及生產(chǎn)工藝不正確易導(dǎo)致空簧失效。黃寶[8]研究了油壓減振器活塞桿組件疲勞斷裂與油液泄露導(dǎo)致阻尼力失效的問(wèn)題。張偉龍等[9]研究了大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車軸箱鋼簧斷裂問(wèn)題,研究表明軸箱彈簧端圈存在高接觸應(yīng)力,同時(shí)由于線路不平順激以及車輪踏面外形不規(guī)則產(chǎn)生的沖擊振動(dòng),導(dǎo)致接觸表面產(chǎn)生疲勞磨損,生成疲勞裂紋并逐漸擴(kuò)展,最終導(dǎo)致斷裂。高軍與趙海板[10]研究了高速動(dòng)車組牽引拉桿節(jié)點(diǎn)橡膠老化導(dǎo)致的失效問(wèn)題。目前對(duì)懸掛元件失效的問(wèn)題研究相對(duì)較少,針對(duì)城際動(dòng)車組的研究更為少見(jiàn)。

本文針對(duì)某型城際動(dòng)車組單牽引拉桿結(jié)構(gòu)的橡膠節(jié)點(diǎn)裂紋現(xiàn)象,從拉桿節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象剖析、開(kāi)裂原因分析、方案優(yōu)化、試驗(yàn)驗(yàn)證入手,解決了該橡膠件的失效問(wèn)題,提升了其疲勞壽命,滿足了用戶使用需求。

1 現(xiàn)象剖析

城際動(dòng)車組單牽引拉桿結(jié)構(gòu)如圖1所示,牽引拉桿節(jié)點(diǎn)安裝于牽引拉桿體座孔中,連接轉(zhuǎn)向架與車體。

圖1 單牽引拉桿結(jié)構(gòu)

牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)是由芯軸、橡膠層以及外筒經(jīng)相關(guān)工藝形成的一個(gè)整體結(jié)構(gòu),如圖2所示,在車輛運(yùn)行過(guò)程中主要起到牽引、減振的作用。

圖2 牽引拉桿節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 外觀檢查

按照《城際動(dòng)車組二級(jí)修檢修要求》,對(duì)運(yùn)營(yíng)時(shí)間達(dá)4～6年的某型城際動(dòng)車組進(jìn)行檢修時(shí),發(fā)現(xiàn)牽引拉桿節(jié)點(diǎn)的橡膠表面出現(xiàn)了裂紋,如圖3所示。裂紋位于拉桿節(jié)點(diǎn)橡膠端面中部近芯軸側(cè),與芯軸螺栓安裝面平行,裂紋長(zhǎng)度為60 mm,超出了檢修標(biāo)準(zhǔn),而且裝用于動(dòng)車的牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)的裂紋明顯比拖車嚴(yán)重。

圖3 牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)裂紋位置及形態(tài)

1.2 剖切后產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)檢查

抽取返廠產(chǎn)品實(shí)施剖切,以確認(rèn)橡膠裂紋的深度、擴(kuò)展方向及趨勢(shì),如圖4所示。檢查發(fā)現(xiàn),裂紋出現(xiàn)在橡膠端面,圓弧與直線過(guò)渡處,逐步向橡膠內(nèi)部擴(kuò)展。裂紋最深可達(dá)11 mm,接近芯軸表面。

圖4 剖切后裂紋擴(kuò)展情況

1.3 裂紋后節(jié)點(diǎn)剛度性能檢測(cè)

對(duì)該型城際動(dòng)車組返廠的8件牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)以及首列車全數(shù)牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)實(shí)施剛度檢測(cè),產(chǎn)品的徑向剛度均能滿足檢修標(biāo)準(zhǔn)的要求,平均剛度偏差為-21.9%,未超過(guò)-30%的技術(shù)規(guī)范要求。從產(chǎn)品性能角度評(píng)估,問(wèn)題產(chǎn)品仍舊可滿足使用要求。

2 牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)開(kāi)裂原因分析

2.1 牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)受力分析

牽引拉桿用于傳遞車體與轉(zhuǎn)向架支架的縱向力,牽引拉桿節(jié)點(diǎn)安裝在牽引拉桿兩端,起到緩沖、減振的作用。牽引拉桿受力工況主要分為3類:

(1) 當(dāng)轉(zhuǎn)向架與車體之間不存在相對(duì)橫移量時(shí),節(jié)點(diǎn)主要受徑向載荷;

(2) 當(dāng)轉(zhuǎn)向架與車體之間存在相對(duì)橫移量時(shí),節(jié)點(diǎn)主要受偏轉(zhuǎn)載荷;

(3) 上述二者的復(fù)合載荷。

根據(jù)牽引拉桿的受力工況,建立牽引拉桿的有限元模型,分別對(duì)牽引拉桿施加上述3種工況載荷,3種工況載荷下的應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。經(jīng)有限元分析,在徑向載荷工況下,牽引拉桿節(jié)點(diǎn)橡膠應(yīng)變最大位置位于外筒側(cè)與芯軸“肩部”,橡膠最大主應(yīng)變?yōu)?.341;在偏轉(zhuǎn)載荷工況下,牽引拉桿節(jié)點(diǎn)橡膠應(yīng)變最大位置位于芯軸“肩部”和“頸部”,橡膠最大主應(yīng)變?yōu)?.138;復(fù)合載荷工況下節(jié)點(diǎn)橡膠應(yīng)變最大位置位于橡膠自接觸部位,出現(xiàn)了橡膠褶皺,且表現(xiàn)有明顯應(yīng)力集中,橡膠最大主應(yīng)變?yōu)?.824。通過(guò)對(duì)不同工況下橡膠最大應(yīng)變出現(xiàn)的位置與實(shí)物出現(xiàn)裂紋的位置進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在第三種復(fù)合載荷工況下,兩者出現(xiàn)的位置一致,這表明,該種橡膠裂紋是牽引拉節(jié)點(diǎn)在復(fù)合載荷工況下產(chǎn)生的。

圖5 各工況下?tīng)恳瓧U節(jié)點(diǎn)應(yīng)變?cè)茍D與實(shí)物裂紋對(duì)比

3種載荷工況下的節(jié)點(diǎn)橡膠分析結(jié)果見(jiàn)表1,應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖5(a)～圖5(c),實(shí)物橡膠裂紋照片見(jiàn)圖5(d)。

表1 疲勞試驗(yàn)工況表

2.2 城際動(dòng)車組運(yùn)行狀態(tài)分析

裝用該問(wèn)題牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)的城際動(dòng)車組為8節(jié)車廂,其中動(dòng)車為2、3、6、7節(jié),拖車為1、4、5、8節(jié),車輛的最大牽引力為78.5 kN,轉(zhuǎn)向架軸重為17 t,運(yùn)行線路為國(guó)內(nèi)某城際線。經(jīng)溝通及運(yùn)行記錄查詢,存在橡膠開(kāi)裂的拉桿節(jié)點(diǎn)只出現(xiàn)在該段運(yùn)行線路,該段線路有如下特點(diǎn):

(1) 線路站點(diǎn)間距較短,車輛啟停頻繁,拉桿節(jié)點(diǎn)承受極限疲勞載荷的頻次較高。

(2) 線路曲線相對(duì)較多,且曲線半徑較小。車輛過(guò)曲線時(shí)牽引拉桿節(jié)點(diǎn)頻繁發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)。

2.3 裂損原因分析

基于城際動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),結(jié)合牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)有限元分析結(jié)果以及實(shí)物橡膠裂紋的狀態(tài)分析,該橡膠節(jié)點(diǎn)橡膠裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)?牽引拉桿節(jié)點(diǎn)在多小曲線半徑、站間距短、啟停頻繁的線路上,牽引拉桿節(jié)點(diǎn)受到徑向與偏轉(zhuǎn)共同作用的復(fù)合載荷工況,并承受頻繁的交變載荷,橡膠表面局部位置存在應(yīng)力集中,長(zhǎng)期使用使應(yīng)力集中位置產(chǎn)生了橡膠疲勞裂紋。

2.4 技術(shù)分析驗(yàn)證

根據(jù)產(chǎn)品裂損原因分析、車輛運(yùn)行線路特點(diǎn)、牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)受力工況,重新制定了疲勞試驗(yàn)方案,以再現(xiàn)產(chǎn)品裂損狀態(tài),確認(rèn)產(chǎn)品損裂工況。疲勞試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

試驗(yàn)表明,在疲勞工況1下執(zhí)行20萬(wàn)次疲勞循環(huán),節(jié)點(diǎn)橡膠出現(xiàn)損壞情況,損壞位置靠近外筒側(cè);在疲勞工況2下執(zhí)行15萬(wàn)次疲勞循環(huán),節(jié)點(diǎn)橡膠出現(xiàn)損壞,節(jié)點(diǎn)外筒側(cè)與芯軸“肩部”均出現(xiàn)橡膠裂紋;在疲勞工況3執(zhí)行15萬(wàn)次循壞,節(jié)點(diǎn)橡膠出現(xiàn)損壞,表現(xiàn)為靠近芯軸側(cè)橡膠開(kāi)裂,開(kāi)裂至芯軸金屬表面,該種破壞的裂紋位置及裂紋延伸方向與現(xiàn)車產(chǎn)品破壞型式基本一致。3種疲勞工況下的牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)疲勞損壞情況如圖6所示。

圖6 牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)裂損狀態(tài)

2.5 技術(shù)分析結(jié)論

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析,得出以下結(jié)論:

(1) 某城際動(dòng)車組牽引拉桿節(jié)點(diǎn)的橡膠開(kāi)裂,是在徑向和偏轉(zhuǎn)復(fù)合載荷(偏轉(zhuǎn)載荷為主)作用下,橡膠應(yīng)力集中處產(chǎn)生裂紋并不斷擴(kuò)展而形成的;

(2) 橡膠裂損的出現(xiàn),與線路曲線多、頻繁啟停等運(yùn)行條件有關(guān);

(3) 確定了再現(xiàn)裂損的試驗(yàn)條件:徑向載荷為 ±31.4 kN,徑向頻率為0.5 Hz;偏轉(zhuǎn)角度為±7 °,偏轉(zhuǎn)頻率為1 Hz,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,再現(xiàn)了故障工況。

為提升產(chǎn)品對(duì)車輛運(yùn)用條件的適用性,有必要對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化,綜合產(chǎn)品使用壽命,優(yōu)化目標(biāo)在相同疲勞試驗(yàn)工況下,疲勞壽命提高到原產(chǎn)品10倍以上。

3 牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)裂紋問(wèn)題解決措施

3.1 解決思路

對(duì)于某型城際動(dòng)車組用牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)早期橡膠裂損的優(yōu)化思路主要有如下2個(gè)方向:

(1) 結(jié)構(gòu)調(diào)整,降低產(chǎn)品在復(fù)合載荷下的應(yīng)力水平,受載下的應(yīng)力盡量均勻,避免應(yīng)力集中從而提高其疲勞壽命;

(2) 材料調(diào)整,采用抗應(yīng)力及抗疲勞性能更高的橡膠材料,提高產(chǎn)品承載能力,從而提高疲勞壽命。

3.2 思路分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)調(diào)整

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)決定了產(chǎn)品剛度性能,結(jié)構(gòu)調(diào)整會(huì)使產(chǎn)品各向剛度產(chǎn)生變化。在保證徑向剛度不變的情況下,產(chǎn)品軸向、扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)靜剛度會(huì)發(fā)生變化,這種變化可能導(dǎo)致載荷條件的變化,可能暴露出新的風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致優(yōu)化的失敗。因此,結(jié)構(gòu)調(diào)整的優(yōu)化方案需要綜合車輛整體參數(shù)的驗(yàn)證調(diào)整,此優(yōu)化思路的設(shè)計(jì)難度、驗(yàn)證難度都較大。

3.2.2 材料調(diào)整

結(jié)構(gòu)保持不變,提高橡膠材料的強(qiáng)度與耐久性。產(chǎn)品的剛度性能變化小,優(yōu)化后的產(chǎn)品裝車運(yùn)用時(shí),受載條件不產(chǎn)生變化,上述得出的驗(yàn)證條件可直接應(yīng)用于優(yōu)化產(chǎn)品。因此,認(rèn)為材料調(diào)整優(yōu)化思路具備實(shí)施條件,可優(yōu)先實(shí)施。

4 材料調(diào)整及試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)進(jìn)一步提高橡膠材料耐疲勞性能的設(shè)計(jì)要求,對(duì)原橡膠配方進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和研究并進(jìn)行了橡膠配方的試驗(yàn)驗(yàn)證,提高了橡膠材料的抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、耐屈撓能力。經(jīng)調(diào)整,優(yōu)化后的橡膠材料的主要力學(xué)性能有顯著提高,主要性能參數(shù)對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 橡膠性能優(yōu)化對(duì)比結(jié)果

橡膠材料改進(jìn)后,重新對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn),并按照前述驗(yàn)證過(guò)程中重現(xiàn)橡膠裂紋故障的方法,對(duì)改進(jìn)優(yōu)化后的產(chǎn)品重新進(jìn)行疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證(與2.4節(jié)工況3條件相同)。試驗(yàn)表明,在疲勞循環(huán)160萬(wàn)次時(shí),橡膠靠近外筒位置出現(xiàn)輕微橡膠損壞;在疲勞循環(huán)172萬(wàn)次時(shí),節(jié)點(diǎn)接近芯軸位置橡膠出現(xiàn)了顯著的裂紋。與既有產(chǎn)品相比,產(chǎn)生橡膠裂紋的疲勞試驗(yàn)次數(shù)顯著提高。

試驗(yàn)前、疲勞循環(huán)50萬(wàn)次、疲勞循環(huán)160萬(wàn)次、疲勞循環(huán)172萬(wàn)次的試驗(yàn)產(chǎn)品裂損狀態(tài)如圖7所示。

圖7 橡膠材料優(yōu)化后產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)過(guò)程中裂損狀態(tài)

4.1 疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證情況分析

4.1.1 產(chǎn)品外觀

優(yōu)化后的產(chǎn)品在進(jìn)行50萬(wàn)次疲勞循環(huán)后,外觀未見(jiàn)異常,實(shí)際出現(xiàn)橡膠表面裂損時(shí)間為160萬(wàn)次循環(huán)以后,裂紋位置靠近外筒側(cè),在172萬(wàn)次疲勞循環(huán)后靠近芯軸側(cè)也出現(xiàn)了橡膠裂紋。綜上所述,按照相同的疲勞試驗(yàn)方法,優(yōu)化產(chǎn)品出現(xiàn)橡膠裂紋的疲勞次數(shù)有了顯著提高,試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)提高至11倍以上,并且在172萬(wàn)次疲勞循環(huán)后又再現(xiàn)了原產(chǎn)品的故障現(xiàn)象。

4.1.2 產(chǎn)品性能

對(duì)出現(xiàn)裂紋后的產(chǎn)品分別在160萬(wàn)次、172萬(wàn)次后進(jìn)行了徑向剛度試驗(yàn),以驗(yàn)證產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋后對(duì)性能的影響,試驗(yàn)表明:

(1) 優(yōu)化后產(chǎn)品在160萬(wàn)次疲勞循環(huán)后,徑向剛度出現(xiàn)了降低的情況,降低了25.5%,雖出現(xiàn)下降但仍滿足剛度變化率小于30%的技術(shù)規(guī)范要求;

(2) 172萬(wàn)次疲勞循環(huán)后,剛度變化率達(dá)到-41.1%,超出了技術(shù)規(guī)范的要求范圍。

綜合考慮優(yōu)化后產(chǎn)品出現(xiàn)橡膠裂紋的時(shí)間、產(chǎn)品的實(shí)際使用工況和壽命,優(yōu)化后的產(chǎn)品疲勞壽命比優(yōu)化前調(diào)高了10倍以上,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。同時(shí)建議后續(xù)對(duì)技術(shù)規(guī)范中的試驗(yàn)方法進(jìn)行更新,參照前述驗(yàn)證試驗(yàn)方法,將出現(xiàn)橡膠裂紋的疲勞次數(shù)修改為150萬(wàn)次。

4.1.3 試驗(yàn)后產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)

剛度性能檢測(cè)后,對(duì)疲勞試驗(yàn)后的產(chǎn)品進(jìn)行了剖切檢驗(yàn),進(jìn)一步檢查疲勞試驗(yàn)橡膠裂紋狀態(tài)。檢查發(fā)現(xiàn),外筒處的橡膠裂紋較淺,主要是橡膠和金屬外套在疲勞過(guò)程中摩擦生熱導(dǎo)致的淺層橡膠裂解和發(fā)粘,從而造成該位置橡膠出現(xiàn)裂紋,因其深度較淺,對(duì)性能影響較小。近芯軸位置的橡膠裂紋向芯軸方向沿伸,同現(xiàn)車故障件的形貌基本一致,因其深度較深,對(duì)剛度性能的影響增大。綜合橡膠內(nèi)部剖切檢驗(yàn)結(jié)果,進(jìn)一步確定了150萬(wàn)次疲勞次數(shù)的合理性,在該種條件下,既滿足使用壽命需求,橡膠未產(chǎn)生裂紋,剛度變化也符合技術(shù)規(guī)范要求。剖切后的產(chǎn)品照片如圖8所示。

圖8 剖切后樣品內(nèi)部狀態(tài)

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)車返廠產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)查、測(cè)試、剖切,對(duì)車輛運(yùn)用線路的研究和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的FEM分析,推測(cè)出該城際線運(yùn)行的某型城際動(dòng)車組用牽引拉桿節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)橡膠裂損的原因,以裂損再現(xiàn)疲勞試驗(yàn)的方式驗(yàn)證了推測(cè)原因的合理性,并提出了具體的解決措施和方法,為類似產(chǎn)品問(wèn)題的解決提供了設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

(1) 針對(duì)牽引拉桿橡膠節(jié)點(diǎn)類產(chǎn)品,其橡膠疲勞裂損受線路影響較大,疲勞裂損是在偏轉(zhuǎn)載荷為主的徑向和偏轉(zhuǎn)復(fù)合載荷作用下,橡膠承受交變載荷,橡膠局部應(yīng)力集中位置產(chǎn)生了橡膠裂紋并不斷擴(kuò)展而形成的。其裂損再現(xiàn)的疲勞試驗(yàn)為徑向和偏轉(zhuǎn)復(fù)合載荷工況,對(duì)于牽引拉桿節(jié)點(diǎn)的疲勞方案具有指導(dǎo)意義。

(2) 高強(qiáng)度、高耐久橡膠材料可有效改善橡膠應(yīng)力集中區(qū)域的抗疲勞性能,延緩表面裂損的發(fā)生,有效提升牽引拉桿節(jié)點(diǎn)類產(chǎn)品的疲勞壽命。

(3) 工程問(wèn)題的解決途徑往往是多樣的,相比其他途徑,本文提出的解決問(wèn)題的思路、方法和措施成本低、效率高,可為后續(xù)類似問(wèn)題的解決提供借鑒。