高速列车用橡胶减振器介绍(doc-12页)(正式版)

3.1高速列车用橡胶减振器随着高速铁路的快速发展，列车速度大幅度的提高，目前高速列车商业运营速度已从200km/h提高到350km/h左右，未来将达到400km/h以上。由于列车运行的高速化，运行中振动与噪音的不断增大，将导致车辆动态性能和乘坐舒适性严重的恶化，加大了车辆的结构疲劳，并降低车辆的操纵稳定性和运行安全可靠性等。为了解决大功率、高速运行带来关键性技术问题，高速列车使用了大量各种橡胶-金属复合制件用于牵引、驱动、连接、支承等部位，起到减振降噪功能，还起到柔性支承机车装置自身的重量，即保持装置在外力作用下相对位置，减少刚性连接与支撑带来的疲劳损坏等功能。3.1.1橡胶减振器的减振原机理橡胶是一种粘弹性材料。粘弹性材料具有独特的应力-应变特性，使它在受力时储存大量的能量，而在卸载时将其释放出来；由于时间效应，卸载时的应力-应变曲线与加载曲线不重合，因而产生能量滞后损失。这就使得橡胶材料即有高分子弹性大变形又具有较大的内阻尼特性，在发挥良好弹性作用的同时，又是很好的阻尼材料，这是橡胶金属复合部件用于隔离振动和吸收冲击能量的原理。橡胶的减振原理的力学模型可简化为单自由度线性阻尼-弹簧质量系统[1]，如图所示。图线性单自由度体系模型[1]如果系统质量为m、刚度为Kd、系统阻尼系数为C；则橡胶减振器构成的线性单自由度体系，当系统受Ze=Z0ejwt的简谐支撑激振时，其运动方程可表示为：()()0deemzkzzczz(3-1)以euzz代入上式可得：20()jtjtmucukumzeFe(3-2)()F为随激振频率的平方而变化的基振力幅值。求解方程式(3-2)可以得到系统的相对位移振幅：2022222(/)()()()[1(/)][2(/)]nnnzFukmc(3-3)同理可以得到系统减振传递率T为：22221[2(/)][1(/)][2(/)]nnnT(3-4)式中为外界激振力频率，n为系统固有频率，为系统的阻尼比/ccc；系统的固有频率为：nkmrad/s，12knmfHz；系统临界阻尼：2cCkm。以为参数，振动传递率T与频率比/nff的关系如图所示。0.10.5125100.010.111020.50.20.0500.1ξ=0振动传递率T频率比f/fn图振动传递率与振动频率比的关系从图中可以看出，仅当/2nff时，系统的减振传递率小于1，即系统进入减振区；当/1nff时，系统处于共振状态。在工程设计中，一般要求频率比设在2.5～5之间。在减振区域，随着阻尼比的减小，系统的减振效果越来越好；但阻尼比越小，系统共振时的共振放大率越大，这对危害车辆操纵稳定性，甚至由于共振变形过大导致车体结构灾难性破坏。因此，理想的减振器应该是使系统的固有频率低，并具有可变的阻尼特性，即在系统的共振区有较大的阻尼，使系统不会产生显著的共振放大，而在减振区有较小的阻尼，使系统有良好的减振效果，提高系统的抗冲击能力和操作稳定性。3.1.2橡胶-金属复合减振器在高速机车应用的特性高速列车在运行过程中会受到来自轮轨间强烈的瞬时冲击载荷，不仅会引起列车车辆的疲劳破坏，也会导致高速列车产生的强烈的共振。为衰减这些运行中产生的冲击和振动，满足车辆各种动力学性能，例如平稳性指标、脱轨系数、轮重减载率、轮轨冲角等，在车轮对和车体构架间、转向架和车体之间以及其他各种关节间装有橡胶减振器。相对于采用金属弹簧，橡胶减振器具有如下优点[2]：（1）橡胶减振器的弹性范围大：橡胶弹性模量要比金属小得多，其剪切弹性模量为0.5～3MPa(钢约为80GPa)，橡胶伸长率可以达到500%以上。（2）橡胶减振器的非线性刚度特性：非线性刚度特性是橡胶减振器的一个显著特点。图表示一般橡胶减振器的刚度曲线，小变形情况下变形和载荷基本呈直线，有稳定的刚度。随着载荷的增加静刚度急剧上升，位移增加很少，这种特性很符合车辆的动力学要求。在列车车辆正常运行时，冲击载荷相对较小。相应产生恒定刚度实现平稳行驶；当列车车辆突遇意外情况，产生强大冲击载荷时，橡胶减振器能迅速产生大的阻抗力，可防止因位移过大造成列车严重倾斜造成事故。0123456701020304050载荷，kN变形位移，mm图一般橡胶减振器静刚度曲线（3）橡胶减振器的多向刚度特性：车辆乘坐舒适性和高速运行，需要减弱或降低来自垂向、横向和纵向三个方向的不同冲击，这就需要满足其垂向、横向和纵向三个方向的动力学性能要求，橡胶减振器须具有多向刚度特性。一般情况下车辆纵向的冲击较大，在通过弯道的时候会产生一定的横向冲击，而垂向的冲击加速度相对较小，因此要求车辆用橡胶减振器的纵向刚度需要大于横向刚度，而垂向刚度设置最小。对此，一般金属零件很难满足，而橡胶减振器可以通过结构设计、材料性能和生产工艺的调整等方面，比较容易实现这个目的。例如，图所示的弹性节点在横向对称去掉一些橡胶材料就可以较容易的实现对称结构下纵向刚度和横向刚度的完全不等。图动车转向架用弹性节点的结构示意图0510152025303501020304050径向载荷，kN变形位移，mm纵向图弹性节点纵径向刚度曲线（4）橡胶减振器的阻尼和动静刚度不一致特性：橡胶减振器具有适当的阻尼，有利于越过共振区，衰减和吸收高频振动与噪声。橡胶材料的阻尼作用直接与其动态力学松弛性质相关，依赖于其应变滞后应力现象。滞后现象使得橡胶的拉伸一回缩循环变化均需克服链段间的内摩擦阻力而产生内耗；同时橡胶在很窄的玻璃态转变区域内，其模量可以大幅度变化，产生足够高的损耗因子。另外橡胶减振器动刚度和静刚度的不同，有利于缓和冲击；在低频段时，橡胶减振器可以看成是一个由刚度和阻尼组成的集中参数元件，主要由橡胶减振；而在高频段时，橡胶减振器中金属件的刚度将起主要作用。（5）橡胶可与金属牢固粘合，可以获得结构紧凑的减振装置。（6）由于橡胶材料耐热、耐寒、耐油、耐候等方面比金属弹簧差，因此需注意橡胶减振器使用的环境条件，同时应充分注意橡胶材质的选择。3.1.3橡胶减振器使用材料橡胶材料的选择，应根据橡胶减振器的工作条件和使用场所的不同，合理采用不同种类的橡胶，有效地发挥各种橡胶的特性，满足减振器各种功能需要。当前橡胶减振器常用的橡胶材料如下[3]：（1）天然橡胶：人类最早发现的弹性体，具有优异力学性能、易粘接性、疲劳强度以及加工性能等良好，具有低或中等的阻尼，可用于制造性能优良的减振器。天然橡胶的对应变的变化并不敏感，但天然橡胶的局限性在于其应用温度范围较窄，耐候性和耐油性较差，温度超过100℃和阳光照射会迅速龟裂。（2）氯丁橡胶：氯丁橡胶最初是作为天然橡胶的替代品使用的，与天然橡胶使用范围相同，具有较好的耐候性，主要用于长期暴露在室外的场合，其缺点是应变及温度变化很敏感。（3）丁基橡胶：丁基橡胶的减振性能比较突出。耐热老化性、耐候性优于天然橡胶，但它的低温性、粘接性较差，加工性能也不好。（4）丁苯橡胶：与天然橡胶相比较，丁苯橡胶耐磨性好，而机械强度较差，由于加工工艺性差，多与天然橡胶并用，多用于轨道垫及一些缓冲橡胶元件。（5）丁腈橡胶：丁腈橡胶具有优良的耐油性，但与天然橡胶相比较，力学性能略微差，但阻尼系数较大，耐热空气性能差，阳光直射照射迅速产生裂纹，通常用于制造接触油类介质场合的减振器。3.1.4橡胶减振器在列车车辆上的应用橡胶减振器在机车的应用主要有以下几个部位：（1）转向架用橡胶减振器安装在转向架轴箱或均衡梁和构架之间，也称一系悬挂橡胶减振器。其主要形式有橡胶关节、轴箱锥形橡胶弹簧、橡胶缓冲垫等。橡胶关节由于结构紧凑，制造方便，易于装配，且强度高，噪声低、本身有轴承和密封作用，不需润滑，可降低动载荷，用于转向架各部件的连接，传递载荷，起到弹性节点的作用。橡胶节点可设计性好，形式多样，可以使用工况选择合适形式的橡胶节点。各种形式橡胶关节结构图如下所示：直筒式橡胶关节凹型橡胶节点凸球形橡胶关节组合式橡胶关节图转向架用各种类型橡胶关节的结构示意图轴箱锥形橡胶弹簧、橡胶垫主要用于弹性支撑大吨位部件，同时有效地隔离轨道振动传递到车体。这类产品垂向承载，要求其垂向的静刚度值大。为了提高橡胶减振器垂向静刚度，主要从两个方式实现：一种通过多层设计改变橡胶减振器的形状系数，增加橡胶约束面积，使橡胶自由变形困难，从而提高其刚度特性，如轴箱锥形橡胶弹簧；第二种是改变受力方式，橡胶近似为不可压缩性材料，其抗压能力强，采用垂向压缩型的结构可提高垂向的刚度值，如橡胶垫。锥形橡胶弹簧和橡胶垫的结构图如下：图：轴箱橡胶锥形弹簧结构示意图图：橡胶垫结构示意图（2）车体与转向架用橡胶减振器连接车体与转向架弹性连接元件，也称为二系悬挂橡胶减振器，弹性地承担车体的垂向载荷，并给车辆各轴以一定的重量分配，以使所分配的重量在车轮行经不平线路时不发生显著变化；同时缓解车垂向的有害振动，改善车辆的抗蛇行稳定性。它的形式有各种各样。根据连接部件的重量不同，橡胶减振器的结构也不同。一般连接重量较轻的部件采用柱型橡胶减振器，重量大的部件采用压缩型的橡胶减振器如矩形橡胶堆、V型橡胶减振器等。常用的二系悬挂橡胶减振器如图所示。图：柱形橡胶减振器示意图图：动车组用V型橡胶减振器示意图V型橡胶减振器的竖向方向的静刚度不仅与橡胶材料力学性质有关，同时还与减振器的结构参数、橡胶层的自由面的形状的有关。橡胶材料的弹性模量影响减振器的静刚度，在橡胶工业中，常常用橡胶的硬度来表示橡胶的弹性模量。研究表明[4]：V型橡胶减振器内外骨架为金属，弹性模量远大于橡胶的弹性模量，因此V型橡胶减振器的静刚度主要取决于橡胶材料的模量，而且该结构减振器的静刚度随着橡胶硬度的增大而增大，近似呈线性关系。V型橡胶减振器的静刚度与结构参数中倾斜角度、橡胶层厚度以及形状系数有关。调整倾斜角度、橡胶厚度可以改变V型减振器的静刚度，并可以通过有限元分析技术得到倾斜角度、橡胶厚度和静刚度的关系式。橡胶层自由面形状不仅影响V型减振器的静刚度特性，并影响橡胶层应力分布。合适的橡胶自由面形状可以使减振器刚度满足要求的同时，优化橡胶层的应力分布，提高减振器的使用寿命。（3）缓冲用橡胶减振器车辆在行驶中，特别在载重情况下和路况较差时行驶，可能在垂直方向、行驶方向或横向方向受到冲击，为了避免车体与车架发生冲击，采用橡胶缓冲制品起到缓冲、吸振作用，如向橡胶横向缓冲器、车钩缓冲橡胶件等。缓冲器具有吸收车轮对车体的冲击力的作用，因此要求橡胶具有耐冲击特性和负荷－挠度特性。由于冲击变形速度快，会显示振动时的高频率区域变化相同的状态，因此不适合使用耐寒性差的材料以及受温度影响大的材料。作为材料来讲，除NR类橡胶材料外，也可用发泡聚氨酯类材料。图：橡胶横向缓冲器结构示意图3.1.5参考文献[1]朱石坚，楼京俊，何其伟，翁雪涛等编著．振动理论与隔振技术[M]．北京：国防出版社，2006[2]晏红文，田红旗，黄友剑，陈灿辉，杨军．有限元法在机车车辆橡胶元件设计的应用[J]．机车电传动，2007（6）：29~30[3]龚积球，龚震震，赵熙雍．橡胶件的工程设计及应用[M]．上海：上海交通大学出版社，2003[4]周易文．有限元法在V型减振器静动力学性能的应用研究[研究生论文]．北京：北京航空材料研究院