橡胶金属牵引组件纵向刚度的试验设计与研究

2020-03-09

橡胶金属牵引组件(以下简称牵引组件)是由橡胶关节和金属杆件构成的系统部件,利用橡胶独有的变刚度特性来满足车辆在不同牵引和制动工况下的需求,进而提高车辆安全性和舒适度。纵向刚度不仅是牵引组件的重要力学性能参数,也是影响车辆动力学性能的重要参数。

在某型号牵引组件纵向刚度试验时,发现采用不同测量方式和加载方式的测试结果存在差异。为统一试验方法并获得更加准确、合理的试验数据,本工作以国内某企业送检的轨道车辆用牵引组件为研究对象,设计一种新型试验装置,对牵引组件纵向刚度进行研究。

1 实验

1. 1 试验方案

牵引组件的力学性能参数主要分为橡胶关节径向刚度和整杆纵向刚度。单节点试验按照加力方式分为压缩式和拉压式,如图1所示。

1)压缩式试验。将牵引组件两端橡胶关节压装入试验用圆柱型外套,外套内孔径按连杆实际内直径加工。利用支撑块固定芯轴两端,采用负荷控制方式通过弧形压头施加纵向压缩负荷,利用外接位移传感器在工装外套下端最低点直接测量变形量。变形最佳测量点为传感器沿弧线运动时的最大显示值处。该方式所测量的变形量为橡胶的变形量。

2)拉压式试验。将橡胶关节安装于一种两半式结构的锁紧外套内,芯轴通过支撑块、压块和T型螺栓固定于试验台上,通过试验机对锁紧外套施加压缩和拉伸负荷。通常在外套上端安装两个外接位移传感器,用以测量橡胶关节的径向刚度,结果取平均值。

上述两种试验将连杆视为刚性连接,负荷为等效传递,整杆纵向刚度相当于两个节点刚度并联。

整体试验按照加力方式分为机械式和液压式,如图2所示。其中,液压式适用于牵引组件的动态性能和耐疲劳性能测试,机械式适用于牵引组件的静态性能测试。本试验主要采用机械加力方式研究牵引组件的整体纵向静刚度。

整体试验的加载方式分为正反加载和单边加载,测量方式分为系统测试和打表测试。

1)正反加载。将橡胶关节压装连杆进行整体试验,试验时上节点通过专用工装固定于试验机顶横梁,下节点串联负荷传感器固定试验机动横梁,通过试验机动横梁上下移动对牵引组件施加拉伸或压缩负荷,测试牵引组件的整杆纵向刚度。

2)单边加载。试验安装方式与正反加载试验基本一致,将试验机动横梁上下移动改为单向移动,仅对牵引组件施加压缩或拉伸单方向负荷。这种方式是将车辆的制动和牵引工况分开进行试验,试验时一般需对产品进行预载并清零。

3)系统测试。利用试验机自身配备的位移传感器记录牵引组件整体变形量,得到负荷与变形量的关系曲线,从而计算出纵向刚度。这种方式安装、测量方便,但由于存在工装夹具自身的弹性变形和产品接触间隙,导致测量的系统变形量大于橡胶直接变形量,在同等负荷条件下整杆纵向刚度会偏小。

4)打表测试。按数显百分表固定方式分为双端测量和单边测量,如图3所示。①双端测量:试验安装方式与正反加载试验基本一致,不同的是在牵引组件上下两个橡胶节点之间两侧对称处安装两个数显百分表,表座固定于试验工装固定座上,表针测量点指向上端橡胶关节芯轴中心,取百分表读数平均值为纵向变形量。这种方式通过百分表直接测量牵引组件的变形量,消除了产品接触间隙和工装弹性变形对试验结果的影响,数据更准确。②单边测量:与双端测量的主要区别是百分表表座固定在牵引组件杆体中间,表针测量点指向下端橡胶关节芯轴中心,只对牵引组件施加拉伸负荷,通过百分表测量牵引组件单边整体刚度。这种方式不仅可以验证产品刚度对称性,而且可以与橡胶关节径向刚度进行分析比对。

1. 2 试验装置

试验装置(如图4所示)采用Pro/Engineer进行三维模块化设计,主要由机械式电子万能试验机和专用试验工装组成。其中,电子万能试验机主要由机架、动横梁、连接杆、负荷传感器、压头和底平台组成,最大负荷为±300 kN,位移为±500mm,内部安装空间高度为1. 2 m,试验精度为±0. 5%;专用试验工装由上固定座、牵引组件和下固定座组成,其中固定座为通用结构设计,上下可互换。试验机负荷传感器通过螺栓固定在中间动横梁上端,利用中间连接杆向下施加负荷,不仅可以对压缩类橡胶制品进行刚度试验,还能利用横梁的移动对牵引组件类产品进行纵向刚度试验。这种结构设计通过调节中间动横梁的移动位置,可满足不同橡胶制品的试验要求,达到了一机多用、充分利用现有试验资源的目的。

牵引组件试验的通用工装,按结构可分为T形槽式和U形孔式,如图5所示。其中,T形槽式夹持距离可调、操作方便、互换性和通用性好,适用于负荷小于300 kN的拉伸试验;U形孔式结构简单、加工方便,但操作不便、对中性差,适用于专用的大负荷试验。

T形槽结构固定座:由固定螺母、压条、固定螺栓、支撑板、T形螺栓和T形平台组成,如图6所示。利用T形螺栓沿T形槽水平移动实现夹持距可调,满足牵引组件两端橡胶关节芯轴不同中心孔距的固定。

U形孔结构固定座:由固定螺母、压条、固定螺栓、支撑板和U形平台组成,如图7所示。利用固定螺栓沿U形孔水平移动实现夹持距离可调,虽然U形孔位移调节范围较小,但U形孔相对于T形槽结构强度更高,通常采用外六角螺栓代替T形螺栓,U形平台平板的有效承载尺寸大,满足大负荷拉伸试验夹持功能的要求。

2 结果与讨论

2. 1 牵引组件及工装静态特性的有限元分析

利用有限元分析软件Abaqus对牵引组件以及工装关键承载件的静态特性求解。将PROE5. 0三维模型导入Abaqus Part模块得出计算模型,在load模块对牵引组件纵向施加31 kN拉伸负荷,得到牵引组件的应力云图,如图8所示。由图8可知,牵引组件中橡胶关节的最大应力发生在弧形顶面挤压处,且最大值为2. 68 MPa

试验工装关键承载件(平台、支撑块和压条)均采用屈服强度为345 MPa的低合金钢Q345B。工装静态强度分析结果如表1和图911所示。

从表1可以看出,平台、支撑块和压条的最大应力均小于材料许用应力,安全系数分别为1. 721. 492. 35,满足试验要求。

12示出了平台模态分析结果,即平台的四阶振型云图。

从图12可以看出,14阶固有频率分别为1 0121 0841 3011 372 Hz。模态分析结果为工装动态性能和疲劳性能试验设计提供参考。

2. 2 刚度特性测试

2. 2. 1 单节点试验

2. 2. 1. 1 试验方法

1)单边加载,径向以30 kN·min-1加载速度对橡胶关节施加31 kN压缩负荷,连续加载3个循环,记录第3个循环负荷与变形量的关系曲线,并计算单边径向刚度。

2)正反加载,径向以30 kN·min-1加载速度对橡胶关节施加±31 kN拉压负荷,连续加载3个循环,记录第3个循环负荷与变形量的关系曲线,并计算正反径向刚度。

2. 2. 1. 2 径向刚度试验结果

橡胶关节径向刚度如表2所示。

2. 2. 1. 3 测量和加载方式对径向刚度的影响

1)测量方式对径向刚度的影响。从表2可知,加载方式相同时,系统测试的径向刚度小于打表测试。这是因为,在径向刚度试验过程中,压缩和拉压负荷可以等效传递,而试验真正需要测量的位移为橡胶变形;系统测试的位移传感器通常安装在横梁末端,其所测量的变形包括试验工装和试验机横梁的弹性变形以及接触间隙,在相同负荷条件下弹性变形增大而导致测量的刚度偏小;打表测试类似于外接位移传感器,测试点直接安装于工装外套外的下表面顶点,所测量的变形为橡胶直接变形,消除了弹性变形和接触间隙对径向刚度的影响,试验数据更准确。

2)加载方式对径向刚度的影响。从表2可知,测量方式相同时,单边径向刚度大于正反径向刚度。这是因为,在单边加载试验时,试验机首先缓慢与试样接触,当产生接触负荷时,负荷清零并以此为试验的相对零点,接触负荷通常设定为0. 5kN(不同结构和承载条件的产品可适当调整),负荷与变形量的关系曲线起点与坐标零点相同,在试验过程中消除了接触间隙对结果的影响;正反加载是在第1个循环起点时进行负荷清零,而在正反向转换过程中无法消除这一影响因素。同时,正反加载橡胶为双边受力,相比于单边加载橡胶的单向受力,正反加载橡胶多一次应力调节过程,因此正反径向刚度小于单边径向刚度。

2. 2. 2 整体试验

2. 2. 2. 1 试验方法

1)单边加载,径向以30 kN·min-1加载速度对牵引组件施加31 kN压缩负荷,连续加载3个循环,记录第3个循环负荷与变形量的关系曲线,并计算单边纵向刚度。

2)正反加载,径向以30 kN·min-1加载速度对牵引组件施加±31 kN拉压负荷,连续加载3个循环,记录第3个循环负荷与变形量的关系曲线,并计算正反纵向刚度。

2. 2. 2. 2 纵向刚度试验结果

整杆纵向刚度如表3所示。

2. 2. 2. 3 测量和加载方式对纵向刚度的影响

1)测量方式对纵向刚度的影响。从表3可知,加载方式相同时,系统测试的纵向刚度小于打表测试的纵向刚度。这是因为,在纵向刚度试验时需安装上、下固定座及杆体等金属件,虽然可以等效传递负荷,但承载过程中同样产生了一定的变形,系统测试的变形包括橡胶变形和工装弹性变形,原理与单节点试验基本一致,且安装的工装越多,产生弹性变形和接触间隙的可能性就越大;打表测试是直接测量牵引组件上下两端橡胶关节芯轴的相对变形,即橡胶的变形,试验数据更准确。

2)加载方式对纵向刚度的影响。从表3可知,测量方式相同时,单边纵向刚度大于正反纵向刚度。这是因为,整体试验的单边加载等同于单节点试验的单边加载,由于预负荷清零,消除了初始接触间隙对纵向刚度的影响;正反加载是一个连续、交变的承载工况,正反加载橡胶的应力调节状态和承载特性比单边加载橡胶更差,因此所测试的纵向刚度偏小。

3)打表位置对正反纵向刚度的影响。从表3可知:正反纵向刚度约为单边纵向刚度的1/2,这是因为牵引组件相当于两个橡胶节点并联;不同打表位置对正反纵向刚度也有一定影响,牵引组件上下两端橡胶关节芯轴的相对位移才是试验需要测试的变形。在采用双端打表测量时,即两个数显百分表安置在上下两个橡胶节点之间两侧对称处,表针指向橡胶关节芯轴,所测量的变形为两个橡胶节点的总变形。而单边打表测量的变形包括部分工装的弹性变形,相比之下,双端打表测量更为准确,试验时优先选择双端打表测量方式。经试验测试,双端打表方式和单边打表方式所测量的正反纵向刚度分别为17. 1216. 92kN·mm-1,证明了上述机理的正确性。

3 结论

1)从单节点试验和整体试验结果来看,单边加载方式测量的刚度均大于正反加载方式,试验时应根据产品的实际工况选择不同的加载方式,以得到更准确的数据。

2)打表测试的刚度大于系统测试,试验时应优先选择打表测试或外接位移传感器的方式进行试验,且双端打表测量更准确。

3)该试验方案设计合理,满足试验要求,且能够准确反映牵引组件纵向刚度,对牵引组件及同类产品的研发和试验有一定指导作用。

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