軌道車輛用橫向止檔的研制

常 浩，李 禹，劉湘黔*，葛 琪，程海濤

（1.湖南安全技術職業學院，湖南 長沙 410151；2.株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

由于具有獨特的物理和化學特性，橡膠材料在軌道車輛轉向架懸掛系統中得到了廣泛的應用。在轉向架懸掛系統中，設置在車體與構架之間的橫向止擋如圖1所示。當車輛通過彎道時，橫向止擋能夠有效減緩車體的橫向振動，確保車輛行駛的舒適性和平穩性，同時防止車體出現過大的橫向位移，保障行車安全[1-5]。

圖1 橫向止檔的安裝示意Fig.1 Diagram of installation of lateral stop

本工作基于Abaqus軟件，在滿足客戶各項要求的前提下開發一種結構緊湊型橫向止檔，其間針對試制過程中出現的問題提出相應的解決措施，順利完成產品試制，并通過型式試驗驗證該產品結構的可靠性，實現批量生產和裝車，這對類似產品的開發具有參考性[6-8]。

1 橫向止檔的技術要求

橫向止檔是由金屬底板（簡稱底板）、橡膠層和頂部耐磨板（簡稱耐磨板）在一定硫化條件下加工而成的。其底板和橡膠層的設計主要包括剛度計算、強度校核以及疲勞壽命預測等[9]。本工作需要的橫向止檔在限定輪廓尺寸的前提下，有較高的剛度要求，其剛度非線性明顯。

通過前期的仿真計算，本工作橫向止檔采用底板與耐磨板之間夾橡膠層的“三明治”結構，如圖2所示。該結構采用在橡膠層中部打孔的方式實現變剛度的目標，耐磨板可以保障縱向滑動的靈活性。

圖2 橫向止檔的結構示意Fig.2 Diagram of structure of lateral stop

2 有限元仿真分析

在橫向止檔的開發中，有限元技術的應用極大地縮短了產品的開發周期，減少了試驗設備的投入，降低了開發成本。通過有限元仿真分析可靈活調整產品的結構直至各項性能滿足要求，且能有效避免產品出現應力集中[10]。

2.1 有限元模型的建立

橫向止檔的有限元模型采用簡化后的實體全模型（見圖3），底板和耐磨板采用C3D8R單元進行模擬，橡膠層采用C3D8H單元進行模擬，底板網格數量為5 640，耐磨板網格數量為8 460，橡膠層網格數量為46 389。

圖3 橫向止檔的有限元模型及加載方式Fig.3 Finite element model and loading method of lateral stop

2.2 橡膠材料的超彈性模型及性能

根據橫向止檔的結構特點，其橡膠材料采用天然橡膠膠料，本構模型采用超彈性本構模型，相應的Mooney-Rivlin參數如下：邵爾A型硬度60 度，C100.269 MPa，C010.065 MPa，D10.000 1。這些數據來源于株洲時代新材料科技股份有限公司的材料基礎數據庫。

橫向止檔橡膠材料的物理性能如表1所示。

表1 橡膠材料的物理性能Tab.1 Physical properties of rubber material

橫向止檔底板由Q345B低碳合金鋼板與螺栓焊接而成，耐磨板采用錦綸66材料，二者的材料性能要求分別如表2和3所示。

表2 底板材料的性能要求Tab.2 Property requirements of bottom plate material

表3 耐磨板材料的性能要求Tab.3 Property requirements of wear-resistant plate material

2.3 載荷與邊界條件

加載過程貼近實際，采用底板固定及橫向施加載荷的方式（見圖3）。

3 結果與討論

3.1 結構可靠性

橫向止檔的橫向載荷-變形曲線如圖4所示，在橫向極限載荷下橫向止檔的應變和應力云圖如圖5所示。

圖4 橫向止檔的橫向載荷-變形曲線Fig.4 Lateral load and deformation curves of lateral stop

圖5 在橫向極限載荷下橫向止檔的應變和應力云圖Fig.5 Strain and stress nephograms of lateral stop under lateral ultimate load

從圖4可以看出，橫向止檔的試驗和仿真橫向載荷-變形曲線基本吻合，該橫向止檔的結構能夠較好地滿足變剛度的設計要求。

從圖5可以看出：在橫向極限載荷下橫向止檔橡膠層的最大應變為106.9%，遠低于橡膠材料的拉斷伸長率；底板的最大應力為27.62 MPa，遠小于其材料的屈服強度；耐磨板承受的最大應力為24.97 MPa，滿足其材料的強度要求。因此，橫向止檔的結構可靠性能夠得到保證。

3.2 產品試制

本工作橫向止檔較小，且剛度性能要求較高，在試制過程中多次出現質量問題，通過設計、工藝、檢測等部門的合作，均得到妥善解決?，F將問題和解決措施簡介如下。

（1）安裝尺寸難以保證。橫向止檔的安裝尺寸公差較小，而底板僅有3 mm厚，底板在運輸和噴砂過程中出現碰撞、硫化過程中出現熱脹冷縮不均勻（在橡膠層挖孔部位更為明顯）現象均會導致橫向止檔的安裝尺寸變化，其中碰撞導致的安裝尺寸變化是隨機的，而熱脹冷縮導致的安裝尺寸變化則有規律可循。

解決措施如下：橫向止檔的底板采用泡棉、氣泡袋等包裝后運輸，采用定噴方式噴砂，從而避免變形；通過對10個橫向止檔樣品的整個加工過程的跟蹤測量，發現其硫化的熱脹冷縮會導致0.5 mm左右的變形尺寸偏差（見圖6），在產品優化設計中將該變形計入。

圖6 硫化后橫向止檔的變形示意Fig.6 Diagram of deformation of lateral stop after vulcanization

（2）底板與螺栓焊接處易反酸。初始設計中橫向止檔的底板與螺栓采用點焊的方式固定，在硫化過程中發現底板與螺栓頭間隙有反酸的現象[見圖7（a）]，影響膠粘劑的粘結性能。

圖7 橫向止檔底板的防反酸結構改進Fig.7 Improvement of anti acid structure of bottom plate of lateral stop

解決措施如下：橫向止檔的底板與螺栓采用滿焊后打磨的處理方式[見圖7（b）]，既解決了反酸問題又可以避免焊縫過大影響橫向止檔的剛度。

（3）耐磨板容易錯位。針對橫向止檔的結構特點，其硫化裝模采用倒置固定的形式，耐磨板在模具槽內依靠自身重力定位。由于耐磨板的質量較小，橫向止檔硫化時因高溫高壓橡膠流體的沖擊作用，會出現耐磨板錯位的現象[見圖8（a）]。

圖8 耐磨板固定前后的橫向止檔Fig.8 Lateral stop before and after fixation of wear-resistant plate

解決措施如下：在放置耐磨板的橫向止檔四周添加固定卡扣[見圖8（b）]，保證耐磨板準確定位。

4 型式試驗驗證

根據橫向止檔的安裝位置及使用功能，本工作設計了橫向止檔的型式試驗驗證方案（見表4），對外觀、尺寸和材料性能檢驗合格的橫向止檔產品進行試驗驗證[11-12]。

表4 橫向止檔的型式試驗驗證方案Tab.4 Verification scheme for type experiments of lateral stop

4.1 橫向靜態剛度試驗

橫向止檔的橫向靜態剛度試驗方案為：連續施加0～28.5 kN的3個橫向加、卸載循環，加、卸載速度均為20 mm·min-1，記錄第3個循環的加載中1.5，9.2和27.5 kN載荷下的變形。

橫向止檔的橫向靜態剛度試驗裝置如圖9所示，橫向止檔的橫向載荷-變形特性如表5所示。

表5 橫向止檔的橫向載荷-變形特性Tab.5 Lateral load-deformation characteristics of lateral stop

圖9 橫向靜態剛度試驗裝置Fig.9 Device of lateral static stiffness experiment

4.2 摩擦試驗

為了確定橫向止檔的摩擦性能，驗證縱向位移過大時橫向止檔能否及時滑動，本工作對橫向止檔進行了摩擦試驗，試驗裝置如圖10所示。橫向止檔的摩擦試驗結果如表6所示。

表6 橫向止檔的摩擦試驗結果Tab.6 Friction experiment results of lateral stop

圖10 摩擦試驗裝置示意Fig.10 Diagram of device of friction experiment

從表6可以看出：在不同的加載速度下，橫向止檔的打滑點縱向位移和摩擦因數各不相同，最大的打滑點縱向位移為10 mm；加載速度越大，打滑點縱向位移越小，加載速度為15 mm·s-1時，打滑點縱向位移為5 mm，此時摩擦因數為0.190，仍滿足設計要求（≤0.200）。

摩擦試驗后的橫向止檔如圖11所示。

圖11 摩擦試驗后的橫向止檔Fig.11 Lateral stop after friction experiment

從圖11可以看出，摩擦試驗后的橫向止檔外觀良好，無開裂、脫膠和掉渣等現象，滿足設計要求。

4.3 熱老化試驗

熱老化試驗主要驗證橫向止檔在較高的環境溫度下的性能變化，試驗過程為：先將橫向止檔在70 ℃的環境中放置14 d，再在室溫環境中放置48 h，之后進行性能檢測。橫向止檔熱老化試驗如圖12所示。

圖12 橫向止檔的熱老化試驗Fig.12 Thermal aging experiment of lateral stop

經檢測，熱老化試驗后橫向止檔的橫向剛度變化率約為+7%，滿足技術要求（不超過+15%），且承受橫向載荷22.25 kN時，變形為11.7 mm，也滿足技術要求（≤16 mm）。

4.4 疲勞試驗

完成橫向止檔結構與剛度的匹配后，采用基于Abaqus和Endurica平臺下的多軸疲勞壽命預測方法對橫向止檔進行疲勞壽命預測，并針對預測壽命合格的橫向止檔進行疲勞試驗[13]。

疲勞試驗是在產品結構開發階段驗證其設計可靠性的有效手段，本工作根據橫向止檔的實際使用工況設計了如圖13所示的疲勞試驗裝置，其模擬橫向止檔實際使用過程中同時出現橫向載荷和縱向位移的情況。

圖13 疲勞試驗裝置Fig.13 Device of fatigue experiment

疲勞試驗參考EN 13913—2003進行，實時監測橡膠層溫度，采用風扇、空調等保障橡膠層溫度不高于40 ℃，試驗方法如下：橫向預載為8.9 kN（靜態），縱向位移為±10 mm（動態，頻率1～2 Hz），疲勞73 000次，共有7 300個小循環，每個小循環包含10個周期（誤差為±10 mm），相鄰2個小循環間隔2 s進行。疲勞試驗后的橫向止檔如圖14所示。

圖14 疲勞試驗后的橫向止檔Fig.14 Lateral stop after fatigue experiment

對試驗后的橫向止檔進行外觀檢查，并測量其橫向剛度和自由高度。從圖14可以看出，疲勞試驗完成后，橫向止檔的橡膠層、耐磨板和底板均沒有裂紋和嚴重磨損等損壞，組件之間沒有開膠，外觀良好。另外，疲勞試驗后的橫向止檔承受橫向載荷22.25 kN時變形為10 mm（要求≤16 mm），橫向剛度變化率最大為+7.56%（要求≤+15%），自由高度變化為+1.5 mm（要求＜+2.5 mm）。試驗結果表明，該橫向止檔的使用壽命能較好地滿足設計要求。

5 結論

（1）本工作開發的橫向止檔的剛度具有明顯的非線性，試驗表明其結構的可靠性高，能較好地滿足軌道車輛過彎道時的橫向變剛度要求，同時滿足車輛的動力學性能。

（2）本工作開發的橫向止檔采用“三明治”結構，耐磨板使橫向止檔在10 mm的縱向變形時即可打滑，能有效避免因縱向大變形導致橫向止檔的剪切力過大，從而延長橫向止檔的疲勞壽命，降低其全生命周期成本。

（3）本工作橫向止檔的開發充分考慮了底板運輸碰撞、工藝規程和硫化變形（尤其橡膠層的挖孔等結構會影響橡膠層收縮率和底板熱脹冷縮均勻性）等多方面因素對產品性能的影響，產品的性能穩定。