铁道车辆橡胶弹性元件设计仿真与校验
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１ 橡 胶 关 节 的 技 术 输 入
图 １ 某新 型地 铁转 向架及 其 转臂 定 位橡 胶关 节 。 是 在进 行橡胶 关 节 的设 计 时 ， 主机 厂仅 提供 了外形 接 口尺 寸 和产 品的径 向 、 向刚度要求 。并没 有 明确 给 出具体 轴
的疲 劳试 验载 荷条件 ， 只提 出了使 用 寿命要 求 。为 确保 研发 的 橡胶关 节 在 技术 参 数 和可 靠 性上 满 足 转 向 架 的
第 ３ 卷第 １ １ 期 ２１ ０ １年 ２月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ ＡＹ ＬＷ ＬＯＣ ＯＭ ＯＴＩ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ１ １ Ｎ ｏ ．３ ．１
Ｆｅ ． ｂ ２０１ １
文章编 号 ：０ ８ ８ ２（０ １ １ ０ ９ ｍ０ １ ０ ～７ ４ ２ １ ）０ － ０ ８ ４
运用 条件 ， 决定 采 用 虚 拟样 机 的方 法 ， 分 发 挥 三维 结 充 构设 计 、 有限元 结 构 分 析 、 体 动 力学 系 统 仿 真 和疲 劳 多 载荷 谱数 据处 理等设 计 仿真分 析 技术优 势 。
２ 橡胶 关节 的 结构设计
根 据弹性 理论 ， 胶 的剪切模 量 Ｇ 与压缩 弹性模 量 橡 Ｅ 的关 系见式 （ ） １ｌ 。 ２
析 的 技术 手段 ， 明设 计 仿 真 中利 用 有 限 元 仿 真 分 析 技 术 和 实 际 试 验 相 关 联 的 方 法 确 定 产 品 结 构 参 数 ； 用 车 辆 说 利
系统 动力 学仿 真分 析技 术 和 随机 载荷 统 计 分 析 技 术 确 定 产 品 的载 荷 条 件 和 疲 劳 载 荷 谱 ， 过 实 际 疲 劳 试 验 校 验 设 通 计 仿 真 的可 行 性 和 可靠 性 。
性能 参数 的橡 胶类 高 分 子 产 品 被用 作 弹 性 元件 的 比例 逐步 增加 。橡胶 部 件 的 使 用 也往 往 给 主 要 的工 程 问题
提供 了一 种简 单 和 巧 妙 的解 决 方 法 ｕ 。 以某 型铁 道 车
辆转 向架转 臂定 位橡 胶关 节 的设 计 为例 ， 绍橡 胶 弹性 介 元件设 计工 程 中 的仿 真技 术及其 校 验过程 。
典 型橡 胶 的 ｒ 为 ０ ４ ９５ 所 以 Ｅ≈ ３ 值 ． ９ ， Ｇ。对 于 普 通结 构 的关 节 ， 向意 味着 剪 切 方 向 ， 向则 是 压 缩 方 轴 径
限制条 件 ， 用有 限元 分 析 技 术 ， 定其 具 体 的结 构 参 利 确
数 。在 分析 过程 中充分 利 用既往 产 品 的经验 参 数 ， 具 对
度试 验照 片 。
合最 终用 户提 供 的线路 情 况 ， 立整 车动 力学 仿真 分析 建 模 型 （ 图 ６所 示 ） 分 析 得 出橡 胶 关 节 的 载 荷 时 间 历 如 ， 程 ， 而得 到其 载荷 情 况 。 进
Ｌ． ‰ ｍ № Ⅱｇ４ ４ ２ ５ Ｏ ３ ８ ２ ㈨Ｉｌ■ｌ■ ｉ ． ｍ ５ ０ 他９ ３ ● ７３
向 。同时橡 胶件 受压 缩时 ， 的上 下表 面与金属 板硫 化 它
体结 构 参 数 进 行 优 化 分 析 。 化 过 程 中采 用 统 一 的 网 优
＊国 家 高 技术 研 究 发展 计 划 （ ６ ８ ３计 划 ） 目（ ０ ８ 项 ２ ０ ＡＡ０ ０ ０ ） 助 。 ３７６资
卜 玲 （ ９４ ） ， 南 省 浏 阳人 ， 士 ， 教 授 （ 稿 口期 ：０ ０ ０ ０ 继 １７ 男 湖 博 副 收 ２ １ —１ ～２ ）
铁 道 车辆 橡胶 弹 性 元件 设 计仿 真 与校 验
卜 继玲 ，王永冠 ， 传江 宋
（ 洲 时 代 新 材 料 科 技 股 份 有 限 公 司 ，湖 南 株 洲 ４ ２ ０ ） 株 １ ０ ７
摘 要 通 过 详 细 介 绍 一 种 铁道 车 辆 转 向架 用 橡胶 关 节 的 结 构 设 计 与疲 劳 试 验 设 计 过 程 中运 用 虚 拟 样 机 仿 真 分
关键 词 虚拟 样 机 ； 度 设 计 ； 限元 ；车 辆 系 统 动 力 学 ； 荷 谱 强 有 载
中 图分 类 号 ：Ｕ２ １ ３ １ ５ ７ ． ３ 文 献 标 志 码 ：Ａ
转 向架 是 影响铁 道 车辆运行 品质 的关键 部 件 ， 其各
粘结 而受 约束 ， 使有效 的压缩 弹性模 量 Ｅ 值 比式 （ ） １ 计
图 １ 某 型转 同 架 及 其 橡胶 关节
但 是本 次设计 的橡胶 关 节要 求轴 、 向刚度 比大 于 径 ０ ５ 因此突破 普通 结构 进行设 计 ， 用 了如 图 ２所 示 的 ．， 采
Ｇ一 丽
式 中 ｒ 泊Leabharlann Baidu 比 。 为
（） １
结 构 ， 种 结构 的 轴 、 向刚 度 比可 以做 到 ０ ５ 。根 这 径 ． ～１ 据 基本 结构形 式 ， 结合 接 口尺寸 的空 间 限制 和产 品 刚度
第 １ 期
铁 道 车 辆 橡 胶 弹 性 元 件 设 计 仿 真 与校 验
格 规模 、 单元 类 型 、 料 属 性 、 触 参 数 、 解 参 数 等 。 材 接 求 通 过调整 各个 结构 参数 ， 经 过 多次 有 限元 计 算 ， 终 再 最 确定 结构 具体参 数 ， 具体 流 程见 图 ３ 。有 限 元模 型见 图 ４ 。通过 这个设 计仿 真 优 化 过 程后 ， 该产 品样 品一 次 试 模成 功 ， 向刚度 和轴 向刚度 均满 足 了要求 。这样 就大 径 大缩 短开 发周 期 ， 降低 了研发 成本 。图 ５为产 品 的静 刚
算得 到 的 Ｅ大 得多 。所 以普 通结 构关 节的轴 、 向刚度 径
比通 常 小 于 ０ ３ ．。
结构 件可 以视 为转 向架 的躯干 ， 弹性 悬 挂 系统则 可 以视 为转 向架 的大脑 ， 直接 影 响运行 品质 。随着 高分 子 弹性
元件 的技术 发展 和转 向架 性能要 求 的提 高 ， 具备 非线 性
图 １ 某新 型地 铁转 向架及 其 转臂 定 位橡 胶关 节 。 是 在进 行橡胶 关 节 的设 计 时 ， 主机 厂仅 提供 了外形 接 口尺 寸 和产 品的径 向 、 向刚度要求 。并没 有 明确 给 出具体 轴
的疲 劳试 验载 荷条件 ， 只提 出了使 用 寿命要 求 。为 确保 研发 的 橡胶关 节 在 技术 参 数 和可 靠 性上 满 足 转 向 架 的
第 ３ 卷第 １ １ 期 ２１ ０ １年 ２月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ ＡＹ ＬＷ ＬＯＣ ＯＭ ＯＴＩ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖｏ１ １ Ｎ ｏ ．３ ．１
Ｆｅ ． ｂ ２０１ １
文章编 号 ：０ ８ ８ ２（０ １ １ ０ ９ ｍ０ １ ０ ～７ ４ ２ １ ）０ － ０ ８ ４
运用 条件 ， 决定 采 用 虚 拟样 机 的方 法 ， 分 发 挥 三维 结 充 构设 计 、 有限元 结 构 分 析 、 体 动 力学 系 统 仿 真 和疲 劳 多 载荷 谱数 据处 理等设 计 仿真分 析 技术优 势 。
２ 橡胶 关节 的 结构设计
根 据弹性 理论 ， 胶 的剪切模 量 Ｇ 与压缩 弹性模 量 橡 Ｅ 的关 系见式 （ ） １ｌ 。 ２
析 的 技术 手段 ， 明设 计 仿 真 中利 用 有 限 元 仿 真 分 析 技 术 和 实 际 试 验 相 关 联 的 方 法 确 定 产 品 结 构 参 数 ； 用 车 辆 说 利
系统 动力 学仿 真分 析技 术 和 随机 载荷 统 计 分 析 技 术 确 定 产 品 的载 荷 条 件 和 疲 劳 载 荷 谱 ， 过 实 际 疲 劳 试 验 校 验 设 通 计 仿 真 的可 行 性 和 可靠 性 。
性能 参数 的橡 胶类 高 分 子 产 品 被用 作 弹 性 元件 的 比例 逐步 增加 。橡胶 部 件 的 使 用 也往 往 给 主 要 的工 程 问题
提供 了一 种简 单 和 巧 妙 的解 决 方 法 ｕ 。 以某 型铁 道 车
辆转 向架转 臂定 位橡 胶关 节 的设 计 为例 ， 绍橡 胶 弹性 介 元件设 计工 程 中 的仿 真技 术及其 校 验过程 。
典 型橡 胶 的 ｒ 为 ０ ４ ９５ 所 以 Ｅ≈ ３ 值 ． ９ ， Ｇ。对 于 普 通结 构 的关 节 ， 向意 味着 剪 切 方 向 ， 向则 是 压 缩 方 轴 径
限制条 件 ， 用有 限元 分 析 技 术 ， 定其 具 体 的结 构 参 利 确
数 。在 分析 过程 中充分 利 用既往 产 品 的经验 参 数 ， 具 对
度试 验照 片 。
合最 终用 户提 供 的线路 情 况 ， 立整 车动 力学 仿真 分析 建 模 型 （ 图 ６所 示 ） 分 析 得 出橡 胶 关 节 的 载 荷 时 间 历 如 ， 程 ， 而得 到其 载荷 情 况 。 进
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体结 构 参 数 进 行 优 化 分 析 。 化 过 程 中采 用 统 一 的 网 优
＊国 家 高 技术 研 究 发展 计 划 （ ６ ８ ３计 划 ） 目（ ０ ８ 项 ２ ０ ＡＡ０ ０ ０ ） 助 。 ３７６资
卜 玲 （ ９４ ） ， 南 省 浏 阳人 ， 士 ， 教 授 （ 稿 口期 ：０ ０ ０ ０ 继 １７ 男 湖 博 副 收 ２ １ —１ ～２ ）
铁 道 车辆 橡胶 弹 性 元件 设 计仿 真 与校 验
卜 继玲 ，王永冠 ， 传江 宋
（ 洲 时 代 新 材 料 科 技 股 份 有 限 公 司 ，湖 南 株 洲 ４ ２ ０ ） 株 １ ０ ７
摘 要 通 过 详 细 介 绍 一 种 铁道 车 辆 转 向架 用 橡胶 关 节 的 结 构 设 计 与疲 劳 试 验 设 计 过 程 中运 用 虚 拟 样 机 仿 真 分
关键 词 虚拟 样 机 ； 度 设 计 ； 限元 ；车 辆 系 统 动 力 学 ； 荷 谱 强 有 载
中 图分 类 号 ：Ｕ２ １ ３ １ ５ ７ ． ３ 文 献 标 志 码 ：Ａ
转 向架 是 影响铁 道 车辆运行 品质 的关键 部 件 ， 其各
粘结 而受 约束 ， 使有效 的压缩 弹性模 量 Ｅ 值 比式 （ ） １ 计
图 １ 某 型转 同 架 及 其 橡胶 关节
但 是本 次设计 的橡胶 关 节要 求轴 、 向刚度 比大 于 径 ０ ５ 因此突破 普通 结构 进行设 计 ， 用 了如 图 ２所 示 的 ．， 采
Ｇ一 丽
式 中 ｒ 泊Leabharlann Baidu 比 。 为
（） １
结 构 ， 种 结构 的 轴 、 向刚 度 比可 以做 到 ０ ５ 。根 这 径 ． ～１ 据 基本 结构形 式 ， 结合 接 口尺寸 的空 间 限制 和产 品 刚度
第 １ 期
铁 道 车 辆 橡 胶 弹 性 元 件 设 计 仿 真 与校 验
格 规模 、 单元 类 型 、 料 属 性 、 触 参 数 、 解 参 数 等 。 材 接 求 通 过调整 各个 结构 参数 ， 经 过 多次 有 限元 计 算 ， 终 再 最 确定 结构 具体参 数 ， 具体 流 程见 图 ３ 。有 限 元模 型见 图 ４ 。通过 这个设 计仿 真 优 化 过 程后 ， 该产 品样 品一 次 试 模成 功 ， 向刚度 和轴 向刚度 均满 足 了要求 。这样 就大 径 大缩 短开 发周 期 ， 降低 了研发 成本 。图 ５为产 品 的静 刚
算得 到 的 Ｅ大 得多 。所 以普 通结 构关 节的轴 、 向刚度 径
比通 常 小 于 ０ ３ ．。
结构 件可 以视 为转 向架 的躯干 ， 弹性 悬 挂 系统则 可 以视 为转 向架 的大脑 ， 直接 影 响运行 品质 。随着 高分 子 弹性
元件 的技术 发展 和转 向架 性能要 求 的提 高 ， 具备 非线 性