铁道车辆一系锥形弹簧的主要性能测试分析及探索

1、铁道车辆一系锥形弹簧的主要性能测试分析及探索荣继刚，王健，王 进，杨军 （株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007）摘 要：对一系锥形弹簧的垂向静态刚度、压缩高、垂向动态刚度、静态蠕变性能等主要性能的测试进行了详细的分析，并对测试中的数据进行了探索。随着一系锥形弹簧在铁道车辆上的广泛应用，如何准确获得一系锥形弹簧的性能参数尤为重要，本文对开发一系锥形弹簧起到了指导意义，同时为车辆设计人员了解弹性元件起到了参考作用。关键词： 一系锥形弹簧 垂向静态刚度 压缩高 垂向动态刚度 静态蠕变 概述随着橡胶和金属粘接技术的提高，锥形弹簧作为一系悬挂减振系统被广泛地应用在铁道车辆上，具有如下一

2、些特点：可以通过调整锥形角及橡胶的形状来满足三维刚度要求，利用橡胶的三维特性可以承受多向载荷，以便于简化结构。可避免金属之间的磨耗，安装、拆卸简便，无需润滑，免维护及使用寿命长。具有较高内阻，对高频振动的减振以及隔音性有良好的的效果。橡胶的弹性模量比金属小，可以实现较大的弹性变形，容易实现预想的良好的非线性特性。由于橡胶具有蠕变性能，一系锥形弹簧存在蠕变特点，因此在设计中需要正确面对及把握锥形弹簧的蠕变性能。由于一系锥形弹簧具有具有以上特点，目前橡胶金属弹簧在国内外应用广泛。随着我国高速铁路和地铁的飞速发展，我们研发了大量的锥形弹簧，并对锥形弹簧的特性及试验进行了比较深入分析和探索；同时积累了

3、大量的数据和使用参数，对锥形弹簧的设计和开发起到了指导作用。根据近几年为国内及欧洲几大主机厂（公司）开发的一系锥形簧，我们对一系锥形簧的试验数据分析有了一套合理的方法。下面对一系锥形弹簧主要要性能参数进行分析和探索。一系锥形弹簧主要性能测试分析及探索压缩高性能一系锥形弹簧的压缩高性能主要指产品在一定的载荷下产品被压缩后的高度，即产品的自由高减去一定载荷下产品的变形值。压缩高性能是保证车体高度的一个重要参数，是根据车辆界限来确定的。压缩高性能测试方法目前，对压缩高性能存在如下两种测试方法，在EN 13913对这两种方法都做了详细的规定。图一：压缩高试验方法方法一：指将产品垂向加载到最大载荷然后卸

4、载到要求的载荷点F，保持载荷一段时间（EN 13913推荐为102S）后测量产品在载荷F下的高度。方法二：指产品垂向加载到要求载荷并保持载荷一段时间后测量产品在载荷F下的高度。测试数据分析及探索对于锥形弹簧的压缩高性能测试，一般采用方法一进行，即测量卸载时的高度，产品此时的高度H1为产品自由状态的高度H0减去载荷下的变形D（H1H0D）。方法二为测量加载时的高度，产品此时的高度为H2H0-D1。因此，同一产品选用不同的试验方法时所得出的压缩高值是有区别的。现在有些专家认为，采用方法二是合适的，根据产品的使用性能进行分析有如下原因：车辆安装后一系弹簧所承受的载荷为空车载荷，不会加载到最大载荷后再

5、卸载到空车载荷，因此采用方法二更接近实际安装情况。H2H1，其主要因素是橡胶材料具有滞后性决定的，这是不可消除的因素，采用方法一所得数值会导致车辆安装后车体高度大于设计值，车体高度的上升会使整车得重心上移，给车辆得运行安全性带来影响。垂向静态刚度性能垂向静态刚度一般指准静态刚度，所谓准静态刚度就是指速度很小的情况下测试所得的垂向刚度，根据EN 13913推荐的速度为完成一个循环的时间为30s60s之间，也可以根据产品的使用情况适当的减小试验速度。由于橡胶存在压缩永久变形，测试时需要对产品进行预压，根据试验经验，一般采用第三个循环的数据计算该产品垂向静态刚度。垂向刚度性能测试方法图二;垂向刚度试

6、验方法将产品放置于合适的电子万能试验机上，然后对产品施加载荷0到Fmax然后卸载到0kN，以此为一个循环，连续三个预循环后记录第三个循环的数值及曲线。试验数据的分析及探索从近几年开发的一系锥形弹簧的试验进行分析，目前技术要求的计算垂向刚度有三种方法，即某一载荷下的割线刚度、切线刚度、点对点的刚度。图三;垂向刚度计算方法如图四所示，割线刚度K1F0/D0；切线刚度K2tangent a; 点对点刚度K32F/D=(F2-F1)/(D2-D1)。割线刚度是不能反映出产品在一定载荷下的真实刚度，锥形弹簧的载荷变形是非线性的，而割线刚度反映的是直线刚度。另外，锥形弹簧装车之后，产品上就加载了一个空车载

7、荷，这段的割线刚度就没有意义，车辆在运行过程中的刚度就是空载处的刚度。因此，在车辆设计中越来越多的采用了切线刚度和点对点刚度，点对点刚度能反映出产品在某个载荷下小频率振动时的刚度，而且当F很小时，其刚度值就接近切线刚度，下面以株洲时代新材料科技股份有限公司某个锥形弹簧为例进行说明，该锥形弹簧的主要参数及试验结果如表一。表一：锥形弹簧主要参数：项点客户要求空载12kN满载23kN最大载荷29.9kN135kN下的刚度0.65kN/mm225kN下的刚度0.925kN/mm图四;垂向静态刚度试验曲线图五;垂向静态切线刚度计算曲线如图四所示，根据上升曲线取不同的F计算刚度如表二：表二：锥形弹簧垂向刚

8、度值：F0（kN）F（kN）试验刚度（kN/mm）130.150.64010.62230.63250.64780.670220.150.92210.89330.88650.88780.886对试验曲线求空载及满载时的切线刚度，我们首先需要拟合上升段的曲线函数，如图五所示。然后对X求导为： ；最后取空载13kN及满载22kN下的位移值代入公式中就可以求出空载及满载下的切线刚度。通过计算，切线刚度K0.648kN/mm， K0.943kN/mm。当点对点刚度的取值F0.15kN时，刚度值与切线刚度接近，二者的区别在空载下约为1.25%,满载下为2.27%，一般来说，在试验过程中的误差23%是可以接

9、受的。垂向动态刚度性能垂向动态刚度能直接反映产品在车辆运行过程中一系弹簧的阻尼性能，现在较多的采用动静刚度比来反映锥形弹簧的垂向动态刚度性能。动静刚度比可以通过结构设计及橡胶材料的配方得到很好的改善。3.1 动静刚度比测试方法图六;静态刚度计算方法图七;动态刚度计算方法垂向静态刚度测试方法同2，垂向动态刚度的试验方法为：将产品放置动态试验机上（Inston 8808），然后加载到到最大载荷再卸载到F,以一定的频率加载动态载荷，动态振幅为（F2F1）/2，循环30次后记录第30次曲线。垂向动态刚度计算方法如图七所示，动静刚度比CHyst/Cstat。3.2 试验数据分析及探索在一系锥形弹簧试验中

10、得出的数据，我们逐渐理清了一系锥形弹簧的垂向动态刚度之间的关系。以公司开发的某锥形弹簧试验进行说明（垂向均预载36.7kN）；试验数据如表三所示：表三：垂向动态刚度数值：频率（H）振幅（mm071.121.121.131.131.1921.051.091.101.111.111.1541.021.051.061.08-61.001.031.041.05-81.001.021.02-100.981.001.00-120.970.98-根据试验数据可以推断出以下结论：在相同的振幅下，一系锥形弹簧的动态刚度值是随着频率的增大而不断增大，但变化趋势很小，如图八所示，曲线重合性

11、很好；在相同频率下，一系锥形弹簧的动态刚度随着振幅的增大而减小，如图九所示。在不同的频率及振幅下，锥形弹簧的动静刚度比呈现出图十所示趋势。图八;不同频率下的垂向刚度曲线图九;不同振幅下的垂向刚度曲线图十;动静刚度比变化趋势由于橡胶具有滞后阻尼的特性，滞后环的面积等于能量的损耗值，我们把不同振幅下的动态刚度曲线叠加在一起可以发现，在不同的振幅下一系锥形弹簧的动态刚度曲线互相包络且在不同振幅下，产品的垂向刚度随振幅的增大而减小，我们取最小的几个振幅与垂向静态刚度叠加一起可以得到图十一曲线。图十一;动态刚度与静态刚度曲线根据这个曲线，我们可以从静态刚度曲线形态可以初步的推断出该产品的动静刚度比值，动

12、静刚度比K2/K1（图十二）。通过一系列试验验证，当选取的振幅很小时，计算的动静刚度比略大于试验值，但给一系锥形弹簧的前期开发提供了更简单的动静刚度比的判定方法，换而言之，只要客户技术要求动静刚度比大于计算值，产品就一定能满足客户要求。图十二;动静刚度比推测曲线静态蠕变性能一系锥形弹簧是橡胶复合弹簧，因此存在无法消除的蠕变性能。从橡胶的机理上分析，蠕变是由于互相缠合的高分子在外力作用下结点重排，并锁住无法解脱，使分子网格重构，以及硫化时形成大分子网格，某些交联键不完善。在外力作用下交联键损坏并挤去空缺，卸载后无法恢复。从产品整体上分析，蠕变是产品在静态载荷作用下，产品的变形随着时间的增大而增大

13、，随着时间的增长，变形越来越小，产品处于稳定。EN 13913 和NF F 01-815中对蠕变稳定定义如下：图例： X 时间（h） Y 变形 图十三;蠕变定义曲线当在某一个24小时内变形的变化小于在t=1小时和t24小时之间变化的1/10时，认为部件是稳定的。4.1 静态蠕变的测试方法将锥形弹簧安装在试验机台上，对产品施加一定的垂向载荷并保持载荷，每两小时记录一次产品的变形值，产品的蠕变值为试验0时的H值减去试验稳定后的H值。图十四;蠕变试验图4.2 试验数据的分析及探索由于锥形弹簧在使用过程中存在一定的蠕变，因此，车辆在运行过程中压缩高会随着时间的增加而变矮，国内外有许多一系弹簧由于蠕变过

14、大而导致产品失效。因此，蠕变性能成为衡量一系弹簧性能的一个重要参数被广泛认可。以前，对一系弹簧的蠕变试验主要加载空车载荷并保持一段时间，测定出产品的蠕变值。从产品的使用情况看，以空车载荷作为蠕变的试验的静态载荷存在一定的局限性，主要是车辆在运行过程中处于空载的情况不多，所以试验数值不能准确反映产品在使用过程中的蠕变情况。笔者认为，对一系弹簧的蠕变测试应该分两步走：空载下的蠕变测试 空载下的蠕变测试可以判定产品装车48h后车体的下降值，对于新造车，装车48h内一般处于静置状态；而且对于一系锥形弹簧，48h内的蠕变是最大的。空载下的蠕变测试可以准确的测试出产品在此时间段的蠕变值。满载下的蠕变测试

15、由于车辆在运行过程中载荷范围大部时间是在空载与满载之间，因此用满载下的蠕变值进行寿命周期内的蠕变更加接近使用情况。根据公司开发的锥形弹簧试验得出的曲线如下图所示，该锥形弹簧的空载载荷为27kN，满载载荷为38.9kN。图十四;蠕变试验图从试验数曲线可以看出，产品在空载下48小时后蠕变就处于一个稳定状态；载荷的增加到满载，产品72小时后就开始处于一个比较稳定的状态，但随着时间的增加，蠕变又会快速增加，到192小时后就变得非常平稳，几乎很少受外界如温度的影响。从橡胶蠕变的机理上分析，由于外界载荷的加大，分子结构的重排更迅速，分子间的间隙被压缩的更小，因此，在这种情况下对整个寿命周期内蠕变值的预测更

16、合理。对两种情况下的蠕变进行预测如图十五所示。图十五;蠕变预测图根据产品的使用要求，锥形弹簧的设计寿命一般为810年，从公司开发的产品运行经验来看，蠕变值一般为710mm，因此，采用满载下的试验蠕变值作为预测的基础是贴近使用情况的。结论本文根据TMT一系锥形弹簧的开发及与国内外几大客户的交流进行总结与分析，阐述了一系锥形弹簧压缩高、垂向静态刚度、垂向动态刚度及蠕变性能的分析方法及对性能参数的一些探索，给车辆设计人员对弹性元件的选择提供了参考。同时由于橡胶金属减振器结构不同会存在一些性能上的差异，它不适用与所有的橡胶复合弹簧，但对其他的产品开发具有一定的借鉴意义。 参考文献：1 EN13913 Railway applications-Rubber suspension components-Elastomer-based mechnical parts;2 NF F 01-815 French standard: Railway rolliong stock Rubber-bas