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种电机支撑梁橡胶垫的改进
王喜利李阳张春良
(中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司,412007,株洲∥第一作者,工程师)
摘要分析了广州地铁4号线、5号线地铁车辆电机支撑
目前使用的橡胶垫结构如图1所示。除了安装
梁橡胺垫在使用中出现的永久变形过大、橡胶破坏现象的原的螺纹孔尺寸不同外,老产品的上、下橡胶垫都采用
因,针对性地对上、下橡胶垫结枃和櫲胶自由面进行了优化
了如图1所示类似锥形弹簧的设计。
选用了蠕变性能更好的异戊橡胶。通过试验验证表明,新产
品能够满足要求的静态轴向刚度,且在永久变形和疲劳性能
方面均远优于老产品。
关键词电机支撑梁;櫲胶垫;永久变形;橡胶自由面;疲
劳寿命
中图分类号TYM303.6
Improvement of the Rubber Plate for Motor Support Beam
1橡胶垫老产品简图
Wang Xili, Li Yang, Zhang Chunliang
Abstract The reasons of high permanent set and rubber1.2产品安装特点
cracks of the motor support beam used for Guangzhou met
广州地铁4、5号线地铁车辆每个转向架安装2
ro Line4 and Line5 mounting plate are analyzed, while个电机支撑梁,每个支撑梁两端各安裝一组橡胶垫
the new product has improved the rubber free surface of
与轴箱相连。橡胶垫的安装方式如图2所示。每组
upper and lower plate, adopted the isoprene rubber with
橡胶墊包括上橡胶垫和下橡胶垫炳部分。电机支撑
better creep performance. According to the test results
this new product can meet the axial stiffness requirements
梁安装在上、下橡胶垫之间。上、下橡胶垫在安装时
and has better performance against the permanent set and
通过轴向预压缩预紧,通过橡胶材料的柔性降低车
fatigue life.
辆运行时电机的振动,改善电机的运行环境。根据
Key words motor support beam; rubber plate; permanent图2可以看出,上、下橡胶垫在不考虑电机质量引起
set; rubber free surface; fatigue life
的橡胶变形情况下,处于相同的压缩状态,具有相同
First-author's address CSR Zhuzhou New Times Materia
的轴向变形。但当安装电机后,由于电机质量影响
Technology Co, Ltd, 412007, Zhuzhou, China
下橡胶垫将受到进一步压缩,变形将加大;反之,上
橡胶垫将得到放松,变形将减小
现有广州地铁4、5号线地铁车辆电机支撑梁橡胶
垫(以下简称“橡胶垫”为国外某厂家提供。该产品在
单簧撑杆
锁环
实际使用过程中永久变形很大,且橡胶破损严重,无法
上橡胶垫一
满足正常运行要求。株洲时代新材料科技股份有限公
司(以下简称“时代新材”)应客户要求对其进行改进,
下橡胶垫
开发新产品,以替换现有产品并应用于广州6号线地
轴箱
铁车辆。本文对该产品的结构优化、橡胶材料选择、有
电机支撑梁
限元分析和试验验证进行了详细的叙述。
图2橡胶垫装配简图
1产品结构及安装特点
2使用中发现的问题
1.1产品结构特点
2.1永久变形过大
112
第2期
通过测量用于广州地铁4、5号线上使用6个月胶弹性元件,其蠕变性能要差于平面叠层橡胶弹簧,
时间的产品发现,产品自由高较新产品下降了近4因此需要采用蠕变性能更好的橡胶配方来降低其永
mm。而产品在安装时的名义预压缩量为4mm,考久变形。
虑到制造误差,部分产品的实际预压缩量可能小于
(3)橡胶自由面设计不合理,导致应力集中,加
4mm。一且产品高度下降达到4mm,上、下橡胶速产品破坏。由图1和图3可以看出,老产品采用
垫理论上都将没有预压缩而处于放松的状态。但在了橡胶与金属骨架最大外径儿乎相同的设计,且橡
实际应用中,由于电机质量的作用,下橡胶垫仍将处胶截面外形轮廓为直面结构,因此当橡胶变形鼓出
于压缩状态。即便如此,由于预压缩量的减小而使时,在金属骨架与橡胶粘接的最外缘处容易产生应
产品刚度产生较大变化,从而影响电机悬挂系统的力集中,加速产品破坏。
振动特性,对车辆运行的平稳性产生不良影响。
图4是利用有限元对老产品橡胶垫在最大动载
2.2橡胶破坏
荷50kN轴向载荷下的应力应变云图。分析表明,
图3是从5号线地铁车辆更换下来的橡胶垫产橡胶层在受力后产生了很大的变形,橡胶沿自由面
品照片。可以看出,产品周向橡胶损坏严重,出现了鼓出后,最大外径已远远超出金属骨架,对金属骨架
橡胶发粘、橡胶与金属骨架粘接破坏以及橡胶鼓出形成反包的形状;在橡胶与金属粘接的边缘,橡胶的
超出最大金属骨架外径的现象。
应力达到了44.1MPa,应变达到2.16。如此高的
应力和应变很容易使该处的橡胶开裂破损?。
图3橡胶垫破坏情况照片
图4老产品轴向承载有限元分析云图
原因分析
(1)上、下橡胶垫结构和刚度相同但受力不同,4解决方案
加大了组装后的整体水久变形。前文已经分析,下4.1结构设计
橡胶垫要比上橡胶垫多承受电机自身的重力,如果
(1)改变老产品内部锥面倾斜方向,充分利用
上、下橡胶垫的刚度相同那么如表1所示,下橡胶空间,増加胶层厚度,降低橡胶应变。新的设计如图
垫的变形就将会远大于上橡胶垫的变形。相对较大5所示,其内部结构倾斜方向与老产品相反,胶层厚
的橡胶应变将使下关节更容易疲劳破坏
度由14mm提高到24.5mm。由于胶层厚度的增
表1老产品上、下橡胶垫轴向变形对比
加,新设计将橡胶层数由老产品的2层增加为3层,
上橡胶垫
下橡胶垫
在使用合适硬度的胶料的前提下保持原有上、下橡
预压缩后
4.(0
胶垫组合后的轴向刚度,以满足技术要求
轴向变形/mm
轴向承载后
3.6
(2)橡胶材料选用不合理,导致水久变形加大。
根据对客户样品检测可知,其橡胶材料采用的是天
然橡胶。尽管天然橡胶具有较好的综合性能,但相
对一些特殊的橡胶,其蠕变性能没有优势。而该橡
胶垫内部结构是一种类似用于机车车辆一系悬挂用
锥形橡胶弹簧的锥面结构,是一种典型的剪切型橡
图5橡胶垫新产品简图
11.3