摘  要： 文章详细介绍了某地铁车辆牵引橡胶关节初始设计方案的结构特点及存在的缺陷，并提出了改进的思路，利用有限元分析确定了新结构。 刚度和疲劳试验表明，新结构能够满足 100 万 km 以上的使用要求。

关键词： 牵引橡胶关节； 应变； 有限元分析； 强化疲劳试验

 

      地铁车辆牵引橡胶关节用于转向架中心牵引装置，安装于牵引杆两端，起传递牵引力的作用，是地铁转向架重要的弹性元件。 某地铁车辆牵引橡胶关节初始设计方案见图 1，由金属芯轴、外套和橡胶弹性体组成，经过硫化形成一个整体，再通过外套直径整体缩小工艺使橡胶得到一定的预压缩^[1]，从而提高橡胶关节的使用寿命^[2-4]。

      该牵引橡胶关节的技术要求为： 在 0～18 kN 下牵引方向的径向刚度为 15kN/mm，车辆起动和制动时最大径向载荷为 70 kN，最大径向变形在 4 mm 左右。 虽然图 1结构尽量的利用了产品的空间尺寸，橡胶层厚度达到了22 mm，但产品的径向最大拉应变还是高达 18.2%，橡胶鼓出现象十分严重，容易形成应力集中。 应变过大，加上应力集中，严重影响牵引橡胶关节的疲劳寿命^[5]。 三向强化疲劳试验（见图 2）证明，橡胶关节疲劳寿命达不到使用要求， 在疲劳试验进行到 40 万次时橡胶部分就出现了裂纹（见图 3）。

      经过有限元分析和结构对比， 笔者制订了如图 4所示的改进方案， 在牵引方向橡胶部分对称设置两个贯通孔，同时在芯轴上设置锥台状刚性止挡。这种结构与原结构相比有如下优点：

      1）基本消除了橡胶关节在牵引方向上的拉应变；

      2）减少了橡胶的体积，增大了橡胶的自由面，有效地解决了橡胶鼓出的现象，降低了橡胶的应力；

      3）这种结构在牵引方向的径向刚度随着载荷的增大而增大，当载荷增大到使芯轴刚性止挡与外套接触，不能继续径向变形，刚性止挡起到限位保护的作用，能够更好的满足地铁车辆动力学性能要求。

      为研究受力状况，对初始结构、改进结构进行有限元分析计算，分析的主要内容包括预压、垂向、纵向（牵引方向）的受力分析，两种结构在起动牵引力作用下的应变分布趋势见图 5、图 6。

      根据有限元分析结果，改进结构在预压、垂向、纵向（牵引方向）三个方向下的应变要小（见表 1），表明改进结构要比初始结构承载性能要好。

      试验结果表明， 两种结构的径向刚度均接近要求的中值 15 kN/mm，达到了技术规范要求。

      为了验证产品的疲劳性能， 对改进结构产品与初始结构产品进行了同等条件的对比试验， 试验条件与试验结果见表 2。 可以看出，改进结构通过了 100 万次的强化疲劳试验。

      通过对某地铁车辆牵引关节的结构改进研究，得出以下结论：

      1）改进结构产品疲劳性能远优于初始结构产品 ，能够满足 100 万 km 的运用要求。

      2）采用在受载方向橡胶部位开设贯通孔结构 ，可有效地降低橡胶关节在受载方向上的拉应变， 同时减少了橡胶的体积，增大了橡胶的自由面，有效地解决了橡胶鼓出的现象，降低了橡胶的应力。

      3）采用在芯轴上设置锥台状止挡的结构 ，可以在载荷较大时起到限位保护作用。

      4）本文研究的这种产品结构 ，特别适用于径向刚度要求较小，需要频繁承受较大冲击载荷的橡胶关节。