某型低地板车辆沙漏簧国产化的研制_张会杰.pdf

电气与自动化张会杰，等某型低地板车辆沙漏簧国产化的研制第一作者简介:张会杰(1984)，男，山东聊城人，高级工程师，硕士，研究方向为转向架设计。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301050某型低地板车辆沙漏簧国产化的研制张会杰1，黄江彪2，李天一1，张雪平1，李沛轩1(1 中车青岛四方机车车辆股份有限公司 技术中心，山东 青岛 266111;2 株洲时代新材料科技股份有限公司 轨道交通事业部，湖南 株洲 412007)摘要:沙漏型橡胶弹簧具有刚度小、结构简单、质量轻等优点，常用于城轨低地板车辆二系悬挂系统。介绍一种低地板车辆用沙漏簧国产化研制过程，研究城轨车辆二系悬挂系统的运动机理。通过理论计算和参数选型得到适合该低地板车辆的沙漏簧，构建了沙漏簧的有限元模型，探明了橡胶件有限元建模的规律，并通过试验验证了有限元仿真的准确性。结果表明:该沙漏簧刚度、蠕变及疲劳等性能满足设计需求。关键词:沙漏型橡胶弹簧;低地板车辆;国产化研制;有限元仿真;性能试验中图分类号:TP3919文献标志码:B文章编号:1671-5276(2023)01-0204-05Development of Homemade Hourglass Spring for a Lowfloor VehicleZHANG Huijie1，HUANG Jiangbiao2，LI Tianyi1，ZHANG Xueping1，LI Peixuan1(1 Technology Center，CC Qingdao Sifang Locomotive olling Stock Co，Ltd，Qingdao 266111，China;2 ail Transportation Business Unit，Zhuzhou Time New Material Technology Co，Ltd，Zhuzhou 412007，China)Abstract:Hourglass rubber，small in stiffness，simple in structure and light in weight，is commonlly used in the secondarysuspension system of urban rail low floor vehicle This paper introduces the homemade development process of the hourglassspring for a lowfloor vehicle，and studies the motion mechanism of the secondary suspension system of urban rail vehicle Thetheoretical calculation and parameter selection are performed to abtain the hourglass spring suitable for the lowfloor vehicle Thefinite element model of the hourglass spring is constructed，and the law of finite element modeling of rubber parts is exploredExperiments are conducted to verify the accuracy of the finite element simulation，with the conclusion indicating that the stiffness，creep and fatigue properties of the developed hourglass spring meet the requirements as designedKeywords:hourglass rubber spring;lowfloor vehicle;homemade development;finite element simulation;performance test0引言城市低地板有轨电车是一个日益受到重视的城市交通工具，它具有启停频繁、车速较低、道路曲线多且曲率半径较小等特点。随着人们对环保、便利以及使用舒适度的需求越来越高，对车辆设计水平要求也更高。低地板车辆因为其结构紧凑、空间较小，又不要求站台高于地面或是轨道低于地面，既不影响道路的总体布局，而且费用较低，所以在国内各个城市的普遍使用12。为了满足低地板车工程设计中需要的转向架结构紧凑的特点，鉴于传统钢簧具有在 3 个方向上变化很大的缺点，设计人员通常选用沙漏型橡胶弹簧应用于二系悬挂设计中，称为沙漏簧。它可以在一定程度上减少转向架造价、简化走行部构造，以及为客车设计提供理想的空重车垂向柔性和横向刚度。有轨电车的普遍工作速度并不高，使用沙漏簧能够在满足二系悬挂的安装高度的同时降低车地板面高度。因此国内不少科研人员对沙漏簧进行了深入研究。赵刚强3 分别通过有限元分析以及现场试验的方法分析了沙漏簧的应力、应变分布以及相关的物理性能。冯万盛等4 分析了沙漏簧的稳定性并探讨了弹簧结构和转向架空间布局的关系。刘兴起等5 以某种橡胶弹簧为例介绍了等频减振设计方法。周炜等6 介绍了沙漏簧的优点，分析了其结构优点以及其垂向的刚度非线性特征。陈清化等7 设计了一款可变刚度轴向垂向橡胶弹簧可提升车辆的运行品质。我国早期使用的沙漏簧都从国外进口。近年来，随着橡胶冶炼技术的提升，沙漏簧实现国产化渐渐成为了可能。本文针对某型低地板车辆装车用沙漏簧进行国产化研制，从车辆性能要求、结构设计、强度计算及性能验证试验等方面研讨了其研发过程，以期对后续车辆悬挂件国产化的研制提供技术指导。1沙漏簧的初步设计11沙漏簧的结构特点沙漏簧是一种由橡胶制成的弹性元件，外形基本为轴对称，主体结构由顶板、橡胶、隔板和底板等组成，如图 1所示。橡胶硫化体为其核心部件，是经硫化生产工艺加工402电气与自动化张会杰，等某型低地板车辆沙漏簧国产化的研制而成，直径呈中间小两端大的形似沙漏式的结构，生产时会在弹簧内部加装支撑组件，均为金属制成，可以在轴向为弹簧起加强作用。处于上下两端的顶板和底板起连接作用，用于和车体、构架相连，与此同时，它还有限制车体极限位移的作用。图 1沙漏簧结构简图某低地板车辆每转向架设计装配 4 套沙漏簧，一端通过螺栓将顶板与车体连接，另一端连接在构架上，如图 2所示。低地板车辆采用此种悬挂方式可以保证车体转角适当增大，在通过小曲线时让车辆拥有良好的动力学性能。图 2沙漏簧安装结构简图12理论初步设计根据低地板车辆设计需求，首先对沙漏簧的刚度和基本尺寸进行初步设计。沙漏簧的刚度计算公式8:垂向:k=l(c+rc)h(1Esin2+Gcos2)式中:形状系数 1=1+mS，系数 m 是与橡胶材料组成有关的常数，面积比 S=l2h;E 为橡胶弹性模数;G 为橡胶剪切模数;c、rc、l、h、是与产品结构有关的参数。径向:kr=(crc)tan ln 1+2hc+rc()(G+Ea)式中:Ea=iG，i=4+056kS2，而 S=l2h，k=(107 0098)HS，HS 为橡胶硬度值;G 为橡胶剪切模数;c、rc、l、h、是与产品结构有关的参数。参考结构设计要求，拟选用的橡胶簧尺寸如图 3所示。沙漏簧的设计垂向刚度为:450(110%)N/mm(135235kN)、750(110%)N/mm(245345kN)。图 3沙漏簧示意图2有限元计算仿真分析21沙漏簧的非线性有限元模型沙漏簧的顶板、隔板和底板部分运用 C3D8 单元模拟其 Q345B 材料的线弹特性，橡胶体部分使用 C3D8H 单元模拟其超弹特性，如图 4 所示。图 4沙漏簧有限元模型22刚度及应力应变分析1)沙漏簧刚度曲线利用仿真软件非线性方法进行求解沙漏簧的大变形问题，可以从仿真结果中得到应力、应变分布状态，在此基础上研究其在垂向和横向的刚度性能。各个方向上的刚度仿真计算结果如表 1 和表 2 所示。表 1沙漏簧的垂向特性项点刚度/(Nmm1)垂向载荷/kN设计要求计算结果135235450(110%)471245345750(110%)768表 2沙漏簧的横向特性项点刚度/(Nmm1)横向位移/mm设计要求计算结果5080(参考)83通过有限元模拟获得沙漏簧的垂向刚度曲线如图 5所示，横向刚度曲线如图 6 所示。502电气与自动化张会杰，等某型低地板车辆沙漏簧国产化的研制图 5静态垂向刚度计算曲线图 6静态横向刚度计算曲线从图 5 沙漏簧垂向刚度计算曲线可以看出其趋势和设计一致;表 1 和表 2 中列出了不同项点下沙漏簧垂向、横向刚度要求和计算结果，可以看出沙漏簧静态垂向刚度计算满足设计要求。2)最大应力、应变在实际使用中，应力超标是导致部件断裂的主要原因，故对模型进行有限元计算，获得模型的最大应力、应变结果如图 7、图 8 以及表 3 所示。图 7金属最大应力云图图 8橡胶最大应变云图表 3垂向加载 3569 kN 时最大应力、应变材料名称 最大应力/MPa 应变/屈服强度/MPa 安全系数金属橡胶1885102345183图 7 和图 8 是沙漏簧在垂向及横向载荷作用下，沙漏簧金属应力云图和橡胶部分应变云图。可以看出金属结构最大应力出现在上下盖板和橡胶连接处，橡胶应变出现在中部部位。表 3 中列出了沙漏簧金属件和橡胶件的最大应力和应变以及其对应的许用要求。从表 3 可以看出，沙漏簧的垂向静载分析满足工程要求。3性能试验沙漏簧在使用中主要承载车体垂向载荷，故根据此特点，试验测试了弹簧垂向刚度。工况根据载荷施加的快慢不同分为:静态刚度、动态刚度和冲击刚度试验。沙漏簧是一个重要部件，需要其有足够长的使用周期，故针对其寿命的相关试验，还包括耐疲劳性能、蠕变和低温特性等。31静态垂向刚度试验在试验台上，以非常低的速度在沙漏簧上施加载荷时，所施加的载荷与仪器测得的弹簧变形量之间的关系通常称之为静刚度，以 Ks表示。试验中选取 2 套沙漏簧按照如图 9 所示进行加载，在加载阶段测试沙漏簧在 135235kN 和 245345kN 载荷区间的刚度。图 9静态垂向刚度试验示意图试验结果如表 4 和图 10 所示，从表 4 中可以看出 2个沙漏簧在 135235kN 间的刚度分别为 45851N/mm和 45445N/mm，满足设计要求的 450(110%)N/mm，在245 345kN 间的刚度分别为 76588N/mm 和 76905602电气与自动化张会杰，等某型低地板车辆沙漏簧国产化的研制N/mm，满足设计要求的 750(110%)N/mm。图 10 给出了沙漏簧静态垂向刚度试验曲线。表 4静态垂向特性垂向载荷区间/kN刚度要求/(N/mm)试验结果P1/(N/mm)P2/(N/mm)判定135235450(110%)4585145445合格245345750(110%)7658876905合格图 10静态垂向刚度试验曲线32静态横向刚度试验当沙漏 簧 垂 向 分 别 预 载 AW0(18 5kN)和 AW3(295 kN)条件下，为了贴近实际使用状态，将车辆极限载荷以横向位移方式施加到模型上，所测得的载荷与变形的关系称之为静态横向刚度，以 Kh表示。试验中选取 2 套沙漏簧按照如图 11 所示进行加载，计算50mm 区间的刚度。图 11静态横向刚度试验示意图试验结果如表 5 和图 12 所示，从表 5 中可以看出两个沙漏簧在 185kN 下的横向刚度分别为 8532N/mm 和8025N/mm，在 29 5kN 下的横向刚度分别为 103 25N/mm和 96 54N/mm，刚度整体较小，横向自由度高。图 12 给出了沙漏簧静态横向刚度试验曲线。表 5静态横向特性垂向载荷/kN刚度要求试验结果P1/(N/mm)P2