鐵道車輛一系錐形彈簧的主要性能測(cè)試分析及探索

1、鐵道車輛一系錐形彈簧的主要性能測(cè)試分析及探索榮繼剛，王健，王 進(jìn)，楊軍 （株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007）摘 要：對(duì)一系錐形彈簧的垂向靜態(tài)剛度、壓縮高、垂向動(dòng)態(tài)剛度、靜態(tài)蠕變性能等主要性能的測(cè)試進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并對(duì)測(cè)試中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了探索。隨著一系錐形彈簧在鐵道車輛上的廣泛應(yīng)用，如何準(zhǔn)確獲得一系錐形彈簧的性能參數(shù)尤為重要，本文對(duì)開發(fā)一系錐形彈簧起到了指導(dǎo)意義，同時(shí)為車輛設(shè)計(jì)人員了解彈性元件起到了參考作用。關(guān)鍵詞： 一系錐形彈簧 垂向靜態(tài)剛度 壓縮高 垂向動(dòng)態(tài)剛度 靜態(tài)蠕變 概述隨著橡膠和金屬粘接技術(shù)的提高，錐形彈簧作為一系懸掛減振系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用在鐵道車輛上，具有如下一

2、些特點(diǎn)：可以通過調(diào)整錐形角及橡膠的形狀來滿足三維剛度要求，利用橡膠的三維特性可以承受多向載荷，以便于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)?？杀苊饨饘僦g的磨耗，安裝、拆卸簡(jiǎn)便，無需潤(rùn)滑，免維護(hù)及使用壽命長(zhǎng)。具有較高內(nèi)阻，對(duì)高頻振動(dòng)的減振以及隔音性有良好的的效果。橡膠的彈性模量比金屬小，可以實(shí)現(xiàn)較大的彈性變形，容易實(shí)現(xiàn)預(yù)想的良好的非線性特性。由于橡膠具有蠕變性能，一系錐形彈簧存在蠕變特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)中需要正確面對(duì)及把握錐形彈簧的蠕變性能。由于一系錐形彈簧具有具有以上特點(diǎn)，目前橡膠金屬?gòu)椈稍趪?guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛。隨著我國(guó)高速鐵路和地鐵的飛速發(fā)展，我們研發(fā)了大量的錐形彈簧，并對(duì)錐形彈簧的特性及試驗(yàn)進(jìn)行了比較深入分析和探索；同時(shí)積累了

3、大量的數(shù)據(jù)和使用參數(shù)，對(duì)錐形彈簧的設(shè)計(jì)和開發(fā)起到了指導(dǎo)作用。根據(jù)近幾年為國(guó)內(nèi)及歐洲幾大主機(jī)廠（公司）開發(fā)的一系錐形簧，我們對(duì)一系錐形簧的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析有了一套合理的方法。下面對(duì)一系錐形彈簧主要要性能參數(shù)進(jìn)行分析和探索。一系錐形彈簧主要性能測(cè)試分析及探索壓縮高性能一系錐形彈簧的壓縮高性能主要指產(chǎn)品在一定的載荷下產(chǎn)品被壓縮后的高度，即產(chǎn)品的自由高減去一定載荷下產(chǎn)品的變形值。壓縮高性能是保證車體高度的一個(gè)重要參數(shù)，是根據(jù)車輛界限來確定的。壓縮高性能測(cè)試方法目前，對(duì)壓縮高性能存在如下兩種測(cè)試方法，在EN 13913對(duì)這兩種方法都做了詳細(xì)的規(guī)定。圖一：壓縮高試驗(yàn)方法方法一：指將產(chǎn)品垂向加載到最大載荷然后卸

4、載到要求的載荷點(diǎn)F，保持載荷一段時(shí)間（EN 13913推薦為102S）后測(cè)量產(chǎn)品在載荷F下的高度。方法二：指產(chǎn)品垂向加載到要求載荷并保持載荷一段時(shí)間后測(cè)量產(chǎn)品在載荷F下的高度。測(cè)試數(shù)據(jù)分析及探索對(duì)于錐形彈簧的壓縮高性能測(cè)試，一般采用方法一進(jìn)行，即測(cè)量卸載時(shí)的高度，產(chǎn)品此時(shí)的高度H1為產(chǎn)品自由狀態(tài)的高度H0減去載荷下的變形D（H1H0D）。方法二為測(cè)量加載時(shí)的高度，產(chǎn)品此時(shí)的高度為H2H0-D1。因此，同一產(chǎn)品選用不同的試驗(yàn)方法時(shí)所得出的壓縮高值是有區(qū)別的?，F(xiàn)在有些專家認(rèn)為，采用方法二是合適的，根據(jù)產(chǎn)品的使用性能進(jìn)行分析有如下原因：車輛安裝后一系彈簧所承受的載荷為空車載荷，不會(huì)加載到最大載荷后再

5、卸載到空車載荷，因此采用方法二更接近實(shí)際安裝情況。H2H1，其主要因素是橡膠材料具有滯后性決定的，這是不可消除的因素，采用方法一所得數(shù)值會(huì)導(dǎo)致車輛安裝后車體高度大于設(shè)計(jì)值，車體高度的上升會(huì)使整車得重心上移，給車輛得運(yùn)行安全性帶來影響。垂向靜態(tài)剛度性能垂向靜態(tài)剛度一般指準(zhǔn)靜態(tài)剛度，所謂準(zhǔn)靜態(tài)剛度就是指速度很小的情況下測(cè)試所得的垂向剛度，根據(jù)EN 13913推薦的速度為完成一個(gè)循環(huán)的時(shí)間為30s60s之間，也可以根據(jù)產(chǎn)品的使用情況適當(dāng)?shù)臏p小試驗(yàn)速度。由于橡膠存在壓縮永久變形，測(cè)試時(shí)需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)壓，根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，一般采用第三個(gè)循環(huán)的數(shù)據(jù)計(jì)算該產(chǎn)品垂向靜態(tài)剛度。垂向剛度性能測(cè)試方法圖二;垂向剛度試

6、驗(yàn)方法將產(chǎn)品放置于合適的電子萬能試驗(yàn)機(jī)上，然后對(duì)產(chǎn)品施加載荷0到Fmax然后卸載到0kN，以此為一個(gè)循環(huán)，連續(xù)三個(gè)預(yù)循環(huán)后記錄第三個(gè)循環(huán)的數(shù)值及曲線。試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及探索從近幾年開發(fā)的一系錐形彈簧的試驗(yàn)進(jìn)行分析，目前技術(shù)要求的計(jì)算垂向剛度有三種方法，即某一載荷下的割線剛度、切線剛度、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的剛度。圖三;垂向剛度計(jì)算方法如圖四所示，割線剛度K1F0/D0；切線剛度K2tangent a; 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)剛度K32F/D=(F2-F1)/(D2-D1)。割線剛度是不能反映出產(chǎn)品在一定載荷下的真實(shí)剛度，錐形彈簧的載荷變形是非線性的，而割線剛度反映的是直線剛度。另外，錐形彈簧裝車之后，產(chǎn)品上就加載了一個(gè)空車載

7、荷，這段的割線剛度就沒有意義，車輛在運(yùn)行過程中的剛度就是空載處的剛度。因此，在車輛設(shè)計(jì)中越來越多的采用了切線剛度和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)剛度，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)剛度能反映出產(chǎn)品在某個(gè)載荷下小頻率振動(dòng)時(shí)的剛度，而且當(dāng)F很小時(shí)，其剛度值就接近切線剛度，下面以株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司某個(gè)錐形彈簧為例進(jìn)行說明，該錐形彈簧的主要參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果如表一。表一：錐形彈簧主要參數(shù)：項(xiàng)點(diǎn)客戶要求空載12kN滿載23kN最大載荷29.9kN135kN下的剛度0.65kN/mm225kN下的剛度0.925kN/mm圖四;垂向靜態(tài)剛度試驗(yàn)曲線圖五;垂向靜態(tài)切線剛度計(jì)算曲線如圖四所示，根據(jù)上升曲線取不同的F計(jì)算剛度如表二：表二：錐形彈簧垂向剛

8、度值：F0（kN）F（kN）試驗(yàn)剛度（kN/mm）130.150.64010.62230.63250.64780.670220.150.92210.89330.88650.88780.886對(duì)試驗(yàn)曲線求空載及滿載時(shí)的切線剛度，我們首先需要擬合上升段的曲線函數(shù)，如圖五所示。然后對(duì)X求導(dǎo)為： ；最后取空載13kN及滿載22kN下的位移值代入公式中就可以求出空載及滿載下的切線剛度。通過計(jì)算，切線剛度K0.648kN/mm， K0.943kN/mm。當(dāng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)剛度的取值F0.15kN時(shí)，剛度值與切線剛度接近，二者的區(qū)別在空載下約為1.25%,滿載下為2.27%，一般來說，在試驗(yàn)過程中的誤差23%是可以接

9、受的。垂向動(dòng)態(tài)剛度性能垂向動(dòng)態(tài)剛度能直接反映產(chǎn)品在車輛運(yùn)行過程中一系彈簧的阻尼性能，現(xiàn)在較多的采用動(dòng)靜剛度比來反映錐形彈簧的垂向動(dòng)態(tài)剛度性能。動(dòng)靜剛度比可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及橡膠材料的配方得到很好的改善。3.1 動(dòng)靜剛度比測(cè)試方法圖六;靜態(tài)剛度計(jì)算方法圖七;動(dòng)態(tài)剛度計(jì)算方法垂向靜態(tài)剛度測(cè)試方法同2，垂向動(dòng)態(tài)剛度的試驗(yàn)方法為：將產(chǎn)品放置動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)上（Inston 8808），然后加載到到最大載荷再卸載到F,以一定的頻率加載動(dòng)態(tài)載荷，動(dòng)態(tài)振幅為（F2F1）/2，循環(huán)30次后記錄第30次曲線。垂向動(dòng)態(tài)剛度計(jì)算方法如圖七所示，動(dòng)靜剛度比CHyst/Cstat。3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及探索在一系錐形彈簧試驗(yàn)中

10、得出的數(shù)據(jù)，我們逐漸理清了一系錐形彈簧的垂向動(dòng)態(tài)剛度之間的關(guān)系。以公司開發(fā)的某錐形彈簧試驗(yàn)進(jìn)行說明（垂向均預(yù)載36.7kN）；試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表三所示：表三：垂向動(dòng)態(tài)剛度數(shù)值：頻率（H）振幅（mm071.121.121.131.131.1921.051.091.101.111.111.1541.021.051.061.08-61.001.031.041.05-81.001.021.02-100.981.001.00-120.970.98-根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以推斷出以下結(jié)論：在相同的振幅下，一系錐形彈簧的動(dòng)態(tài)剛度值是隨著頻率的增大而不斷增大，但變化趨勢(shì)很小，如圖八所示，曲線重合性

11、很好；在相同頻率下，一系錐形彈簧的動(dòng)態(tài)剛度隨著振幅的增大而減小，如圖九所示。在不同的頻率及振幅下，錐形彈簧的動(dòng)靜剛度比呈現(xiàn)出圖十所示趨勢(shì)。圖八;不同頻率下的垂向剛度曲線圖九;不同振幅下的垂向剛度曲線圖十;動(dòng)靜剛度比變化趨勢(shì)由于橡膠具有滯后阻尼的特性，滯后環(huán)的面積等于能量的損耗值，我們把不同振幅下的動(dòng)態(tài)剛度曲線疊加在一起可以發(fā)現(xiàn)，在不同的振幅下一系錐形彈簧的動(dòng)態(tài)剛度曲線互相包絡(luò)且在不同振幅下，產(chǎn)品的垂向剛度隨振幅的增大而減小，我們?nèi)∽钚〉膸讉€(gè)振幅與垂向靜態(tài)剛度疊加一起可以得到圖十一曲線。圖十一;動(dòng)態(tài)剛度與靜態(tài)剛度曲線根據(jù)這個(gè)曲線，我們可以從靜態(tài)剛度曲線形態(tài)可以初步的推斷出該產(chǎn)品的動(dòng)靜剛度比值，動(dòng)

12、靜剛度比K2/K1（圖十二）。通過一系列試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)選取的振幅很小時(shí)，計(jì)算的動(dòng)靜剛度比略大于試驗(yàn)值，但給一系錐形彈簧的前期開發(fā)提供了更簡(jiǎn)單的動(dòng)靜剛度比的判定方法，換而言之，只要客戶技術(shù)要求動(dòng)靜剛度比大于計(jì)算值，產(chǎn)品就一定能滿足客戶要求。圖十二;動(dòng)靜剛度比推測(cè)曲線靜態(tài)蠕變性能一系錐形彈簧是橡膠復(fù)合彈簧，因此存在無法消除的蠕變性能。從橡膠的機(jī)理上分析，蠕變是由于互相纏合的高分子在外力作用下結(jié)點(diǎn)重排，并鎖住無法解脫，使分子網(wǎng)格重構(gòu)，以及硫化時(shí)形成大分子網(wǎng)格，某些交聯(lián)鍵不完善。在外力作用下交聯(lián)鍵損壞并擠去空缺，卸載后無法恢復(fù)。從產(chǎn)品整體上分析，蠕變是產(chǎn)品在靜態(tài)載荷作用下，產(chǎn)品的變形隨著時(shí)間的增大而增大

13、，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，變形越來越小，產(chǎn)品處于穩(wěn)定。EN 13913 和NF F 01-815中對(duì)蠕變穩(wěn)定定義如下：圖例： X 時(shí)間（h） Y 變形 圖十三;蠕變定義曲線當(dāng)在某一個(gè)24小時(shí)內(nèi)變形的變化小于在t=1小時(shí)和t24小時(shí)之間變化的1/10時(shí)，認(rèn)為部件是穩(wěn)定的。4.1 靜態(tài)蠕變的測(cè)試方法將錐形彈簧安裝在試驗(yàn)機(jī)臺(tái)上，對(duì)產(chǎn)品施加一定的垂向載荷并保持載荷，每?jī)尚r(shí)記錄一次產(chǎn)品的變形值，產(chǎn)品的蠕變值為試驗(yàn)0時(shí)的H值減去試驗(yàn)穩(wěn)定后的H值。圖十四;蠕變?cè)囼?yàn)圖4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及探索由于錐形彈簧在使用過程中存在一定的蠕變，因此，車輛在運(yùn)行過程中壓縮高會(huì)隨著時(shí)間的增加而變矮，國(guó)內(nèi)外有許多一系彈簧由于蠕變過

14、大而導(dǎo)致產(chǎn)品失效。因此，蠕變性能成為衡量一系彈簧性能的一個(gè)重要參數(shù)被廣泛認(rèn)可。以前，對(duì)一系彈簧的蠕變?cè)囼?yàn)主要加載空車載荷并保持一段時(shí)間，測(cè)定出產(chǎn)品的蠕變值。從產(chǎn)品的使用情況看，以空車載荷作為蠕變的試驗(yàn)的靜態(tài)載荷存在一定的局限性，主要是車輛在運(yùn)行過程中處于空載的情況不多，所以試驗(yàn)數(shù)值不能準(zhǔn)確反映產(chǎn)品在使用過程中的蠕變情況。筆者認(rèn)為，對(duì)一系彈簧的蠕變測(cè)試應(yīng)該分兩步走：空載下的蠕變測(cè)試 空載下的蠕變測(cè)試可以判定產(chǎn)品裝車48h后車體的下降值，對(duì)于新造車，裝車48h內(nèi)一般處于靜置狀態(tài)；而且對(duì)于一系錐形彈簧，48h內(nèi)的蠕變是最大的?？蛰d下的蠕變測(cè)試可以準(zhǔn)確的測(cè)試出產(chǎn)品在此時(shí)間段的蠕變值。滿載下的蠕變測(cè)試

15、由于車輛在運(yùn)行過程中載荷范圍大部時(shí)間是在空載與滿載之間，因此用滿載下的蠕變值進(jìn)行壽命周期內(nèi)的蠕變更加接近使用情況。根據(jù)公司開發(fā)的錐形彈簧試驗(yàn)得出的曲線如下圖所示，該錐形彈簧的空載載荷為27kN，滿載載荷為38.9kN。圖十四;蠕變?cè)囼?yàn)圖從試驗(yàn)數(shù)曲線可以看出，產(chǎn)品在空載下48小時(shí)后蠕變就處于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；載荷的增加到滿載，產(chǎn)品72小時(shí)后就開始處于一個(gè)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但隨著時(shí)間的增加，蠕變又會(huì)快速增加，到192小時(shí)后就變得非常平穩(wěn)，幾乎很少受外界如溫度的影響。從橡膠蠕變的機(jī)理上分析，由于外界載荷的加大，分子結(jié)構(gòu)的重排更迅速，分子間的間隙被壓縮的更小，因此，在這種情況下對(duì)整個(gè)壽命周期內(nèi)蠕變值的預(yù)測(cè)更

16、合理。對(duì)兩種情況下的蠕變進(jìn)行預(yù)測(cè)如圖十五所示。圖十五;蠕變預(yù)測(cè)圖根據(jù)產(chǎn)品的使用要求，錐形彈簧的設(shè)計(jì)壽命一般為810年，從公司開發(fā)的產(chǎn)品運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，蠕變值一般為710mm，因此，采用滿載下的試驗(yàn)蠕變值作為預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)是貼近使用情況的。結(jié)論本文根據(jù)TMT一系錐形彈簧的開發(fā)及與國(guó)內(nèi)外幾大客戶的交流進(jìn)行總結(jié)與分析，闡述了一系錐形彈簧壓縮高、垂向靜態(tài)剛度、垂向動(dòng)態(tài)剛度及蠕變性能的分析方法及對(duì)性能參數(shù)的一些探索，給車輛設(shè)計(jì)人員對(duì)彈性元件的選擇提供了參考。同時(shí)由于橡膠金屬減振器結(jié)構(gòu)不同會(huì)存在一些性能上的差異，它不適用與所有的橡膠復(fù)合彈簧，但對(duì)其他的產(chǎn)品開發(fā)具有一定的借鑒意義。 參考文獻(xiàn)：1 EN13913 Railway applications-Rubber suspension components-Elastomer-based mechnical parts;2 NF F 01-815 French standard: Railway rolliong stock Rubber-bas