美国、日本和俄罗斯等国的实践业已表明^[1~4], 橡胶缓冲器是一种较为理想的铁路机车车辆缓冲器。与其它缓冲器相比, 具有结构简单、维修方便、价格低廉、缓冲效果好等优点; 不足之处是缓冲性能具有温度敏感性。国产橡胶缓冲器的现场应用, 证明了这一缺点^{[1~2, 5~8]}。同时, 还揭示出国产橡胶缓冲器寿命不长等缺点。国产橡胶缓冲器品质不如国外的原因, 一方面是中国车辆运行从南到北, 工作温差范围大, 橡胶低温时易冷硬脆化, 导致缓冲效果差、寿命较低; 另一方面可能有产品质量把关不严的原因; 此外, 本文研究表明, 还有设计方面的原因。为了克服米轨货车借用准轨货车2号缓冲器存在的缺陷, 提高车辆运行的品质。同时, 考虑到米轨铁路运行区间温差较小, 有别于现有准轨车辆运行环境。所以, 权衡利弊, 现场决定选择橡胶缓冲器替代现有准轨货车2号缓冲器。替代初期, 使用了某厂开发的橡胶缓冲器。现场使用中发现, 运行品质虽有改善, 但效果仍然不理想。经西南交通大学试验证实, 该缓冲器性能参数确实存在较大缺陷(另文介绍)。试验结果表明, 其结构方案和橡胶参数的选择都存在一定缺陷。因此, 由西南交通大学与昆明铁路局开远车辆段、云南橡胶研究所联合开发了新型米轨货车橡胶缓冲器——XJH-1。本文介绍这一橡胶缓冲器的新型结构方案与开发研制中的设计计算探索。

1.   功能模型

单层橡胶块是缓冲器的基本工作元件。如图 1所示, 设计时忽略阻尼效应, 用弹簧模型来近似, 则单层橡胶的功能模型可表示为

图  1  缓冲器中单个橡胶块的功能模型

Figure  1.  Mechanical model for single layer of rubber in a rubber bumper

下载: 全尺寸图片 幻灯片

橡胶弹力p=k (x+x₀) (1)

橡胶弹性功

$w{}_k={\displaystyle \int }{}_{x{}_0}^{x+x{}_0}kx\text{d}x=\frac{1}{2}k[(x+x{}_0){}^2-x{}_0^2]$ (2)

式中: k、x₀和x分别为橡胶的弹性系数、初始压缩量和层行程。

x₀、x与橡胶厚度h、抗压弹性模量E、弹性系数k和承载面积A具有如下关系

$x+x{}_0=\frac{\sigma }{E}h=\frac{k(x+x{}_0)}{AE}h(3)$

变换上式可得到橡胶块弹性系数k的计算式为

$k=\frac{AE}{h}(4)$

当缓冲器由n层高度h相同、受力面积A相等的橡胶块组成, 如图 2所示, 其功能模型可表示为

图  2  橡胶缓冲器的功能模型

Figure  2.  Mechanical model for a rubber bumper with rubber layers

下载: 全尺寸图片 幻灯片

橡胶弹力p=k (x+x₀) (5)

橡胶弹性功

$w{}_k=n{\displaystyle \int }{}_{x{}_0}^{x+x{}_0}kx\text{d}x=\frac{1}{2}nk[(x+x{}_0){}^2-x{}_0^2](6)$

2.   设计与讨论

2.1   设计参量

缓冲器的性能参量主要有: 外形尺寸(L×B×H)、最大冲击力F_h、行程X、容量W_h、吸收率ρ_x和质量M_h。L×B×H由钩缓结构所决定, 是限定性参量。F_h、X和W_h为设计参量, 与橡胶性能有关; F_h为缓冲器传递的最大冲击力; X为缓冲器的最大行程; W_h为缓冲器在有效行程内所做功之和; ρ_x为缓冲器与车辆结构所吸收的能量与冲击总能量的比值。

显然, 从减少冲击、降低噪声和减少车辆零部件碰撞磨耗角度, F_h越小缓冲效果越好。值得注意的是, 当行程和外形尺寸即承载面积一定时, W_h越大则缓冲器刚度与冲击力越大, 有负面效果。所以, 考虑避免异常载荷用完行程产生刚性冲击, W_h宜按抵抗车辆额定冲击能量, 形成用完70%确定。ρ_x是F_h和W_h的相关参量, 这些参量最终由缓冲器结构与橡胶的弹性抗压弹性模量和阻尼性能决定。

因此, 根据米轨货车额定载重量与编组速度, 本课题组对缓冲器性能提出的设计要求见表 1。

表  1  米轨货车橡胶缓冲器设计要求性能参数

Table  1.  Required properties of rubber bumper for the freight car with 1 m wide trucks

外形尺寸L×B×H/mm	最大阻抗力Fh/kN	行程X/m	容量Wh/kJ	吸收率ρx/%	质量Mh/kg
317×225×514	≤1000	64~68	14~16	≥75	≤100

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.2   结构方案

方案设计是否合理, 关系到制造和维修成本, 关系到产品是否有生命力。原则应当是: 在满足缓冲功能要求的同时, 充分考虑制造与安装的容易性、零部件的互换性与维修性, 以及制造维修成本, 使性能最优化, 体现现代产品设计制造与开发的特点与要求。

同时, 对于缓冲器而言, 最重要的目标应当是冲击力小、使用寿命长。寿命主要由橡胶的抗疲劳与老化寿命所决定, 在承载面积一定的条件下, 减小冲击力, 使工作应力水平下降, 是延长抗疲劳寿命的主要因素。

图 3给出了现行米轨货车橡胶缓冲器的结构方案, 它由橡胶隔板组、上下底座和螺栓-螺母-垫圈组构成, 约有4.7 t初压力。表 2给出了试验得到的缓冲性能极限指标。显然, 该方案存在以下不足:

图  3  现有铁路货车橡胶缓冲器结构方案

Figure  3.  Structural scheme of the existent rubber bumper for the freight car with 1 m wide trucks

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  2  某厂开发的米轨货车橡胶缓冲器极限性能参数

Table  2.  Properties of the previously developed rubber bumper for the freight car with 1 m wide trucks by a factory

外形尺寸L×B×H/mm	最大阻抗力Fh/kN	行程X/m	容量Wh/kJ	吸收率ρx/%	质量Mh/kg
317×225×514	1033.23	51	22.54	63.4	127

下载: 导出CSV 

| 显示表格

(1) 结构复杂, 8种组件单元(18个零件) 构成, 制造成本高。

(2) 有初压力, 通常将螺栓与螺母焊死, 需要专门拆装工具, 维修性差, 维护费用高。

(3) 质量大(≈127 kg), 不利于提速和高速车辆, 缓冲空间利用少, 仅有21.28%。

(4) 容量过大, 达到22.54 kJ, 不能满足米轨车辆降容要求。

(5) 缓冲性能差, 寿命短。表现为当行程达到51 mm时, 橡胶出现龟裂, 能力达到极限。而相应冲击力F_h高达1033 kN, 峰值应力(F_h/A) 达到25.23 MPa。

从现有橡胶的抗疲劳寿命研究结果^[9,10]来看, 这样高的峰值应力, 橡胶在出现龟裂的情况下工作, 缓冲器的疲劳寿命是不高的。

为了克服现有橡胶缓冲器结构方案的缺陷, 课题组对现有货车橡胶缓冲器的结构方案做了较全面的调研, 进行了反复计算分析与比较。从尽可能增加承载面积, 充分利用缓冲空间, 便于互换角度, 确定了如图 4、图 5所示新型结构方案。同时, 考虑到钩缓装置自动具有7 t压紧力, 且缓冲器空间本身有护框, 从便于拆卸维修角度, 采用零初压力方案。进一步在计算分析中, 考虑满足缓冲性能要求, 同时考虑最大冲击力最低, 应用数学规划法确定出橡胶层数、每层橡胶高度和相应的橡胶缓冲力学性能参量(抗压弹性模量) 要求。最终课题组设计出性能如表 3所示的新型缓冲器。该方案具有如下特点与优点:

图  4  本课题组提出的铁路货车橡胶缓冲器结构方案

Figure  4.  Structural scheme of the presently developed rubber bumper

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  5  新开发橡胶缓冲器的两个互换性单元

Figure  5.  Two exchangeable units of the presently developed rubber bumper

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  3  新型米轨货车橡胶缓冲器的设计参量

Table  3.  Tab.3 Design properties of the presently developed rubber bumper for the freight car with 1 m wide trucks

外形尺寸L×B×H/mm	最大阻抗力Fh/kN	行程X/m	容量Wh/kJ	吸收率ρx/%	质量Mh/kg
317×225×514	519	68	15.2	87.63	76.56

下载: 导出CSV 

| 显示表格

(1) 重量轻(76 kg)、结构简单、制造成本低, 仅由盖板-橡胶(图 5(a))、隔板-橡胶(图 5(b)) 两种互换性单元(共17个零件) 组成。

(2) 零初始压力, 拆装方便, 互换性、维修性好, 不需要专门工具, 使用维护费用低。

(3) 缓冲空间利用率为52.34%, 为前述某厂橡胶缓冲器的2.46倍, 为开发提速、高速和重载车辆缓冲器创造了有利条件。

(4) 最大冲击力为599 kN, 为现有缓冲器的58%;最大工作应力仅有12.69 MPa, 为现有缓冲器的50%。由此可见, 缓冲效果好。而且, 从现有橡胶的试验结果^[9,10]来看, 疲劳寿命会有非常大的提高, 具体多少, 需要通过专门疲劳试验或长期的验证试验来论证。

2.3   计算

2.3.1   容量

已知橡胶块的抗压弹性模量为E, 忽略轮轨摩擦等能量消耗, 保守地使用额定行程时的弹性做功W_k作为缓冲器容量W_h, 将式(4) 代入式(6), W_h的近似计算式为

$W{}_h=\frac{nAE}{2h}[(x+x{}_0){}^2-x{}_0^2](7)$

A受到缓冲器外形尺寸限制, 可由下式估计

$A=L{}_{x}B{}_x(8)$

其中, L < L_x, B < B_x, x根据行程X计算

$x=\frac{X}{n}(9)$

而橡胶层数n为缓冲器隔板间隔数n_g的2倍。

2.3.2   阻抗力

缓冲器初始压力P₀可由下式计算

${\rm P}{}_0=kx{}_0=\frac{AE}{h}x{}_0(10)$

根据作用力与反作用力原理, 缓冲器的最大阻抗力F_h可由下式计算

$F{}_h=k(x+x{}_0)=\frac{AE}{h}(x+x{}_0)(11)$

2.3.3   质量

设橡胶密度为ρ_r, 单个橡胶块的形状可近似为上底长为a、下底长为b的梯形, 其宽度为d。每层有两个相嵌的橡胶块, 则每层的橡胶块质量M₁可由下式计算

${\rm M}{}_1=2\rho {}_r(a+b)hd(12)$

设钢材密度为ρ_s, 隔板与上下底板完全相同, 长、宽、厚分别为L、B和h_g, 则每块钢板的质量M₂为

${\rm M}{}_2=\rho {}_{s}h{}_{g}LB(13)$

缓冲器共有n层橡胶块、(1+n) 块钢板。因此, 缓冲器质量M_h为

$\begin{array}{l}{\rm M}{}_h=n{\rm M}{}_1+(1+n){\rm M}{}_2=\\ 2n\rho {}_r(a+b)hd+(1+n)\rho {}_{s}h{}_{g}LB(14)\end{array}$

2.3.4   橡胶抗压弹性模量

橡胶是缓冲器的功能元件, 除结构方案设计外, 橡胶性能设计是缓冲器设计的关键问题, 抗压弹性模量E是其中关键指标。计算E有两条途径: 一是根据缓冲器容量W_h要求, 变换式(7) 得

$E=\frac{nAW{}_h}{2h}[(x+x{}_0){}^2-x{}_0^2](15)$

二是根据缓冲器最大阻抗力F_h, 变换式(11) 得

$E\le \frac{A}{hF{}_h}(x+x{}_0)(16)$

吸收率ρ_x可保守地通过模拟货车编组碰撞过程或刹车制动过程计算, 另文介绍。

3.   结语

(1) 研制适于米轨车辆的缓冲器, 改善其运行品质, 是一项十分重要而又紧迫的任务, 车辆环境温差不大, 开发应用橡胶缓冲器是可行的。

(2) 提出了一种新型结构方案, 仅由盖板-橡胶与隔板-橡胶两个互换性单元构成; 采用零初压力, 制造和维修时无须专用装拆设备, 具有重量轻、制造安装容易、互换性好、成本低和使用维修费用少的特点; 同时, 充分利用了缓冲结构空间, 为开发大容量提速、高速和重载铁路车辆缓冲器奠定了基础。

(3) 提出了一套新型的橡胶缓冲器设计计算方法, 为进一步开发与应用探索了理论依据。