一种防止机车斜形橡胶堆撕裂的方法及机车橡胶堆与流程

2021-02-04 15:02:42|

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本发明涉及到一种轨道车辆部件的抗剪切力的方法及其结构，尤其是指一种防止机车斜形橡胶堆撕裂的方法及机车橡胶堆，该种防止机车斜形橡胶堆撕裂的方法及机车橡胶堆可有效提高机车橡胶堆的抗剪切性能；属于轨道车辆部件制作技术领域。

背景技术：

现在金属与橡胶结合所形成的金属机车橡胶堆已经广泛应用于铁路车辆的各种减振系统中，其中包括一系或二系悬挂系统，是车辆转向架上核心减振部件，通过空车和重车状态下的垂向位移，为车辆提供合适的回转力矩，保证车辆的横向稳定性和过曲线性能。其核心性能包括垂向刚度、横向刚度、疲劳性能和蠕变性能。

现有的用于车辆的金属机车橡胶堆，多为橡胶加金属隔板复合的结构件，且橡胶与金属是采用整体硫化形成的机车橡胶堆，机车橡胶堆作为机车车辆二系悬挂的弹性元件，已在国内外铁路上得到了广泛的应用，而且很多都是采用斜形布置的机车橡胶堆。但是现在的机车橡胶堆在实际应用中发现，很多斜形布置的机车橡胶堆，如锥形机车橡胶堆、空气弹簧机车橡胶堆等，经常出现端口部分橡胶开裂的情况。经过现场分析，发现之所以出现橡胶开裂的情况是因为机车橡胶堆是安装在一个具有剪切力作用的斜面布置的工况场所，因此当剪切力过大时，很容易在金属与橡胶的结合面出现撕裂的现象，由于之前的研究主要集中在橡胶型面的设计，没有从应力的集中角度去考虑橡胶金属结合面的剪切力作用的影响，所以只是简单设置为内凹性弧面橡胶型面，或在橡胶中间增加中间隔板，这样导致机车橡胶堆在运行过程中，橡胶型面在反复形变的剪切力作用下很容易出现撕裂现象，进而影响机车橡胶堆的整体性能，因此很有必要对此加以改进。

通过专利检索没发现有与本发明相同技术的专利文献报道，与本发明有一定关系的专利主要有以下几个：

1、专利号为cn201120185222.7，名称为“一种重载铁路货车车用橡胶弹性旁承”，申请人为：株洲时代新材料科技股份有限公司的实用新型专利，该专利公开了一种重载铁路货车用橡胶弹性旁承，包括旁承硫化体、支撑板和磨耗板，其中，所述旁承硫化体包括顶座、橡胶件、隔板和旁承底座，所述顶座为v型结构，在顶座外侧硫化固定一层橡胶件，在橡胶件与顶座接触面平行的另一面硫化固定有隔板，再在隔板的另一面硫化固定另一个橡胶体，橡胶体与隔板进行如上交替叠层硫化固定，橡胶体与隔板形成一个多层v型三明治机车橡胶堆结构的整体；所述的v型三明治机车橡胶堆结构的整体的最后一层为橡胶体，该层橡胶体与底座硫化固定为一体，所述的支撑板固定在顶座上方，所述磨耗板嵌装于支撑板上部。

2、专利号为cn200910043954.x，名称为“一种轨道车辆转向架轴箱弹簧减振方法及轴箱弹簧”，申请人为：株洲时代新材料科技股份有限公司的发明专利，该专利公开了轨道车辆转向架用的货车轴箱弹簧减振方法及轴箱弹簧，采用两级减振方式；轴箱弹簧为一个主簧和一个辅助簧组合形成的复合轴箱弹簧；主簧仍采用现在的金属橡胶复合圆锥形簧；在主簧上面配套设有一个剪切型受力的锥台机车橡胶堆辅助簧。剪切型受力的锥台机车橡胶堆辅助簧位于主簧之上，在主簧压缩与之接触时通过承受剪切力予以减振。包括一个主簧，主簧为金属橡胶复合圆锥形簧，在主簧之上串接有一个剪切型锥台机车橡胶堆辅助簧，由主簧和一个剪切型锥台机车橡胶堆辅助簧组合形成的复合轴箱弹簧。

3、专利号为cn201620753729.0，名称为“二系弹性悬挂装置”，申请人为：南车眉山车辆有限公司的实用新型专利，该专利公开了一种二系弹性悬挂装置，包括机车橡胶堆，其特征在于所述的机车橡胶堆上串联锥形橡胶弹簧，所述的机车橡胶堆水平设置，所述的锥形橡胶弹簧垂直设置于机车橡胶堆的顶部。该专利通过机车橡胶堆与锥形橡胶弹簧的串联，获得较小的垂向刚度、纵向刚度和横向刚度，从而可提供较大的垂直及横向位移，满足低地板车辆实际运行需求；调整锥形橡胶弹簧的垂向刚度即调整本实用新型的垂向刚度，调整机车橡胶堆的纵向和横向刚度即调整本实用新型的纵向和横向刚度，使垂向、横向和纵向刚度易匹配。

通过对上述这些专利的仔细分析，这些专利虽然都涉及了对锥形或斜形布置的机车橡胶堆或橡胶簧及其结构，也提出了一些改进技术方案，但通过仔细分析，该些专利都只是机车橡胶堆的主体结构的一些变化，并没有涉及到橡胶结合型面的改善，因此在实际应用过程中仍会出现前面所述的问题，所以仍有待进一步加以研究改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有机车橡胶堆在运行过程中，橡胶与金属接触型面在反复形变受剪切后很容易出现橡胶型面撕裂的现象，提出一种新的机车橡胶堆的橡胶型面调整方法及机车橡胶堆，该种机车橡胶堆的橡胶型面调整方法及机车橡胶堆能在发生剪切压缩变形时，橡胶金属接触面能有效分散和减小剪切应力，避免在橡胶接触型面撕裂。

为了达到这一目的，本发明提供了一种防止机车斜形橡胶堆撕裂的方法，根据机车橡胶堆斜形布置的状况，在机车橡胶堆金属件与橡胶体接触的型面上设置与橡胶体受力方向相交的外凸筋条，通过改变金属件与橡胶体接触的面积和接触形态，来改变金属件与橡胶体接触型面的应力状况，提高机车橡胶堆抗撕裂能力。

进一步地，所述在机车橡胶堆金属件与橡胶体接触的型面上设置与橡胶体受力方向相交的外凸筋条是在机车橡胶堆金属件与橡胶体结合的斜形布置金属型面上，设置与机车橡胶堆受力方向交叉的外凸状的外凸筋条，外凸筋条在金属型面上按照整体长度方向与机车橡胶堆受力方向成交叉角度相交布置；即外凸筋条的轴线与橡胶堆受力方向相互交叉布置。

进一步地，所述的通过外凸筋条改变金属件与橡胶体的接触面积和接触形态是通过改变外凸筋条的截面形状来增加金属件与橡胶体的接触面积，以降低橡胶与金属结合面的表面应力；并通过改变外凸筋条的表面形状来调整金属件与橡胶体接触面以及橡胶体内的应力分布情况，改善金属件与橡胶体接触面以及橡胶体内的应力分布不合理的现象。

进一步地，所述的改变外凸筋条的截面形状来增加金属件与橡胶体的接触面积是在斜形金属件的表面上，通过外凸筋条的凸起使得剪切力方向的橡胶与金属件的接触表面积增加，以此增加金属件与橡胶体在剪切力方向的接触面积，进一步改善接合面的应力状况。

进一步地，所述的通过改变外凸筋条的表面形状来调整金属件与橡胶体接触面以及橡胶体内的应力分布情况是通过改变斜形金属件的表面上外凸筋条凸起的表面形状，使得橡胶体在受到作用力时，斜形金属件表面上的外凸筋条能够依据改变凸起的表面形状，使得橡胶件能从各个方向得到反作用力，从而改善橡胶体内部的受力状况，进一步提高斜形机车橡胶堆抗剪切能力。

进一步地，所述的改变斜形金属件的表面上外凸筋条凸起的表面形状是根据斜形布置机车橡胶堆倾斜的角度设置不同弧线形突出形面的外凸型突条，使得所设外凸型突条在剪切力的作用下能有效从各个方向改变橡胶体内的应力分布状况，避免在橡胶体与金属型面结合的端口部形成局部的拉扯应力，从而防止橡胶体与金属型面结合的端口部出现撕裂的现象。

进一步地，所述的设置不同弧线形突出形面的外凸型突条是设定斜形布置机车橡胶堆倾斜的角度为α，则外凸型突条的突出高度为h，外凸型突条的突出高度h随机车橡胶堆倾斜的角度α增加而增加，但保证其最高高度h=λ.α≤1/3的橡胶层厚度h；λ=0.3-0.4mm；且外凸型突条与橡胶接触部分的截面形状为多段弧线形状组合，且保证所形成的弧线曲线是连续下降的弧线段，即连续下滑弧线段；通过多段连续下滑的弧形曲线，使得橡胶体内的应力分布更加均匀，呈现发散形分布，避免内部应力集聚；同时使得橡胶体与金属型面结合的端口部的拉扯力减少，避免橡胶体与金属型面结合的端口撕裂。

一种机车橡胶堆，机车橡胶堆为斜形布置金属机车橡胶堆，至少包括上金属板，下金属板和橡胶体，橡胶体与上金属板和下金属板整体硫化在一起，且上金属板，下金属板和橡胶体成斜形布置，整体形成斜形结构的金属机车橡胶堆；在上金属板和/或下金属板与橡胶体结合的斜形结合面上，至少有一个斜形接触面的金属面板上设置有与机车橡胶堆剪切受力方向相交的横向外凸筋条。

进一步地，所述的外凸筋条为从上至下一条或多条间隔布置的外凸型横向突条；且在多条外凸筋条时，每两条外凸筋条之间的间距t根据机车橡胶堆上金属板或下金属板倾斜的角度确定，机车橡胶堆上金属板或下金属板相对于水平面倾斜的角度越大两条外凸筋条之间的间距t越大，总体控制在50-80mm范围内。

进一步地，所述的外凸筋条是镶嵌，或焊接，或整体成型在金属件的斜形表面上或与金属件的斜形表面融为一体的外凸型突条；外凸型突条的长度方向与机车橡胶堆剪切受力方向成一定角度相交，即外凸筋条的布置必须是与机车橡胶堆剪切受力方向相交的。

进一步地，所述的外凸筋条为与斜向机车橡胶堆压力方向垂直交叉横向布置的直线形或波浪形外凸筋条，外凸筋条采取焊接、或镶嵌、或整体成型制作在斜向受力的金属件与橡胶结合的金属件表面上，形成剪切力侧面的阻尼作用，提高接触面抗侧面冲击的能力。

进一步地，所述的外凸筋条的布置根据机车橡胶堆斜形布置的角度所确定；设定斜形布置机车橡胶堆倾斜的角度为α，则外凸型突条的突出高度为h，外凸型突条的突出高度h随机车橡胶堆倾斜的角度α增加而增加，但保证其最高高度h=λ.α≤1/3的橡胶层厚度h；λ=0.3-0.4mm；且外凸型突条与橡胶接触部分的截面形状为多段弧线形状组合，且保证所形成的弧线曲线是连续下降的弧线段，即连续下滑弧线段，减少剪切方向的分力，并避免出现应力集中点的出现。

本发明的优点在于：

本发明通过调整机车橡胶堆橡胶与金属接触型面的条件，在金属件上设置增加金属与橡胶接触的表面积的金属件，通过金属件增加金属与橡胶的接触面积，并通过改变金属件的形状来改变受力状态的剪切力分布情况，有效提高橡胶型面的抗剪切疲劳性能；在发生剪切压缩变形时，机车橡胶堆橡胶与金属接触型面的受力面积得到增加，减小接触型面的应力，提高抗疲劳性能，防止接触型面被撕裂。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图；

图2是一个实施例的橡胶型面的局部结构放大示意图；

图3是图2的外凸型突条横向布置示意图；

图4是外凸型突条的结构形状和各参数示意图；

图5是另一个实施例的结构示意图；

图6是图5的橡胶堆结构示意图；

图7是另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例来进一步阐述本发明。

实施例一

通过附图1可以看出，本发明涉及一种车辆一系悬挂锥形橡胶弹簧，锥形橡胶弹簧为斜形布置在旁承底座4上的金属机车橡胶堆，包括金属芯轴2，下金属座3、中间隔板6和橡胶体1，橡胶体1与金属芯轴2，下金属座3、中间隔板6整体硫化在一起，形成橡胶金属复合结构；且在下金属座3与橡胶体1结合的金属面板上设置有与机车橡胶堆剪切受力方向相交的外凸筋条7；整个锥形橡胶弹簧由转向架压板5压缩起缓冲作用。

所述的外凸筋条7为从上至下3条间隔布置的外凸型突条，每两条外凸筋条7之间的间距t根据机车橡胶堆倾斜的角度α确定，机车橡胶堆倾斜的角度越大两条外凸筋条之间的间距t越大，总体控制在50-80mm范围内。之所以采取机车橡胶堆倾斜的角度越大两条外凸筋条之间的间距t越大，是因为随着机车橡胶堆倾斜的角度α的增大，橡胶的斜向剪切分力就会越来越大，为此通过增加外凸筋条7来增加下金属座3承受剪切压力的接触面积，减少剪切应力的集中；理论上增加外凸筋条越多越好，但由于下金属座3是斜面受力，如果将外凸筋条7设置过密，下面的外凸筋条就会藏在上一个外凸筋条的下面，如附图2所示；在机车橡胶堆受力时，下面的外凸筋条难以起到作用，因此有必要限定两条外凸筋条之间的间距t，并设置为机车橡胶堆倾斜的角度越大两条外凸筋条之间的间距t越大；所谓总体控制在50-80mm范围内就是保障上一个外凸筋条与下一个外凸筋条，在机车橡胶堆垂直受力时，上一个外凸筋条的内突出点与下一个外凸筋条的起始点不交集，即一个外凸筋条的内突出点与下一个外凸筋条的起始点的垂线之间有间隙距离x，如附图2所示；根据实际的机车斜形橡胶堆的倾斜角度一般的范围，间隙距离x取值在50-80mm范围内是比较合适的，既可以完全避开上下筋条重叠的现象，又可以最大地发挥突出筋条的作用。

所述的外凸筋条7是在下金属座3上定距离开有2个槽口8，在外凸筋条7的底部也设有与金属件槽口8相配的子口9；将外凸筋条7的子口9嵌入到下金属座3的槽口8内，再通过焊接固定在下金属座3的表面上的外凸型突条；外凸型突条的长度方向与机车橡胶堆剪切受力方向成垂直角度相交，即外凸筋条的布置必须是与机车橡胶堆剪切受力方向垂直相交的，如附图3所示。

所述的外凸筋条7为与斜向机车橡胶堆压力方向垂直横向布置的，截面为多段圆弧组合的，直形外凸筋条，外凸筋条采取焊接在斜向受力的金属件与橡胶结合的金属件表面上，形成剪切力侧面的阻尼作用，提高接触面抗侧面冲击的能力。

所述的外凸筋条7的布置根据机车橡胶堆斜形布置的角度所确定，设定斜形布置机车橡胶堆倾斜的角度为α，则外凸型突条的突出高度为h，外凸型突条的突出高度h随机车橡胶堆倾斜的角度α增加而增加，但保证其最高高度h=λ.α≤1/3的橡胶层厚度h；λ为高度系数，λ=0.3-0.4mm；且外凸型突条与橡胶接触部分的截面形状为三段弧线形状组合，且保证所形成的弧线曲线是连续下降的弧线段，即连续下滑弧线段，如附图4所示，通过连续下降的弧线段使得外凸型突条反作用力从各个方向反应到橡胶体内，改变橡胶体内的应力分布状况，避免出现应力集中点的出现，并减少剪切方向的分力。

从附图4可以看出，当机车橡胶堆受压时，压力f在金属件倾斜的斜面上将会分解成两个分力，一个是与金属件斜面成90度的对橡胶体的压缩力fx，另一个就是沿着金属件斜面的对橡胶产生剪切作用的剪切力fy；要减小斜向剪切作用的剪切力，可以从两方面入手，一就需要降低橡胶体对接触金属面的应力，这样通过增加与橡胶件的接触表面积，可以起到一定的作用；另一方面就是改变橡胶体对接触金属面接触时的金属面反作用力的方向，改变原来单一的反作用力方向，这样可以有效改变橡胶体内的应力分布状况，打乱原来单一的反作用状况，这样不仅可以分散橡胶体内的应力，还可以降低剪切分力；通过试验研究和应力云图测试，本发明人发现通过改变外凸筋条的表面形状可以实现这个目的，而且采用连续下滑的三段弧线组合，即三段曲线中，第一段曲线10和第二段曲线11，以及第三段曲线12通过b点和c点连接形成一个多段曲线，而且从曲线的右边往左边（即从金属面往橡胶层内）是连续降低的，形成一个弧形的外凸筋条，能有效改善橡胶压缩时的应力分布，减少剪切力对橡胶与金属结合部的剪切作用，防止橡胶开裂；如果是连续下滑的曲线构成的可以避免反作用力之间的交叉，防止导致应力向一个方向的聚集。这一点已经通过试验得到了很好的证明。

实施例二

实施例二的原理与实施例一是一样的，只是结构和用途与实施例一有所不同，为一种铁路货车二系弹性悬挂用的机车橡胶堆，如附图5所示；为斜形机车橡胶堆为斜形布置在旁承底座206上的机车金属橡胶堆202，在减振弹簧201的下面设置有机车金属橡胶堆202，所述的机车金属橡胶堆202包括上金属板203，下金属板208、中间隔板209和橡胶体207，橡胶体207与上金属板203，下金属板208和中间隔板209整体硫化在一起，形成橡胶金属复合结构；且在下金属板208与橡胶体207结合的斜形金属面板204上设置有与机车橡胶堆剪切受力方向相交的外凸筋条205。

所述的外凸筋条205为从上至下两条间隔布置的外凸型突条，两条外凸筋条205之间的间距t根据机车橡胶堆倾斜的角度确定，机车橡胶堆倾斜的角度越大两条外凸筋条之间的间距t越大，总体控制在60mm范围内。

所述的外凸筋条205是焊接在斜形金属面板204的表面上或与斜形金属面板204的表面融为一体的外凸型突条；外凸筋条205的长度方向与机车橡胶堆剪切受力方向成一定角度相交，即外凸筋条205的布置必须是与机车橡胶堆剪切受力方向相交的。

所述的外凸筋条205为与斜向机车橡胶堆压力方向垂直交叉横向布置的直线形或波浪形外凸筋条，外凸筋条205采取焊接、或镶嵌、或整体成型制作在斜向受力的斜形金属面板204与橡胶体207结合的斜形金属面板204表面上，形成剪切力侧面的阻尼作用，提高接触面抗侧面冲击的能力。

所述的外凸筋条205的布置根据机车橡胶堆斜形布置的角度所确定，设定斜形布置机车橡胶堆倾斜的角度为40度，则外凸筋条205的突出高度为h=λ.α=0.3×40=12mm≤1/3的橡胶层厚度；且外凸筋条205与橡胶接触部分的截面形状为多段弧线形状组合，且保证所形成的弧线曲线是连续下降的弧线段，即连续下滑弧线段，减少剪切方向的分力，并避免出现应力集中点的出现。

实施例三

实施例三的原理与实施例一是一样的，只是结构和用途与实施例一有所不同，为一种机车车辆弹性吊杆机车橡胶堆301，机车橡胶堆301为斜形布置金属机车橡胶堆，包括上金属板302，下金属板305、中间隔板304和橡胶体308，橡胶体308与上金属302板，下金属板305和中间隔板304整体硫化在一起，形成橡胶金属复合结构；且在下金属板305与橡胶体308结合的金属面板上设置有与机车橡胶堆剪切受力方向相交的外凸筋条307。

所述的外凸筋条307为从上至下两条间隔布置的外凸型突条，两条外凸筋条之间的间距t根据机车橡胶堆倾斜的角度确定，机车橡胶堆倾斜的角度越大两条外凸筋条之间的间距t越大，总体控制在55mm范围内。

所述的外凸筋条307是通过凹槽306镶嵌在下金属板305的表面上，再通过焊接固定在下金属板305的表面；外凸型突条的长度方向与机车橡胶堆剪切受力方向成一定角度相交，即外凸筋条的布置必须是与机车橡胶堆剪切受力方向相交的。

所述的外凸筋条307为与斜向机车橡胶堆压力方向垂直交叉横向布置的直线形或波浪形外凸筋条，外凸筋条采取镶嵌与焊接制作在斜向受力的下金属板305与橡胶体308结合的金属表面上，形成剪切力侧面的阻尼作用，提高接触面抗侧面冲击的能力。

所述的外凸筋条307的布置根据机车橡胶堆斜形布置的角度所确定，设定斜形布置机车橡胶堆倾斜的角度α为30度，则外凸型突条的突出高度h为7。且外凸型突条的突出高度h随机车橡胶堆倾斜的角度α增加而增加，但保证其最高高度h=λ.α≤1/3的橡胶层厚度h；λ=0.3-0.4mm；且外凸型突条与橡胶接触部分的截面形状为多段弧线形状组合，且保证所形成的弧线曲线是连续下降的弧线段，即连续下滑弧线段，减少剪切方向的分力，并避免出现应力集中点的出现。

上述所列实施例，只是结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，而且本说明书中所引用的如“上”、“下”、“前”、“后”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。同时，说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

通过上述实施例的描述，可以得知，本发明还涉及一种防止机车斜形橡胶堆撕裂的方法，根据机车橡胶堆斜形布置的状况，在机车橡胶堆金属件与橡胶体接触的型面上设置与橡胶体受力方向相交的外凸筋条，通过改变金属件与橡胶体接触的面积和接触形态，来改变金属件与橡胶体接触型面的应力状况，提高机车橡胶堆抗撕裂能力。

本发明的优点在于：

1、采用外突形突条，可以有效增加橡胶件与斜形金属表面的接触面积，从而降低橡胶件与金属表面的接触应力；

2、通过采取弧形的突条，可以形成多反射面，改变斜形金属块对橡胶体反作用应力的方向，避免单一的反作用力方向，改善橡胶体内的应力分布状况，在有限元计算云图对比分析中可以清楚看出应力分布情况得到明显改善；

3、通过调整机车橡胶堆橡胶内的突条的型面的形状，使得机车橡胶堆橡胶的端口位置的剪切应力大大下降，从而避免出现撕裂和疲劳裂纹；

4、通过采用三段连续下降的圆弧线段的突条面形态，使得在机车橡胶堆发生剪切压缩变形时，橡胶型面能向内有规则的变形，始终形成内凹的型面，避免形成不规则的褶皱，从而提高橡胶弹性体的抗疲劳性能。

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