等应力设计理念在轴箱橡胶弹簧结构改进中的应用

等应力设计理念在轴箱橡胶弹簧结构改进中的应用 张亚新、黄友剑、郭红锋、刘建勋 株洲时代新材料科技股份有限公司～株洲～412007 摘 要:橡胶产品大量使用在减振降噪领域～其使用过程中的疲劳问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是产品设计需重点考虑的问题。本文对在机车车辆上使用的一款橡胶轴箱弹簧的疲劳问题～进行了基于结构分析与试验验证为特征的探讨～并在此基础上～提出了基于等应力设计理念的优化设计。分析与实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明～通过等应力理念设计的产品结构～在确保结构获得等应力的同时～结构的疲劳寿命得到了成倍增加。 等应力～优化设计～橡胶结构 关键词: 现疲劳裂纹～显然这种破坏是结构设计不完前言 全合理而承受的载荷过大的原因所造成～从 而造成局部区域呈现为低周并高周应力疲随着轨道交通的迅猛发展～人们对车辆 劳破坏。 的安全性、舒适性和可靠性提出了更高的要 求。橡胶弹性减振元件在轨道车辆系统中起 牵引、悬挂、隔振、缓冲的作用～其良好的 减振和隔振性能～被愈来愈广泛的应用于轨 道车辆减振系统中～但橡胶元件使用工况复 杂～受到交变应力和集中冲击载荷的作用～ 其使用寿命直接关系到整车的安全性和可 靠性～因此～橡胶弹簧在使用过程中的疲劳 问题是产品设计需要重点考虑的问题～为此 本文以一款橡胶弹簧在使用过程中的疲劳图1 轴箱弹簧疲劳破坏特征 问题为研究对象～探讨基于等应力理念下的1.2 产品结构特征 疲劳设计问题。 出现疲劳破坏的轴箱弹簧～其结构示意 见图2所示～该结构的特点为:三层橡胶高1 一种橡胶弹簧的疲劳问题 度基本相等～三层橡胶胶层等厚～内套橡胶1.1 使用情况 无论是剪切承载面积还是承载体积都较中 套和外套橡胶要大幅减少～因此产品承载209HS轴箱弹簧是为209HS转向架设计开 时～虽然每层橡胶所承受的载荷相同但承受发的一款用于轴箱定位的橡胶减振元件～该 的应力相差极大～从而导致承受应力最大的橡胶弹簧在提供适合于车辆正常运行的三 内套橡胶最早破坏～而外套依旧完好的不正向刚度的同时～还必须满足转向架运行所需 常情况。 要的使用寿命。然而部分产品在实际使用不 针对产品结构～进一步的分析也表明:到40万公里就已经出现了不同程度的破坏～ 其破坏的主要表现形式为:内套橡胶下部产产品是首先因结构不对称在硫化后产生严品出现两处纵向开裂裂纹,见图1,。 重的热应力集中～在实际使用过程中承受垂 进一步分析可知～该产品为三层结构～向预载下～机车因加速制动提供的纵向载荷橡胶破坏的主要部位为内层橡胶～而且橡胶使元件形成严重的应力集中区域～这些应力裂纹的深度最高达到8mm～橡胶裂纹方向为集中的位置与产品实际发生破坏的区域完纵向,见图1,～而其它橡胶部位并没有出 全相同。也即是说～热应力～垂向预载工况对于轴箱弹簧～影响产品疲劳寿命的因下的纵向承载是导致产品出现不同程度的素～从结构的角度来说～是三层橡胶承载不纵向裂纹的关键载荷～因此～轴箱弹簧在硫均～内套橡胶承载过大～内套橡胶提前破坏～化热应力～垂向预载和纵向承载的复合承载因此～产品结构改进的主要工作～是尽量使下因结构设计不合理从而导致产品内套过每层橡胶的受力基本相同～三层橡胶的应力早出现严重的疲劳裂纹～这就是产品出现疲分布基本均等～基于此～根据公式1～我们劳破坏的原因。 设计了基于等应力的结构,见图2,。 图2 轴箱弹簧结构示意图 图2 基于等应力的结构 这种基于等应力的改进结构～依然采用2 等应力设计理念 三层橡胶金属复合结构～但根据橡胶的承载 为提升结构的疲劳寿命～结合结构承载应力～增加内层橡胶的初始直径～提高橡胶特点～结构设计应使各层橡胶无明显的应力的承载面积,新结构设计确保厚度方向由内集中～每层橡胶的最大应力应变几乎相等～到外～橡胶厚度等差变小～高度方向由内到而且每层最大的应力应变都要相比于原结外橡胶高度由高变低～也即是说橡胶半径与构内套橡胶有较大幅度的降低～这就是等应高度的关系由公式1控制～最终形成图3所示力的设计思路和设计理念。对于轴箱弹簧结的关联关系。因此～基于这种等应力设计理构来说～为实现结构具有等应力分布～结构念的改进结构～可使产品各层具有相同的疲尺寸R1、L1应满足公式1～且应力δ1控制在劳寿命。 疲劳寿命的允许范围内。 P1, (1) ,12,R，L11 图4 原结构应力分布 新结构应力分布 改进结构的产品通过进一步的有限元分 析表明:经过优化的等应力结构～在产品硫 化、垂向承载、纵向承载时的应力分布及应 变分布状态与原结构相比～都有较大程度的图3 基于等应力下的胶层半径与高度关系 改善,见表1,～而且结构并没有明显的应3 基于等应力的结构优化 力集中～表明新结构在设计上是合理的。 表1 新老结构的应力应变对比 纹～产品出现疲劳破坏,新结构产品从120 万次开始～就开始出现了不同程度的橡胶表类 型 原结构 新结构 面发粘现象,见图6,～但完全通过了240万应力 2.65 1.37 次的疲劳实验后～产品没有出现破坏性裂 应变 0.82 0.45 纹～产品完好(见表2)。 表2 产品对比实验结果 4 实验验证 老结构 新结构 疲劳类型 疲劳性能是产品特性最重要的一个指垂向 100万 完好 完好 标～确保产品具有良好使用要求的疲劳寿80万 明显发粘 完好 命～是研制产品是否成功的关键～根据产品纵 120万 内套橡胶破坏 轻微发粘 的实际使用情况～我们对新、老两种结构的向 240万 \ 明显发粘 产品进行同强度的对比实验～以判断新结构 的疲劳特性。 5 结论 通过对轴箱弹簧疲劳裂纹问题的分析及 为提升疲劳寿命为目标的结构改进工作～基 本可以得到如下结论。 , 基于疲劳寿命的角度考察～橡胶胶层 等厚～且各层橡胶高度相等的设计～ 是不合理的～将导致结构内套橡胶过 早疲劳。 图5 纵向疲劳对比实验 , 基于等应力的设计理念～橡胶轴箱弹 疲劳实验条件是根据轴箱弹簧在实际使簧的设计结构应由内到外～橡胶厚度用过程中出现的各种工况制定出来的～疲劳等差变小～橡胶层高度由高及低进行实验共两个阶段～第一阶段:垂向载荷12?布局。 3kN～频率3Hz～80万次～第二阶段:垂向预, 通过结构改进的轴箱弹簧～其疲劳寿载12 kN,纵向承载25?15 kN～频率3Hz～240命获得了大幅提升～从原结构的80万万次。新、老结构两种产品均通过垂向80万次纵向疲劳～提升到240万次。 次的第一阶段垂向疲劳实验～产品完好。 参考文献 [1] 俪明～奥脱〃布克斯鲍姆～哈茨〃罗华克. 结 构抗疲劳设计. 北京:机械工业出版社～1987. [2] Ellul MD. Mechanical fatigue. In: Gent A, editor. Engineering with rubber, How to design rubber components. Munich: Carl Hanser Verlag; 1992. [chapter 6]. [3] R.K. Luo, W.X. Wu. Fatigue failure 图6 新、老结构的疲劳结果对比 analysis of anti-vibration rubber spring. 老产品在纵向80万次第二阶段疲劳实验Engineering Failure Analysis，2006，后～产品内套橡胶出现了高达12mm深度的裂13:110,116. Equivalent Stress Standard are implemented on optimization design of rubber component Huang Youjian, Zhang Yaxin, Liu Jianxiong Zhu Zhou Time new material technology Co., Ltd, ZhuZhou, 412007 Abstract: rubber components are used in a wide variety of engineering applications, whose fatigue question is a key in component design. This paper mostly discuss fatigue life of rubber component, basing on structure analysis and test predict. At the same time, equivalent stress standard are bring up for optimization design. FEA and test show that these component with equivalent stress standard, can efficiently improve fatigue life than old component Keywords: equivalent stress standard, optimization design, rubber component.