鐵路橡膠減振器

1、3.1 高速列車用橡膠減振器 隨著高速鐵路的快速發(fā)展，列車速度大幅度的提高，目前高速列車商業(yè)運(yùn)營速度已從200 km/h提高到350km/h左右，未來將達(dá)到400 km/h以上。由于列車運(yùn)行的高速化，運(yùn)行中振動(dòng)與噪音的不斷增大，將導(dǎo)致車輛動(dòng)態(tài)性能和乘坐舒適性嚴(yán)重的惡化，加大了車輛的結(jié)構(gòu)疲勞，并降低車輛的操縱穩(wěn)定性和運(yùn)行安全可靠性等。為了解決大功率、高速運(yùn)行帶來關(guān)鍵性技術(shù)問題，高速列車使用了大量各種橡膠-金屬復(fù)合制件用于牽引、驅(qū)動(dòng)、連接、支承等部位，起到減振降噪功能，還起到柔性支承機(jī)車裝置自身的重量，即保持裝置在外力作用下相對位置，減少剛性連接與支撐帶來的疲勞損壞等功能。3.1.1 橡膠減振器的

2、減振原機(jī)理 橡膠是一種粘彈性材料。粘彈性材料具有獨(dú)特的應(yīng)力-應(yīng)變特性，使它在受力時(shí)儲(chǔ)存大量的能量，而在卸載時(shí)將其釋放出來；由于時(shí)間效應(yīng)，卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與加載曲線不重合，因而產(chǎn)生能量滯后損失。這就使得橡膠材料即有高分子彈性大變形又具有較大的內(nèi)阻尼特性，在發(fā)揮良好彈性作用的同時(shí)，又是很好的阻尼材料，這是橡膠金屬復(fù)合部件用于隔離振動(dòng)和吸收沖擊能量的原理。 橡膠的減振原理的力學(xué)模型可簡化為單自由度線性阻尼-彈簧質(zhì)量系統(tǒng)1，如圖 所示。圖 線性單自由度體系模型1如果系統(tǒng)質(zhì)量為m、剛度為Kd、系統(tǒng)阻尼系數(shù)為C；則橡膠減振器構(gòu)成的線性單自由度體系，當(dāng)系統(tǒng)受Ze=Z0ejwt的簡諧支撐激振時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方

3、程可表示為： (3-1)以代入上式可得： (3-2)為隨激振頻率的平方而變化的基振力幅值。求解方程式(3-2)可以得到系統(tǒng)的相對位移振幅： (3-3)同理可以得到系統(tǒng)減振傳遞率T為： (3-4)式中為外界激振力頻率，為系統(tǒng)固有頻率，為系統(tǒng)的阻尼比 ；系統(tǒng)的固有頻率為：rad/s，Hz；系統(tǒng)臨界阻尼：。以為參數(shù)，振動(dòng)傳遞率T與頻率比的關(guān)系如圖 所示。圖 振動(dòng)傳遞率與振動(dòng)頻率比的關(guān)系從圖中可以看出，僅當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)的減振傳遞率小于1，即系統(tǒng)進(jìn)入減振區(qū)；當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。在工程設(shè)計(jì)中，一般要求頻率比設(shè)在2.55之間。在減振區(qū)域，隨著阻尼比的減小，系統(tǒng)的減振效果越來越好；但阻尼比越小，系統(tǒng)共振時(shí)的共

4、振放大率越大，這對危害車輛操縱穩(wěn)定性，甚至由于共振變形過大導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)災(zāi)難性破壞。因此，理想的減振器應(yīng)該是使系統(tǒng)的固有頻率低，并具有可變的阻尼特性，即在系統(tǒng)的共振區(qū)有較大的阻尼，使系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生顯著的共振放大，而在減振區(qū)有較小的阻尼，使系統(tǒng)有良好的減振效果，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力和操作穩(wěn)定性。3.1.2 橡膠-金屬復(fù)合減振器在高速機(jī)車應(yīng)用的特性高速列車在運(yùn)行過程中會(huì)受到來自輪軌間強(qiáng)烈的瞬時(shí)沖擊載荷，不僅會(huì)引起列車車輛的疲勞破壞，也會(huì)導(dǎo)致高速列車產(chǎn)生的強(qiáng)烈的共振。為衰減這些運(yùn)行中產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，滿足車輛各種動(dòng)力學(xué)性能，例如平穩(wěn)性指標(biāo)、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌沖角等，在車輪對和車體構(gòu)架間、轉(zhuǎn)向架和

5、車體之間以及其他各種關(guān)節(jié)間裝有橡膠減振器。相對于采用金屬彈簧，橡膠減振器具有如下優(yōu)點(diǎn)2：（1）橡膠減振器的彈性范圍大：橡膠彈性模量要比金屬小得多，其剪切彈性模量為0.53MPa(鋼約為80GPa) ，橡膠伸長率可以達(dá)到500%以上。（2）橡膠減振器的非線性剛度特性：非線性剛度特性是橡膠減振器的一個(gè)顯著特點(diǎn)。圖 表示一般橡膠減振器的剛度曲線，小變形情況下變形和載荷基本呈直線，有穩(wěn)定的剛度。隨著載荷的增加靜剛度急劇上升，位移增加很少，這種特性很符合車輛的動(dòng)力學(xué)要求。在列車車輛正常運(yùn)行時(shí)，沖擊載荷相對較小。相應(yīng)產(chǎn)生恒定剛度實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行駛；當(dāng)列車車輛突遇意外情況，產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊載荷時(shí)，橡膠減振器能迅速產(chǎn)生

6、大的阻抗力，可防止因位移過大造成列車嚴(yán)重傾斜造成事故。圖 一般橡膠減振器靜剛度曲線 （3）橡膠減振器的多向剛度特性：車輛乘坐舒適性和高速運(yùn)行，需要減弱或降低來自垂向、橫向和縱向三個(gè)方向的不同沖擊，這就需要滿足其垂向、橫向和縱向三個(gè)方向的動(dòng)力學(xué)性能要求，橡膠減振器須具有多向剛度特性。一般情況下車輛縱向的沖擊較大，在通過彎道的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一定的橫向沖擊，而垂向的沖擊加速度相對較小，因此要求車輛用橡膠減振器的縱向剛度需要大于橫向剛度，而垂向剛度設(shè)置最小。對此，一般金屬零件很難滿足，而橡膠減振器可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能和生產(chǎn)工藝的調(diào)整等方面，比較容易實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。例如，圖 所示的彈性節(jié)點(diǎn)在橫向?qū)ΨQ去掉

7、一些橡膠材料就可以較容易的實(shí)現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)下縱向剛度和橫向剛度的完全不等。圖 動(dòng)車轉(zhuǎn)向架用彈性節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖圖 彈性節(jié)點(diǎn)縱徑向剛度曲線（4）橡膠減振器的阻尼和動(dòng)靜剛度不一致特性：橡膠減振器具有適當(dāng)?shù)淖枘?，有利于越過共振區(qū)，衰減和吸收高頻振動(dòng)與噪聲。橡膠材料的阻尼作用直接與其動(dòng)態(tài)力學(xué)松弛性質(zhì)相關(guān)，依賴于其應(yīng)變滯后應(yīng)力現(xiàn)象。滯后現(xiàn)象使得橡膠的拉伸一回縮循環(huán)變化均需克服鏈段間的內(nèi)摩擦阻力而產(chǎn)生內(nèi)耗；同時(shí)橡膠在很窄的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，其模量可以大幅度變化，產(chǎn)生足夠高的損耗因子。另外橡膠減振器動(dòng)剛度和靜剛度的不同，有利于緩和沖擊；在低頻段時(shí)，橡膠減振器可以看成是一個(gè)由剛度和阻尼組成的集中參數(shù)元件，主要由橡

8、膠減振；而在高頻段時(shí)，橡膠減振器中金屬件的剛度將起主要作用。（5）橡膠可與金屬牢固粘合，可以獲得結(jié)構(gòu)緊湊的減振裝置。（6）由于橡膠材料耐熱、耐寒、耐油、耐候等方面比金屬彈簧差，因此需注意橡膠減振器使用的環(huán)境條件，同時(shí)應(yīng)充分注意橡膠材質(zhì)的選擇。3.1.3 橡膠減振器使用材料橡膠材料的選擇，應(yīng)根據(jù)橡膠減振器的工作條件和使用場所的不同，合理采用不同種類的橡膠，有效地發(fā)揮各種橡膠的特性，滿足減振器各種功能需要。當(dāng)前橡膠減振器常用的橡膠材料如下3： （1）天然橡膠：人類最早發(fā)現(xiàn)的彈性體，具有優(yōu)異力學(xué)性能、易粘接性、疲勞強(qiáng)度以及加工性能等良好，具有低或中等的阻尼，可用于制造性能優(yōu)良的減振器。天然橡膠的對應(yīng)

9、變的變化并不敏感，但天然橡膠的局限性在于其應(yīng)用溫度范圍較窄，耐候性和耐油性較差，溫度超過100和陽光照射會(huì)迅速龜裂。 （2）氯丁橡膠：氯丁橡膠最初是作為天然橡膠的替代品使用的，與天然橡膠使用范圍相同，具有較好的耐候性，主要用于長期暴露在室外的場合，其缺點(diǎn)是應(yīng)變及溫度變化很敏感。 （3）丁基橡膠：丁基橡膠的減振性能比較突出。耐熱老化性、耐候性優(yōu)于天然橡膠，但它的低溫性、粘接性較差，加工性能也不好。 （4）丁苯橡膠：與天然橡膠相比較，丁苯橡膠耐磨性好，而機(jī)械強(qiáng)度較差，由于加工工藝性差，多與天然橡膠并用，多用于軌道墊及一些緩沖橡膠元件。 （5）丁腈橡膠：丁腈橡膠具有優(yōu)良的耐油性，但與天然橡膠相比較，

10、力學(xué)性能略微差，但阻尼系數(shù)較大，耐熱空氣性能差，陽光直射照射迅速產(chǎn)生裂紋，通常用于制造接觸油類介質(zhì)場合的減振器。3.1.4 橡膠減振器在列車車輛上的應(yīng)用 橡膠減振器在機(jī)車的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)部位：（1）轉(zhuǎn)向架用橡膠減振器 安裝在轉(zhuǎn)向架軸箱或均衡梁和構(gòu)架之間，也稱一系懸掛橡膠減振器。其 主要形式有橡膠關(guān)節(jié)、軸箱錐形橡膠彈簧、橡膠緩沖墊等。 橡膠關(guān)節(jié)由于結(jié)構(gòu)緊湊，制造方便，易于裝配，且強(qiáng)度高，噪聲低、本身有軸承和密封作用，不需潤滑，可降低動(dòng)載荷，用于轉(zhuǎn)向架各部件的連接，傳遞載荷，起到彈性節(jié)點(diǎn)的作用。橡膠節(jié)點(diǎn)可設(shè)計(jì)性好，形式多樣，可以使用工況選擇合適形式的橡膠節(jié)點(diǎn)。各種形式橡膠關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖如下所示：

11、直筒式橡膠關(guān)節(jié) 凹型橡膠節(jié)點(diǎn) 凸球形橡膠關(guān)節(jié) 組合式橡膠關(guān)節(jié)圖 轉(zhuǎn)向架用各種類型橡膠關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖 軸箱錐形橡膠彈簧、橡膠墊主要用于彈性支撐大噸位部件，同時(shí)有效地隔離軌道振動(dòng)傳遞到車體。這類產(chǎn)品垂向承載，要求其垂向的靜剛度值大。為了提高橡膠減振器垂向靜剛度，主要從兩個(gè)方式實(shí)現(xiàn)：一種通過多層設(shè)計(jì)改變橡膠減振器的形狀系數(shù)，增加橡膠約束面積，使橡膠自由變形困難，從而提高其剛度特性，如軸箱錐形橡膠彈簧；第二種是改變受力方式，橡膠近似為不可壓縮性材料，其抗壓能力強(qiáng)，采用垂向壓縮型的結(jié)構(gòu)可提高垂向的剛度值，如橡膠墊。錐形橡膠彈簧和橡膠墊的結(jié)構(gòu)圖如下：圖： 軸箱橡膠錐形彈簧結(jié)構(gòu)示意圖圖： 橡膠墊結(jié)構(gòu)示意圖

12、（2）車體與轉(zhuǎn)向架用橡膠減振器 連接車體與轉(zhuǎn)向架彈性連接元件，也稱為二系懸掛橡膠減振器，彈性地承擔(dān)車體的垂向載荷，并給車輛各軸以一定的重量分配，以使所分配的重量在車輪行經(jīng)不平線路時(shí)不發(fā)生顯著變化；同時(shí)緩解車垂向的有害振動(dòng)，改善車輛的抗蛇行穩(wěn)定性。它的形式有各種各樣。根據(jù)連接部件的重量不同，橡膠減振器的結(jié)構(gòu)也不同。一般連接重量較輕的部件采用柱型橡膠減振器，重量大的部件采用壓縮型的橡膠減振器如矩形橡膠堆、V型橡膠減振器等。常用的二系懸掛橡膠減振器如圖 所示。圖： 柱形橡膠減振器示意圖圖：動(dòng)車組用V型橡膠減振器示意圖V型橡膠減振器的豎向方向的靜剛度不僅與橡膠材料力學(xué)性質(zhì)有關(guān)，同時(shí)還與減振器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

13、、橡膠層的自由面的形狀的有關(guān)。橡膠材料的彈性模量影響減振器的靜剛度，在橡膠工業(yè)中，常常用橡膠的硬度來表示橡膠的彈性模量。研究表明4：V型橡膠減振器內(nèi)外骨架為金屬，彈性模量遠(yuǎn)大于橡膠的彈性模量，因此V型橡膠減振器的靜剛度主要取決于橡膠材料的模量，而且該結(jié)構(gòu)減振器的靜剛度隨著橡膠硬度的增大而增大，近似呈線性關(guān)系。V型橡膠減振器的靜剛度與結(jié)構(gòu)參數(shù)中傾斜角度、橡膠層厚度以及形狀系數(shù)有關(guān)。調(diào)整傾斜角度、橡膠厚度可以改變V型減振器的靜剛度，并可以通過有限元分析技術(shù)得到傾斜角度、橡膠厚度和靜剛度的關(guān)系式。橡膠層自由面形狀不僅影響V型減振器的靜剛度特性，并影響橡膠層應(yīng)力分布。合適的橡膠自由面形狀可以使減振器剛度滿足要求的同時(shí)，優(yōu)化橡膠層的應(yīng)力分布，提高減振器的使用壽命。（3） 緩沖用橡膠減振器 車輛在行駛中，特別在載重情況下和路況較差時(shí)行駛，可能在垂直方向、行駛方向或橫向方向受到?jīng)_擊，為了避免車體與車架發(fā)生沖擊，采用橡膠緩沖制品起到緩沖、吸振作用，如向橡膠橫向緩沖器、車鉤緩沖橡膠件等。緩沖器具有吸收車輪對車體的沖擊力的作用，因此要求橡膠具有耐沖擊特性和負(fù)荷撓度特性。由于沖擊變形速度快，會(huì)顯示振動(dòng)時(shí)的高頻率區(qū)域變化相同的狀態(tài)，因 此不適合使用耐寒性差的材料以及受溫度影響大的材料。作為材料來講，除 NR 類橡膠材料外，也可用發(fā)泡聚氨