复合弹性元件的刚度分析.pdf

第3 l 卷第3 期2 0 0 8 年5 月2 0 日电力机车与城轨车辆E k c t r i cL o c o m o t i v e 3 M a s sT r a n s i tV e h i c e sV o L3 1N o 3M a y2 0 t h。2 0 0 8复合弹性元件的刚度分析贺世忠，黄勇明(南车株洲电力机车有限公司，湖南株洲4 1 2 0 0 1)摘要：轴箱拉杆横向定位刚度的稳定性对机车运行性能有很大影响。文章采用金属橡胶件取代传统的橡胶弹性件，解决了由于橡胶件性能不稳定和老化可能导致拉杆刚度变化的问题，提高了拉杆使用寿命。关键词：轴箱；拉杆；橡胶件；稳定性；刚度；老化中图分类号：U 2 6 0 3 3 1文献标识码：A文章编号：1 6 7 2 1 1 8 7(2 0 0 8)0 3-0 0 2 3-0 3S t i f f n e s sa n a l y s e so fc o m p o u n ds p r i n gH ES h i-z h o n g，H U A N GY o n g-m i n g(C S RZ h u z h o uE l e c t r i cL o c o m o t i v eC o，L i d，Z h u z h o u4 1 2 0 0 1，C h i n a)A b s t r a c t：T h es t a b i l i t yo fa x l er o dl a t e r a ls t i f f n e s si n f l u e n c e st h er u n n i n gq u M i t yo fl o c o m o t i v em a t e r i a l I nt h i sp a p e r，t r a d i t i o n a le l a s t i cr u b b e rp a r t sa r er e p l a c e db ye l a s t i cm e t a lp a r t sa n dt h ep r o b l e m sw h i c hm a y b eg i v er i s et ot h ec h a n g eo fr o dr i g i d i t yi sa t t a c k e db e c a u s eo ft h ei n s t a b i l i t ya n da g i n go fr u b b e rp a r t s，S Oa st oi m p r o v er o d sl i f e K e yw o r d s：a x l eb o x；r o d；r u h b e rp a r t；s t a b i l i t y；s t i f f n e s s；a g i n g0引言双拉杆轴箱定位方式是一种传统的成熟结构型式，该定位方式的纵横刚度，由拉杆两端的橡胶关节刚度、拉杆体和弹簧的横向刚度所决定。因此，橡胶元件的参数确定、元件制造、元件参数检测和拉杆合成刚度综合分析变得复杂，而且，橡胶件容易老化，使轴箱的定位刚度不能长期保持稳定。本文分析了轴箱纵向和横向定位刚度的各组成环节，比较了相关参数对它的影响，改进了拉杆设计，提高了拉杆的使用寿命和稳定性。1主要结构传统的轴箱拉杆结构如图1 所示，主要由拉杆体、橡胶套、橡胶垫和销轴构成。装用传统拉杆结构的机车，在使用一段时间后横向刚度有所变化，但没有规律，有增大的也有减小的，拉杆横向刚度变化率约在1 5 左右，拉杆寿命一般在1 3 万k m 到3 5 万k m 不等，不同的拉杆寿命可以相差几倍，很多横向拉杆没有达到使用寿命就更换了，增加了维护费用。如何提高拉杆的稳定性和使用寿命成为一个急需解决的问题。1 销轴；2 一橡胶套；3 橡胶垫；4 一拉杆体。图1 轴箱拉杆图拉杆性能的稳定性以及使用寿命与拉杆中的橡胶件有很大的关系。橡胶件具有吸震效果好，容易定型的优点，但是也有受环境影响大、具体性能参数难以确定等缺点。新型轴箱拉杆采用金属弹簧与橡胶结合，弥补了这方面的缺点，这种金属弹簧与橡胶件结合的轴箱拉杆不仅具有金属材料的稳定性，同时也具有橡胶件对振动，特别是高频振动衰减的性能。图2 和图3 为一种新型拉杆的销轴，该拉杆的主要特点是在拉杆体与销轴之间布置弹簧，弹簧的形状近似为一开口的圆环上均匀分布3 片螺旋状金属片，金属片的横截面为一个矩形；销轴上加工出收稿日期：2 0 0 7 0 8-0 9作者简介：贺世忠，工程师，2 0 0 3 毕业于啥尔滨工业大学机械制造及其自动化，硕士研究生，现从事机车转向架设计工作。一2 3 万方数据电力机车与城轨车辆2 0 0 8 年第3 期与圆环相匹配的槽，便于弹簧的安装。一根销轴由多圈金属弹簧组成，弹簧的尺寸和结构以及每一圈弹簧片的数量由每根拉杆的受力情况来决定。当拉杆受力时，金属弹簧与橡胶件同时发生变形，由于金属弹簧的刚度远远大于橡胶件的刚度，变形能主要储存在金属弹簧片内，金属弹簧的变形最终通过橡胶件的内摩擦以热能的形式释放出来，保证拉杆对振动衰减性能不下降的基础上，提高了拉杆刚度的稳定性和使用寿命。图2硫化前的销轴图3 硫化后的销轴2 金属弹簧的刚度计算金属弹簧由多圈完全相同的弹簧构成，每圈弹簧又由3 片相同的弹簧片按照一定角度排列，通过计算一片弹簧片的定位刚度，很容易计算出整个轴箱拉杆金属弹t簧对轴箱定位的贡献量。计算简图如图4 所示。图4 金属弹簧受力图弹簧片的纵、横向弯曲刚度矗，k，分别为：k，=E l l l 2 5 R 3(1)k，=E I 1 3 R 3(2)弹簧片的截面形状为矩形，E=1 9 6 2G P a，取弹簧片的宽度b 和厚度h 分别为：b=1 0m m，h=3m m，则弹簧的弯曲刚度为：姑1 9 6 2x1 0 9 警4 1 2 5(3 3 5 1 0 刁)3】=0 0 9 4 l 驴N h n(3)”1 9 6 2 1 0 9 警1 1 3(3 3 5 1 0 3)3】=0 0 9 8 1 0 6 N m(4)，当弹簧片受横向力作用时，横向受力如图5 所示，任取横截面m n 的位置由圆心角妒来确认，从弹簧片的俯视图可以看出截面m n 上受到弯矩肘和扭矩r 的作用，则：-2 4-M=P R s i n p(5)T=P R(1-c o,s(p)(6)因为横截面尺寸远少于半径R，弹簧片变形的计算近视为直杆的变形，则：d 皓警+器=学+幽塑二堂吐堑(7)2 G 积分求得整个弹簧片的变形能为：皓f f 学+r 巡铲=鲁+曼塑：互(8)4 G I o、。图5 弹簧片横向受力图根据能量守恒定律，集中力P 做的功等于弹簧片的变形能，则弹簧片的扭转刚度k。和弯曲刚度k 叫分别为：k n：鍪(9)I j “1-等L(1 0)与求径向刚度一样，E=1 9 6 2G P a，G=7 8 7G P a，b=1 0m m，h=3m i l l，对于非圆截面的扭转，边缘各点的剪切应力形成与边界相切的顺流。则杆件的极惯性矩L=f l h b 3，J B=0 2 6 3，则：，2 7 8 7 1 0 9 0 2 6 3 1 0 1 0-3(3 1 0。3)3庀n2 反i 酉而i 石露&而习r 一=0 3 1 5 1 0 6 N m(1 1)“=器=镙簪=0 8 3 0 6 x1 0 6 N m(1 2)轴箱拉杆每端关节里由多片弹簧片承受拉杆的横向力和径向力变形，当拉杆受拉(或受压)时，拉杆体相对销轴在径向有一个位移，导致关节里的金属弹簧发生变形。不考虑橡胶对金属弹簧片的影响，假设关节里有a 圈弹簧片，每一圈有3 片弹簧片，因为弹簧片按1 2 0。均有分布的，因此关节里小于知片弹簧承受径向力。当拉杆受到横向力时，拉杆体相对销轴在轴向有一个位移，关节内所有金属弹簧近似承受相同的轴向力，因此，关节的横向刚度为单片轴向刚度的3 倍。当拉杆体相对销轴发生转动时，转动角度为0(见图6)，一端关节内的金属弹簧片分别发生径向和轴向变形，轴向变形量为1 2 s i n O，径向变形量为Z：(1-c o s e)，实际情况0 是一个很小的角度，径向变形量可以忽略，综合变形量为它们矢量和，其大小约为 万方数据贺世忠等复合弹性元件的刚度分析2 0 0 8 年第3 期瑚，因此，关节的弯曲刚度约等于关节的横向刚度。k k=4 k，=4 0 0 9 4 1 0 6=0 3 7 6 1 0 6 N m(1 3)k l=k h=6 k。1=6 0 8 3 06 1 0 6=4 9 8 35 1 0 6N m(1 4)式中：后广纯金属弹簧关节的径向刚度；后广纯金属弹簧关节的横向刚度；k，一纯金属弹簧关节的弯曲刚度。3 拉杆综合刚度计算3 1 轴箱拉杆纵向刚度当轴箱拉杆受压(或受拉)n,-J-，对于采用橡胶垫和硫化的金属弹性件定位的轴箱，其定位刚度由两拉杆的纵向刚度并联；而对于单一的拉杆主要由拉杆关节橡胶套的径向刚度、金属弹簧和两端橡胶垫的剪切刚度构成，不考虑金属弹簧与橡胶之间的耦合作用。因此，双拉杆纵向刚度|妇为：后怕：2(丝些)：2 k。+J|舢R(1 5)二式中：一橡胶垫剪切刚度；后。-橡胶套径向刚度；J|_ 金属弹簧径向刚度。橡胶关节的k。值和金属弹簧k。，通常比k，小两个数量级，囚此k，和k。值可忽略。因此，式(1 5)可简化为：|姆=k，3 2 轴箱拉杆横向刚度(1 6)轴箱拉杆横向刚度计算简图如图6 所示，当拉杆B点受Y 方向的横向力P l 时，拉杆A 处和日处的平移丽和西了百万使金属弹簧受到轴向压缩，硫化的橡胶受到轴向剪切，橡胶垫受到压缩，平移刚度为它们位移刚度的并联。当拉杆转动0 角时，橡胶垫受到弯曲、剪切，金属弹簧受到扭转弯曲，橡胶受到弯曲，转角刚度为它们对应的刚度的并联，而拉杆的平移刚度与转角刚度为串联效应，因此，单拉杆的横向刚度为：后矿最削姥畿畿躺，几6 1 一Z 2 2(2 后2+七3+后h)+4(2 矗。l+后记+矗l Z l 2+后l Z l 2)、1 7式中：矗广橡胶垫剪切刚度；矗广橡胶垫的压缩刚度；七广硫化橡胶的轴向剪切刚度；矗。橡胶垫弯曲刚度；|以硫化橡胶弯曲刚度；Z 广橡胶垫之间的距离；f 厂轴箱拉杆长；|。一金属弹簧的扭转弯曲刚度。双拉杆的等效横向刚度为两根单拉杆横向刚度并联。k 丛1 2(2 刿k 2+k 3 薷+k 黼卷燃1 2)(1 8)“岖一h)“(2 后训“一她2+J|l Z叫采用目前S S 9 型机车轴向拉杆结构参数，使用金属弹簧的轴向拉杆横向定位刚度通过计算为2 5 4 1 0 6N m，而没有使用金属弹簧的轴向拉杆横向定位刚度为1 3 0 2 1 0 6N m，横向刚度是原来的2 倍左右。图6 单轴箱拉杆横向刚度计算图4 结论通过以上计算分析，在轴向拉杆增加金属弹簧片以后，金属弹簧对拉杆的径向刚度影响很少，可以忽略；但对拉杆的横向刚度影响很大，采用金属弹簧的轴箱横向刚度是只采用橡胶垫与橡胶套的轴向拉杆横向刚度的2倍，解决了轴向拉杆横向定位刚度不够的问题。同时，采用金属弹簧定位结合橡胶对振动有很好的衰减性，既保证了定位刚度的稳定性，又具有很好的吸振性能，有效地提高了拉杆的使用寿命。参考文献：【1】孙永鹏，罗世辉S S 9 改进型电力机车横向晃动问题研究叨机车电传动，2 0 0 6(2)【2】张红军，孙永鹏双拉杆式机车转向架轴箱定位刚度分析【J】机车电传动，2 0 0 4(5)【3】3中国铁道科学研究院机车车辆研究所改进后S S 9 型电力机车动力学性能试验报告 R】北京：中围铁道科学研究院，2 0 0 4【4】4Q C S R0 0 5 3 2 0 0 5，机车车辆减振橡胶件试验方法：第3 部分疲劳性能试验 S】【5】张英会弹簧手册 M I 北京：机械工业 n 版社，2 0 0 3【6】左国兵，王进，林达文金属一橡胶复合锥形弹簧的试验研究【J】铁道车辆，2 0 0 5(2)【7】周长峰，孙蓓蓓橡胶复合弹簧有限元分析【J】精密制造及其自动化，2 0 0 4(2)【8】8赵熙雍，张亚新金属橡胶液体复合弹簧的发展和应用 J】机车电传动，2 0 0 2(2)一2 5 万方数据复合弹性元件的刚度分析复合弹性元件的刚度分析作者：贺世忠，黄勇明，HE Shi-zhong，HUANG Yong-ming作者单位：南车株洲电力机车有限公司,湖南,株洲,412001刊名：电力机车与城轨车辆英文刊名：ELECTRIC LOCOMOTIVES&MASS TRANSIT VEHICLES年，卷(期)：2008,31(3)参考文献(8条)参考文献(8条)1.张红军;孙永鹏 双拉杆式机车转向架轴箱定位刚度分析期刊论文-机车电传动 2004(05)2.孙永鹏;罗世辉 SS9改进型电力机车横向晃动问题研究期刊论文-机车电传动 2006(02)3.赵熙雍;张亚新 金属橡胶液体复合弹簧的发展和应用期刊论文-机车电传动 2002(02)4.周长峰;孙蓓蓓 橡胶复合弹簧有限元分析期刊论文-精密制造及其自动化 2004(02)5.左国兵;王进;林达文 金属-橡胶复合锥形弹簧的试验研究期刊论文-铁道车辆 2005(02)6.张英会 弹簧手册 20037.Q/CSR 005.3-2005.机车车辆减振橡胶件试验方法:第3部分疲劳性能试验8.中国铁道科学研究院机车车辆研究所 改进后SS9型电力机车动力学性能试验报告 2004 本文链接：