顶置式一系弹性止挡接磨开裂分析及优化改进

匡剑宇，汪林峰

中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲，412000

0 引言

顶置式一系弹性止档安装在转向架构架与轴箱体之间，位于一系弹簧组内簧中，在车辆正常运行时不承受载荷，在极限工况下垂下承载并起到限位作用。近期，A型车顶置式转向架出现一系弹性止档与内簧接磨，止档橡胶开裂、断裂等质量问题，现对一系弹性止档接磨、开裂原因进行分析，并对一系弹性止档进行方案优化改进。

1 一系弹性止档开裂分析

1.1 现象分析

（1）断裂层橡胶部分与金属件粘接良好，橡胶本体撕裂，见图2；

（2）盖板（金属件）外圆柱面有挤压变形且被磨光磨亮，见图3；

（3）尼龙磨耗板上平面未见明显磨耗痕迹，见图4；

（4）部分未断裂产品，底层橡胶也存在有裂纹，见图5。

1.2 项目应用普查

该款一系弹性止档于2009年上海11号线开始应用，之后株机公司A型车一系均采用该结构止档，除深圳项目外其他项目未收到开裂反馈。

一系弹性止档共有三家供应商，在深圳地铁项目中出现橡胶开裂和断裂的均为株洲名扬的产品，其余两家未出现开裂。

2021年8月，郑州5号线运行3年后换修下来的一列车48件株洲名扬的止档外观良好，均无裂纹，该产品与深圳项目同结构、同厂家。

1.3 设计说明

一系弹性止档作为极端工况下限位作用，在车辆正常运行时不承受载荷，其结构组成如下：

1.4 生产调查

1.4.1 产品全尺寸抽检

对株洲名扬一系弹性止档的全尺寸进行检查，实测尺寸符合设计图纸要求。

1.4.2 制造工艺流程调查

对制胶、加工、酸洗、硫化、成型、试验等现场制造工艺流程进行了调查：

在检查硫化模具时，发现橡胶成型面棱边有磕碰现象，形成局部锋利凸起，在橡胶硫化出模时，有可能在其根部形成肉眼难以观察的细微裂痕。

1.5 特性分析

1.5.1 黏结性能

对名扬的两件样品进行了拉伸试验，止档的粘接强度符合TB/T 2843要求。

表1 橡胶抗拉试验数据

*理论载荷的计算

根据TB/T 2843-2015[1]，计算非破坏性试验载荷：

1）采取拉伸试验

2）粘接面积

3）试验载荷

由于S＜3000mm2，故F=2S=5.2kN

1.5.2 橡胶抗撕裂强度对比

鉴于三家供应商只有名扬的产品出现了橡胶开裂和断裂现象，且产品粘接强度符合要求，对比三家供应商止档胶料的抗撕裂强度，发现名扬止档胶料的抗撕裂强度明显小于其他两家供应商。

表2 各供应商产品胶料抗撕裂强度对比

1.6 线路振动影响

考虑一系止挡安装在轴箱体上振动较大，对止档按照《IEC 61373-2010铁路设备滚动车辆设备冲击和振动试验》[2]中的3类轴装标准进行振动试验，总共15h，每个方向5h。

表3 类型3 安装在车轴上的ASD 频谱

第三方机构（CTI华测检测）对止档进行了振动试验，结果如下：

（1）止档在振动试验过程中未出现开裂；

（2）止档在67.01Hz横向振动下，发生明显共振，根据以往项目经验，线路的P2力频率主要在50～80Hz范围。

1.7 小结

根据以上分析，初步判断止挡开裂原因为：

1）模具的橡胶成型面棱边有磕碰现象，出模时在其根部可能形成细微裂痕。

2）名扬止档橡胶胶料的抗撕裂强度明显小于其他两家供应商。

3）止挡横向自振频率为67.01Hz，在较大线路振动下可能激发共振，导致裂纹产生。

2 一系弹性止档接磨分析

2.1 理论分析

AWO工况下，止档与内簧的设计理论间隙为10.25mm。在车辆纵向方向，由于一系悬挂采用转臂式定位，在不同工况下，轴箱体会围绕转臂关节转动，从而导致安装在轴箱体上的止档围绕转臂关节转动，这样止档才会有可能与内簧接磨。

2.2 有限元分析

通过有限元分析，得出以下结果：

1）止档接触工况：在弹簧向下压缩32mm时，此时垂向载荷约为94640N，相当于1.4倍AW3工况，止档与内簧开始接磨；

2）1.42倍AW3工况：止档与内簧接磨量为0.64mm，此时弹簧垂向载荷为95992N。

结论：在大于1.3倍AW3工况下，再考虑止档的共振，止档有可能与内簧接磨。

表4 用于有限元分析的载荷工况

3 一系弹性止档方案改进

3.1 改进方向

1）增加硫化模具的检查频次，发现受损及时修复，解决制造工艺问题。

2）缩小止档的轮廓尺寸，解决接磨问题。

3）减小止档的重量，降低止档的重心，解决抗振动性能差问题。

4）提高止档的抗撕裂强度，解决抗振动性能差问题。

3.2 改进方案对比

3.3 改进说明

针对一系弹性止档与内簧接磨，止档橡胶开裂、断裂等质量问题，对一系弹性止档进行了改进[3]：

（1）采用上小下大的锥形结构，止挡顶部直径由φ70mm减小至φ58mm，以避免止档与内簧接磨。

（2）顶盖采用尼龙，降低了顶盖重量。止档重量由1.83kg降至1.56kg，减重0.27kg。且重心整体下移，提高止挡抗高频振动能力。

（3）选用抗撕裂性能较好的胶料，撕裂强度由35kN/mm左右提高到90kN/mm以上，使产品抗振效果更好，在高频振动下不易产生裂纹或断裂。

3.4 改进方案验证

3.4.1 有限元分析

在最大垂向载荷74.8kN（AW3工况下一系弹簧组所承受载荷）作用下，一系弹性止档金属件、耐磨板、橡胶件均满足强度要求。

3.4.2 常规试验验证

改进的一系弹性止档进行刚度试验、极限承载试验、加载疲劳试验、胶料试验，试验结果均符合技术规范要求：

●刚度试验：在0-6.5kN垂向加载范围内，止档的垂向刚度符合812N/mm±10%。

●极限承载试验：垂向加74.8kN的极限载荷，加载60s，止档未出现裂纹。

●疲劳试验：垂向加载100万次，止档未出现裂纹，且刚度变化在20%内。

●胶料试验：胶料的抗撕裂强度提高至90kN/mm以上。

3.4.3 1.3倍AW3工况干涉试验

改进产品干涉试验验证：

在同款转向架（ZME-080型）上换装改进后的一系弹性止档，在空簧上施加1.3倍AW3工况载荷，即156kN，一系止档与内簧无干涉，有约7～8mm间隙。

表5 两款止档共振频率、振幅对比

3.4.4 振动试验

对改进前、后的两款止档进行了振动试验：功能性振动试验、模拟长寿命振动试验、扫频试验。扫频得到了两款止档的共振频率，并测量了其振幅。改进后的止档共振频率更高，更容易避开轮轨常见的振动频率，且振幅极小。

4 结语

对A型车顶置式转向架一系弹性止档接磨、开裂原因进行了深入分析，并对一系弹性止档进行方案优化改进。