轨道交通用橡胶关节的结构与特性

作者：王进 彭立群 侯海彪 林达文

欢迎访问e展厅 展厅 6 铁路与轨道交通展厅 铁路养护工具, ... 摘要：橡胶关节是一类橡胶和铁件复合而成的弹性连接体，具有柔性联接和缓冲振动冲击的作用，所以广泛应用于柔性联接位置，起到减振降噪的作用。本文在以往经验基础上，总结了国内外对橡胶关节的研究，综述了橡胶关节种类、结构与性能、影响橡胶关节性能的因素等，并且举例进行了说明。 关键词：橡胶关节；柔性联结；减振；降噪 现代轨道交通技术的发展，对乘车的安全性和舒适性提出了更高的要求。牵引悬挂元件中有许多既承载直线作用力又承受扭矩的关节部件，传统的结构是采用滑动或滚动轴承，使用中会产生摩擦，需要润滑，运用中产生噪声和冲击，并且结构复杂，维护保养工作量大，使用寿命短。现在多采用橡胶关节，利用橡胶的多方向形变和弹性，承受直线作用力和扭矩，产生扭转或扭摆变形。由于橡胶的粘弹性，不仅具有柔性联接的作用，而且具有缓冲振动冲击的作用，具有不产生机械摩擦，无需润滑，噪音低，结构简单，不需维护等优点，所以越来越广泛的用于柔性联接位置。本文对橡胶关节的种类、结构与性能、影响性能的因素以及应用等进行了论述。 1 橡胶关节的种类 橡胶关节的种类繁多，按结构形状分为圆柱环形和球形橡胶关节，圆柱环形橡胶关节多用于承受径向或轴向载荷为主，同时承受扭转载荷或少许扭转载荷的关节部位；球形橡胶关节多用于既能承受径向或轴向载荷，又承受扭转和扭摆载荷的万向运动的关节部位。圆柱形或球形橡胶关节按安装的结构不同，又可以分成带芯轴的和不带芯轴的两种，不带芯轴的橡胶关节安装在原机构已有芯轴或销上承受载荷。带芯轴的橡胶关节多用于原机构无芯轴或销的接合。 尽管每种橡胶关节都有自己独特的结构，但基本结构大体相同，一般由芯轴、外套和橡胶层组成。按其生产工艺基本上可分两大类：整体硫化型和压入式（图1-1）。按其内部结构又可分为芯轴凸出型（凸球形，图1-2）、芯轴凹陷型（凹球形，图1-3）和直筒形（图1-4）。按其外套结构又可分为整体外套型和分瓣外套型。通过调整橡胶关节的内部结构，可以改变它的性能，从而符合客户的要求。 橡胶关节的结构设计及应用众所周知，橡胶承受拉伸力较差，橡胶关节在使用过程中，不可避免地会产生拉伸应力，为提高橡胶关节的使用寿命，在关节安装使用时总是使橡胶处于预压缩状态，预压缩的量值应大于关节使用过程中产生的拉伸应力，使橡胶综合应力不产生拉伸应力。为此，在橡胶关节的结构设计中使橡胶处于压缩状态成为关键技术，橡胶关节的预压缩措施一般为下列三种方法： 1）将橡胶件压装到内、外套之间，使橡胶件处于预压缩状态，这类产品在早期的轴箱拉伸组件和牵引拉杆组件中采用，用户需要配备专门的压装工装使用压力机完成压装工作。 2）将橡胶件与金属内套（轴）和金属外套硫化成一体，外套做成离散体，一种是将金属外套做成三瓣式的是一种将金属外套做成左右两段。橡胶关节压装到机构中去时，外套与相应的装配孔是过盈的，三瓣式的外套被压缩收拢，从而压缩橡胶，或者在橡胶关节轴向压缩，式左右二段外套靠拢压缩橡胶，这类产品广泛运用于各类关节部位。 3）将橡胶与内、外套硫化成一体后，挤压外套使其收缩，从而压缩橡胶，这样橡胶关节在未使用前就已使橡胶处于预压缩状态。目前广泛运用于液压减振器的两段连接件中。 3 橡胶关节的结构与特性 3.1 压入式橡胶关节的结构与特性 压入式橡胶关节的外套不与橡胶硫化在一起，首先将芯轴与橡胶硫化在一起成为弹性体，然后通过机械外力将弹性体压入外套，再把外套翻边扣住橡胶。由于橡胶在挤压过程中会发生取向，甚至由于挤压力过大，而使橡胶表面破坏或者粘接层破坏，导致橡胶关节产品不合格。同时，由于挤压过程中挤压力分布的不均匀性，还会导致橡胶挤压后鼓出、产品不对称等质量问题。因此，压入式橡胶关节的挤压工艺和过程控制要求严格，增加了生产和管理成本。 3.2 整体硫化型橡胶关节的结构与特性 3.2.1 直筒形橡胶关节 直筒形橡胶关节的芯轴和外套是完全的直筒形结构，没有凹弧或凸弧。由于直筒形结构简单，铁件易于加工，生产成本较低。但直筒形橡胶关节在受轴向力作用时，橡胶部分受到剪切作用，所以，表现为径向刚度较大，而轴向刚度较小，即径轴刚度比相对较高，约为20∶1，并且偏转刚度较大。而凸球形和凹球形橡胶关节的径轴刚度比相对较低，约为20∶1--6∶1，并且可调。 3.2.2 凸球形和凹球形橡胶关节 凸球形和凹球形橡胶关节的芯轴和外套结构为凸弧形和凹弧形。由于结构相对复杂，铁件加工难度提高，生产成本增加。但由于凸球形和凹球形橡胶关节在受轴向力作用时，橡胶不仅受到剪切作用还会受到压缩作用，而橡胶的压缩模量比剪切模量大得多。所以，表现为同等试验条件下凸球形和凹球形橡胶关节的轴向刚度提高，即径轴刚度比减小。 凹球形橡胶关节由于橡胶层较凸球形的厚，结构更加流畅，所以，橡胶关节的绝对刚度，包括径向刚度、轴向刚度和偏转刚度进一步减小，径轴刚度比更小。同时，抗疲劳性能也明显改善。 3.2.3 整体外套与分瓣外套型橡胶关节 整体外套型橡胶关节的金属外套是一个整圆，产品硫化成型以后，橡胶层受外钢套的约束。通过对外套的挤压，使金属外套产生一定的变形来调整径向与轴向刚度的比值。整体外套型橡胶关节硫化后需挤压、精加工、镀锌等工序，所以，后处理工作较为复杂。 分瓣外套型橡胶关节是产品的金属外套由整圆切割为几瓣（为两瓣、三瓣、四瓣不一，但合并起来是一个整圆），产品硫化成型以后，橡胶没有受外钢套的约束，可以相对自由收缩，将产品安装到孔径去时，外钢套合并为整圆，橡胶受到一定的压缩，产品承受一定的径向载荷时橡胶不会受拉伸。分瓣外套型橡胶关节不需要进行挤压、精加工、镀锌等工序，所以，后处理过程简单。另外，硫化后各瓣之间保持一定的间隙，这样一方面可以消除产品内应力，另一方面也为产品安装预留了压缩余量。但是，分瓣外套型橡胶关节经过线切割后已不是一个完整的刚性体，很难控制安装尺寸的过盈量，压入压出力难以有保证；而整体外套的过盈量比较容易控制。 图4—图6 分别是分瓣橡胶关节的轴向、纵向和垂向应变分布。图中颜色由深到浅， 即由兰色到红色表明应变逐渐增大。轴向应变分布比较均匀，没有形成明显的应力集中，产品承受轴向载荷的能力较强。而纵向和垂向的应变分布极为不均，有明显的应力集中，产品承受纵向和垂向载荷的能力较弱。 由于将橡胶关节产品设计成分瓣结构或硫化成型后将产品内外套进行整体挤压的方法可以避免橡胶在受力前受到拉伸应力，所以，对于起柔性连接作用的橡胶关节多数采取整体硫化型橡胶关节，而不是压入式橡胶关节。目前，国内对于分瓣结构形式应用比较多，应用也相当成熟。国外的公司对整体结构形式进行了大量的研究和应用，象西门子设计机车车辆用的柔性联接类结构、KONI 液压减振器的球形关节、SACHS 公司设计的柔性联接头等基本上全采用了整体挤压结构。但通过文献检索和查询有关方面的资料表明：国内外在这方面的发表的研究论文很少。 4 影响橡胶关节性能的因素 4.1 橡胶层厚度 在其它条件不变的情况下，随橡胶层厚度的增加，橡胶关节的径向刚度、轴向刚度，偏扭转刚度都会降低。由于橡胶的模量远远低于铁件的模量，所以一定载荷下，橡胶的形变量要比铁件大得多，实际中铁件的变形往往忽略不计。另外，由于橡胶的粘弹性，在试验载荷下应力与应变并不是简单的线性关系，而是非线性。所以，橡胶胶层厚度越大，橡胶可被压缩的空间越大，在一定载荷下，绝对变形量越大，刚度也就越小。 4.2 橡胶自由端面结构 产品外套经过挤压后，橡胶层受到了压缩。由于橡胶体积是不可压缩的，所以，橡胶要发生变形导致橡胶的自由表面发生形状变化。有限元计算结果表明，橡胶自由表面经过挤压后的形状影响产品的疲劳寿命。在产品运行承载的过程中，局部橡胶会受到进一步压缩，橡胶表面可能发生皱折现象，产品承受动态变载荷造成橡胶表面相互摩擦生热使橡胶提前老化。橡胶自由表面经过挤压后的形状与挤压前形状和挤压量有关，因此在进行产品结构设计时，将产品未挤压前的自由表面设计成反圆弧结构，经过挤压后橡胶表面也不会产生鼓出和皱折现象。 另外，根据力矩平衡，当外力矩一定（载荷不变）的情况下，橡胶的凹槽越深，则橡胶所受的力越大，表现为橡胶产生更大的偏转变形，从而使橡胶关节的偏转刚度下降。 4.3 挤压量 相对扭转与偏转来说，橡胶关节更多的是在轴向和径向方向承受大的工作载荷。另外，橡胶产品的疲劳寿命多数是因产品径向疲劳而发生破坏，因此，本文以某一橡胶关节产品为例探讨了不同的径向预压缩量对轴向和径向初始刚度的影响。 4.3.1 挤压量对径向刚度的影响 径向刚度特性是描述产品性能的一个重要表征指标。根据模型结构和加载特点，计算径向加载刚度特性和应力分布趋势时，利用四分之一对称模型即可进行计算[3，4]，图7是有限元分析得到的橡胶关节产品径向刚度与整体挤压量的关系。分析结果表明，橡胶关节径向刚度随整体挤压量的增加而明显增大，其增大幅度与预压量成正比。 4.3.2 挤压量对轴向刚度的影响 根据产品结构及受力特性，使用轴对称模型来分析产品预压量对轴向刚度的影响。图8 是根据有限元分析结果获取的橡胶产品的轴向刚度与整体挤压量的关系。分析结果可看出，橡胶关节的轴向刚度随整体挤压量的变化很小，其轴向刚度几乎与非预压时的初始轴向刚度相同。 5 结语 设计橡胶关节产品时，除根据工作条件、使用环境选择合适的橡胶材料外，还必须依据橡胶的特性，设计出合理的结构型式，否则往往会导致橡胶关节的工作寿命缩短或起不到减振作用。国内对于分瓣结构的研究比较多，而国外对于硫化成型后将产品内外套进行整体挤压的研究比较多。但在这方面的研究论文或报导却都很少，国内更是缺乏这方面的研究和应用，许多生产设计工厂甚至根本没接触过工艺研究。 今后，国内一定要加大对结构设计和工艺的研究，使橡胶关节的应用更加广泛和可靠，尤其在轨道交通领域，能够发挥更大的作用，促进轨道交通事业的发展。 参考文献 1、张亚林，龚积球，范佩鑫。轴箱拉杆橡胶套的压配合研究，内燃机车，1998，8。 2、 陆金桂，肖世德。结构形状优化设计的研究，矿山机械，1995（9）：19~21。 3、 曾昭华，傅祥志。优化设计，机械工业出版社，1992，1。 4、 龚积球，龚震震，赵熙雍。橡胶件的工程设计及应用，上海交通大学出版社，2003，7。 5、 严隽耄。车辆工程，中国铁道出版社，1999。(end)

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