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1、一种抗侧滚扭杆连杆橡胶关节的改进摘 要：本文对上海1号线地铁车辆抗侧滚扭杆连杆橡胶关节在使用过程中出现的橡胶表面裂纹现象进行了原因分析，并对老结构进行了改进，新老结构的对比试验及新结构产品改进后的装车使用表明，改进后的新结构产品静态性能满足使用要求，且疲劳性能得到了大幅度提高。关键词：抗侧滚扭杆，橡胶关节，结构改进，疲劳性能4抗侧滚扭杆与空气弹簧系统的结合使用可以使车辆获得良好的垂向振动性能和抗侧滚性能，有效保证车辆行驶的安全性及舒适性1。目前抗侧滚扭杆系统已在铁路客车及城轨车辆中得到广泛应用，而连杆橡胶关节作为抗侧滚扭杆的重要部件，其性能对整个抗侧滚扭杆系统的性能、尤其是减振降噪性能非常重要
2、。本文对上海地铁1号线车辆抗侧滚扭杆（以下简称1号线扭杆）连杆下橡胶关节（以下简称下关节）在运行当中出现的部分产品橡胶开裂的原因进行了分析，对产品结构改进、试验验证以及改进后的装车使用效果进行了阐述。1 1号线扭杆简介1号线扭杆为外置型扭杆，其主要由扭杆轴、扭转臂、垂向连杆组件（包括垂向连杆体、连杆上橡胶关节、连杆下橡胶关节）、支撑座几个部分组成，扭杆轴横跨整个车体，扭转臂及垂向连杆组件均分布车转向架外侧，同时扭杆系统通过支撑座连接转向架构架，垂向连杆上关节连接车辆车体，其主要功能是通过扭杆轴扭转弹性形变所产生的反作用扭转力矩来限制车辆曲线运行或轨道不平稳等因素造成的侧滚趋势，提高车辆曲线运行
3、的安全性及平稳性。下关节图1 1号线扭杆实物照片下关节图2 1号线扭杆装车照片2 下关节老结构特点介绍下关节老结构是一种如图3所示的典型的平轴结构橡胶球铰，其产品的特点是：l 其外套为整体结构，三层骨架（还包括芯轴和隔套）夹两层橡胶，一体硫化。l 内、外层橡胶等厚度，等长度。1 芯轴 2 隔套 3 橡胶 4 外套图3 下关节老结构简图3 下关节裂纹情况介绍2006年上海地铁1号线车辆在检修时先后发现部分的下关节出现橡胶表面开裂现象，从现场情况看，相对整个扭杆系统，裂纹绝大部分出现在抗侧滚扭杆连杆外侧垂向正上方和内侧正下方位置。相对下关节本身，裂纹全部出现在下关节的内圈橡胶，呈斜对称方向分布，裂
4、纹长度1525mm，深度约36mm，详见图4椭圆形区域。图4 下关节裂纹情况照片4 原因分析4.1 使用工况对比分析除了上海地铁1号线外，该扭杆系统还应用于深圳地铁1号线和广州地铁2号线，且应用状况良好，并没有出现如上海地铁1号线的破坏情况。根据一些资料的介绍可知，上海地铁的客流量远大于深圳地铁1号线和广州地铁2号线，如表1234所示，因此，恶劣的使用工况可能是导致下关节损坏的首要原因。表1 上海1号线、深圳1号线和广州2号线客流量对比上海1号线深圳1号线广州2号线断面客流（万人）5.52.183.32日平均客流（万人）87.8715.960.44.2 产品受力分析车辆运行过程中，受轨道弯曲、
5、不平稳以及加减速等因素影响，车体与转向架构架之间会出现垂向、纵向以及横向的相对运动，这些相对运动将主要使下关节产生垂向（径向）、偏转以及扭转变形。其次，由于是下关节是平轴结构的橡胶球铰，因此其具有相对较大的偏转刚度，较大的偏转刚度意味着在发生同样的偏转变形时，橡胶将会有较大的应力，如果同时还受到径向载荷的作用，橡胶应力则还会增大，这更加会加速产品的破坏。4.3 结论结合下关节的使用工况、受力特点及破坏的位置，笔者认为，下关节破坏的最主要原因是：恶劣使用工况下的偏转加径向疲劳破坏。5 结构改进根据4的分析可知，要提高下关节的疲劳性能，必须首先降低其偏转刚度，而相比平轴结构，凸轴结构的具有更小的偏
6、转刚度和更大的偏转角。且通过对扭杆系统性能的分析可知，降低产品的偏转刚度，对扭杆系统的总体性能并不会产生大的影响。其次是采用等应力、应变的设计思路进行结构优化。尽管应力、应变不是决定产品疲劳寿命的唯一因素，但较小的应力、应变对提高疲劳寿命还是有较大作用的5。但受产品外形尺寸的限制，下关节的金属外套、隔套和芯轴的沿轴向的有效长度只能设计成相等，因此等应力很难实现，但等应变则可通过改变内、外层橡胶的厚度和刚度来实现。最后是采用了隔片分瓣、沿纵向方向橡胶开孔的设计思路，增加橡胶自由面，释放应力，提高产品疲劳寿命。图5则是采用了凸轴结构和等应变设计思想的下关节新结构简图。1 芯轴 2 隔套 3 橡胶
7、4 外套图5 下关节新结构简图6 改进结果6.1 新老结构应力应变分析结果为了了解下关节新老结构的橡胶应力应变分布情况，笔者特对两种结构进行了该产品极限载荷条件下（径向21kN，同时偏转6）的有限元分析，分析的结果如表2和图6、图7所示。表2 新老结构橡胶最大应力应变分析结果老结构新结构变化率橡胶应力（MPa）40.126.7-33.4%橡胶应变1.8461.832-0.8%a 老结构 b 新结构图6 新老结构应力云图a 老结构 b 新结构图7 新老结构应变云图通过分析结果可以看出，在极限载荷条件下，新结构的橡胶应变与老结构基本持平，但橡胶应力较老结构有了较大幅度的下降，这对提高下关节的疲劳寿
8、命将起到积极作用。6.2 静态刚度测试结果表3中的参数是试制完成后的新结构产品与原老结构产品的静态性能对比。表3 新老结构静态性能对比老结构新结构变化率径向刚度（kN/mm）46.348.54.7%偏转刚度（kN/mm）63.442.7-32.6%扭转刚度（kN/mm）53.254.93.2%从对比结果可以看出，新结构产品静态性能中的径向和扭转刚度较老结构产品没有太大的变化，而偏转刚度有了-32.6%的下降，达到了在保证扭杆系统整体性能不变化前提下，降低偏转刚度的设计意图。6.3 疲劳试验对比结果为了验证下关节结构改进的有效性，笔者又按产品极限载荷条件对新老结构产品进行了对比疲劳，疲劳条件为垂
9、向加载21kN，偏转6，同相位，同频率，试验频率23Hz，对比结果如表4。表4 新老结构疲劳对比结果老结构新结构疲劳条件垂向21kN，偏转6，同相位，同频率，23Hz。疲劳次数15万次200万次径向刚度（kN/mm）疲劳前46.348.5疲劳后37.141.4疲劳前后刚度变化率-19.5%-14.6%疲劳后产品外观内层橡胶沿垂直方向斜对称位置出现裂纹，长度约20mm，深度约15mm未出现破坏老结构产品在疲劳15万次后出现了破坏，其破坏的位置和程度均与现场装车使用的产品一致，充分说明了疲劳试验真实的模拟了现场装车情况。而新结构产品完成200万次试验后产品完好，且疲劳后刚度变化率低于老结构产品，因
10、此，新结构产品疲劳性能远好于老结构产品，改进效果明显。6.4 产品实际装车使用效果下关节自06年改进完成后，已先后装车200余件，使用时间最长已经3年，至今未出现橡胶开裂现象，目前现场反映良好。7 结论通过对下关节新老结构的理论分析、试验验证和实际装车使用效果表明，新结构产品疲劳性能远优于老结构，达到了预期的改进效果。参考文献：1: 尹显戬，章鹏，轨道车辆抗侧滚扭杆装置的设计，电力机车与城轨车辆，第28卷 第3期 2005年5月20日2: 孙海燕，广州地铁2010年客流预测与运能规划的分析与研究，科技信息，2008年第17期3: 伍敏，余海斌，上海地铁1号线运能现状分析及应地措施，城市轨道交通研究，2002年第2期4: 都市快轨交通，第18卷第1期2005年2月5: 户原春彦日主编，牟传文译，詹斐生校，防振橡胶及其应用，中国铁道出版社，1982年
一种抗侧滚扭杆连杆橡胶关节的改进
