一種變剛度轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

鄒 波， Josef Gross， 王 濤， 卜繼玲， 丁行武

(1 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007；2 博戈橡膠有限公司, 波思 53175 德國(guó))

隨著人們節(jié)能環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)軌道車輛的運(yùn)行平順性、舒適度和穩(wěn)定性要求的提高，下一代城市軌道車輛，比如市域快速列車、地鐵和輕軌等，其軸箱定位系統(tǒng)擬采用新型徑向變剛度控制裝置——液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)，依托其剛度調(diào)節(jié)能力和阻尼耗能效應(yīng)實(shí)現(xiàn)提高軌道車輛直線段高頻振動(dòng)下的穩(wěn)定性和低速過(guò)彎道能力。液體橡膠復(fù)合減振技術(shù)在汽車領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛而成熟的研究與應(yīng)用[1-2]，其在高端乘用車上所表現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)大生命力和技術(shù)優(yōu)勢(shì)引起了我們廣大軌道車輛工程技術(shù)人員的關(guān)注。21世紀(jì)初，Gedenk[3]和趙熙雍[4]等人初步論述了金屬橡膠液體復(fù)合彈簧在軌道車輛一系懸掛上的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。近年，李志強(qiáng)[5]在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步介紹了金屬橡膠液體復(fù)合彈簧的工作原理和技術(shù)特征，并分析了軌道車輛應(yīng)用金屬橡膠液體復(fù)合彈簧應(yīng)注意的問(wèn)題。除此之外，國(guó)內(nèi)外關(guān)于軌道車輛用液體橡膠復(fù)合減振技術(shù)的文獻(xiàn)資料甚少，而有關(guān)該技術(shù)在軸箱轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)上的研究和應(yīng)用鮮見(jiàn)報(bào)道。文中旨在采用多層非等直徑圓筒橡膠配合液壓機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)徑向變剛度轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)手段來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，從而最終為液體橡膠復(fù)合技術(shù)在軌道車輛轉(zhuǎn)向架上的研究與應(yīng)用開(kāi)辟思路。

1 設(shè)計(jì)原理

對(duì)于螺旋彈簧頂置[6]的轉(zhuǎn)向架軸箱轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)在車輛的實(shí)際運(yùn)行工況中主要承受縱向載荷和橫向載荷的作用。為了提高車輛在直線段高速運(yùn)行的穩(wěn)定性和低速時(shí)過(guò)彎道的能力，要求轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)能夠在承受縱向載荷時(shí)具有低速較低剛度和高速較高剛度的變剛度特性。

選取某型地鐵列車用傳統(tǒng)橡膠轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)技術(shù)參數(shù)作為設(shè)計(jì)輸入條件，旨在設(shè)計(jì)出一款采用液體和橡膠復(fù)合技術(shù)的新型轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)，使其在特定激勵(lì)頻率下實(shí)現(xiàn)樣件縱向剛度達(dá)到3倍以上的提升效果，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 新型液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)技術(shù)條件

新結(jié)構(gòu)彈性支撐部分將采用橡膠主簧和橡膠輔簧組裝而成，其中兩個(gè)橡膠輔簧呈對(duì)稱布置。在橡膠主簧內(nèi)設(shè)計(jì)有特殊的液壓機(jī)構(gòu)，包括兩個(gè)完全一樣的液壓腔和鏈接兩液壓腔的流道。設(shè)計(jì)新型液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理圖

正是由于圖1中的液壓機(jī)構(gòu)的作用才使得該節(jié)點(diǎn)在承受動(dòng)態(tài)激勵(lì)時(shí)可以獲得指定頻率工況下動(dòng)態(tài)剛度的提升。圖1中的液壓機(jī)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為圖2所示的理論模型。

如圖2所示的液壓機(jī)構(gòu)，當(dāng)工作面承受較高頻率位移載荷x(t)時(shí)，第1液室內(nèi)的流體受擠壓，流體來(lái)不及響應(yīng)，不能快速流入第2液室，使得第1液室內(nèi)部產(chǎn)生高壓p1(t)，與第2液室內(nèi)的流體形成壓力差。此時(shí)，基座所承受載荷為：

F(t)=A(p1(t)-p2(t))

(1)

上式中，A為液壓腔活塞面積。

(2)

K(t)即為液壓機(jī)構(gòu)提供的附加動(dòng)剛度。K(t)是一個(gè)頻率相關(guān)性函數(shù)，當(dāng)激勵(lì)頻率較低時(shí)，液室內(nèi)的流體能夠充分流動(dòng)，兩液室之間的壓力差很小，此時(shí)K(t)很小。

由此可知，液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的縱向動(dòng)態(tài)剛度主要由兩部分組成，即：

圖2 液壓機(jī)構(gòu)工作原理

K′(t)=K(t)+Kr

(3)

Kr為彈性支撐部分提供的剛度，即節(jié)點(diǎn)的縱向靜態(tài)剛度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橡膠主簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)作為機(jī)車車輛軸箱系統(tǒng)的定位元件，在水平方向要求具有不同的剛度，故在水平方向采用切開(kāi)設(shè)計(jì)。同時(shí)，利用水平方向的切口空隙設(shè)計(jì)成液壓腔。橡膠層在垂直方向內(nèi)嵌有金屬隔片用以提高垂向剛度，這樣該橡膠主簧在承受徑向力時(shí)，兩個(gè)橡膠層起串聯(lián)作用。

最終，橡膠主簧可簡(jiǎn)化成圖3所示的兩層圓筒形橡膠套。圖中Di,1,Di,2分別為第i層橡膠套的內(nèi)、外直徑；本結(jié)構(gòu)i=2；L為橡膠套壓入后的寬度；2α為圓軸中心切口角。

圖3 橡膠主簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

依據(jù)多層圓筒形橡膠套徑向串聯(lián)的關(guān)系，可推導(dǎo)求得橡膠主簧的徑向剛度為[7]：

kry=G(1+δ)2·

(4)

其中

(5)

上式中，δ為橡膠層擠壓率，G為橡膠剪切模數(shù)。

分析圖1所示結(jié)構(gòu)可知，該節(jié)點(diǎn)徑向載荷主要由橡膠主簧承擔(dān)，即節(jié)點(diǎn)整體徑向剛度主要由橡膠主簧的徑向剛度提供。以表1中給出的縱向靜態(tài)剛度3 kN/mm為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終設(shè)計(jì)出橡膠主簧結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表2 橡膠主簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

橡膠主簧采用55°膠料，在考慮橡膠預(yù)壓縮對(duì)剪切模數(shù)的影響的基礎(chǔ)上將表2所列結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(4)和式(5)，可計(jì)算得到：

kry=3.22 kN/mm

(6)

2.2 輔簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該節(jié)點(diǎn)橡膠輔簧呈對(duì)稱布置，主要用來(lái)承受橫向載荷，可簡(jiǎn)化成圖4所示的環(huán)形斷面橡膠堆[7]，具體設(shè)計(jì)參數(shù)為：

r1,r2分別為橡膠環(huán)的內(nèi)、外半徑(mm)；h為每層橡膠的厚度；n為橡膠層數(shù)(輔簧橡膠層數(shù)為2)；

可計(jì)算得到單個(gè)橡膠輔簧的承載面積AC為[7]：

(7)

橡膠輔簧的承載面積Af為：

Af=2πh(r1+r2)

(8)

則面積比S為：

(9)

故環(huán)形斷面橡膠堆的垂向剛度為：

(10)

上式中，垂向形狀系數(shù)μ1=1.2(1+1.65S2)；E為橡膠楊氏彈性模數(shù)。

以表1中給出的橫向靜態(tài)剛度6 kN/mm為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最終設(shè)計(jì)出橡膠輔簧結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

說(shuō)明：本題顯性目的是考查“相等向量”，隱性目的是提高分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力和分類討論思想的感悟.本題的解題過(guò)程是學(xué)生探究的過(guò)程.

圖4 橡膠輔簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

項(xiàng)點(diǎn)r1 r2 h數(shù)值/mm9680112

橡膠輔簧采用45°膠料，將表3所列結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(11)，可計(jì)算得到：

kz=5.95 kN/mm

(11)

3 靜態(tài)性能試驗(yàn)

新型液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)選在300 kN靜態(tài)剛度試驗(yàn)機(jī)上完成。該試驗(yàn)機(jī)在如表4所示加載條件下的校準(zhǔn)示值相對(duì)誤差和重復(fù)性誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)JJG 475-2008。圖5、圖6分別為節(jié)點(diǎn)樣件實(shí)物圖和靜態(tài)剛度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖5 新型液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

在靜態(tài)剛度試驗(yàn)機(jī)上分別測(cè)量縱向和橫向靜態(tài)剛度，加載條件見(jiàn)表4，連續(xù)測(cè)量3個(gè)循環(huán)，取第3個(gè)循環(huán)的力-位移曲線的線性上升區(qū)間計(jì)算樣件的剛度值，最終得到如圖7、圖8所示的力-位移曲線。

圖6 樣件靜態(tài)剛度測(cè)試

項(xiàng)點(diǎn)加載速度/(mm·s-1)最大加載力/kN縱向靜態(tài)剛度218橫向靜態(tài)剛度215

圖7 縱向靜態(tài)剛度力-位移曲線

取圖7所示力-位移曲線線性上升區(qū)間數(shù)值可計(jì)算得到縱向靜態(tài)剛度為：

(12)

圖8 橫向靜態(tài)剛度力-位移曲線

取圖8所示力-位移曲線線性上升區(qū)間數(shù)值可計(jì)算得到橫向靜態(tài)剛度為6.02 kN/mm。

上述節(jié)點(diǎn)樣件靜態(tài)剛度試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值非常接近，說(shuō)明了橡膠主簧和輔簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的可行性。

4 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究

4.1 流道設(shè)計(jì)

由第1部分所述液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理可知，該節(jié)點(diǎn)在指定頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)剛度提升的根本原因在于合理的流道設(shè)計(jì)。流道設(shè)計(jì)的核心就是確定合理的流道長(zhǎng)度l和橫截面積A，具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 流道結(jié)構(gòu)

A=b×h

(13)

為了實(shí)現(xiàn)表1所述在3 Hz頻率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)縱向剛度提升到22 kN/mm左右，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步給出l0=3 m，h0=2.5 mm，b0=2.5 mm。一般來(lái)說(shuō)，較低頻率范圍下流道長(zhǎng)度越長(zhǎng)其動(dòng)態(tài)剛度提升效果會(huì)越明顯，故設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度分別為0.9l0、l0、1.1l0的3種流道。

4.2 力-位移關(guān)系試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)機(jī)臺(tái)：MTS 500 kN動(dòng)剛度試驗(yàn)機(jī)，校準(zhǔn)結(jié)果顯示該試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)力0～500 kN范圍內(nèi)的示值相對(duì)誤差和重復(fù)性誤差符合標(biāo)準(zhǔn)JJG 556-2011；加載頻率：3 Hz；加載振幅： Δx±1 mm；循環(huán)次數(shù)：30次。計(jì)錄穩(wěn)定循環(huán)后的力-位移曲線和縱向動(dòng)態(tài)剛度。

圖10 3種流道力-位移曲線對(duì)比，3 Hz，±1 mm

圖10為3種流道測(cè)試得到的樣件力-位移滯回曲線。由圖可見(jiàn)，流道3所示力-位移滯回曲線相對(duì)更為飽滿。這說(shuō)明當(dāng)節(jié)點(diǎn)承受縱向擠壓后，由于流道的阻尼作用使得其中一個(gè)液壓腔產(chǎn)生內(nèi)部高壓，此液壓腔內(nèi)部的液體需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間從高壓腔流向低壓腔。因此，流道3對(duì)該節(jié)點(diǎn)縱向剛度的提升效果會(huì)更加明顯。

k=ΔF/Δx

(14)

圖10中ΔF表示力-位移滯回曲線上力的極大值和極小值之差，Δx表示力-位移滯回曲線上位移的極大值和極小值之差。

依據(jù)式(15)可計(jì)算得到3種流道對(duì)應(yīng)的樣件整體縱向動(dòng)態(tài)剛度分別為：17.76 kN/mm，19.48 kN/mm，21.23 kN/mm，理論設(shè)計(jì)誤差分別為19.3%，11.5%，3.5%。因此，最終選取第3種流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行液體橡膠復(fù)合軸箱節(jié)點(diǎn)試制，并測(cè)試節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)特性的頻率相關(guān)性。

4.3 頻率相關(guān)性試驗(yàn)驗(yàn)證

此新型液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在指定頻率下實(shí)現(xiàn)縱向剛度的明顯提升，實(shí)現(xiàn)低頻低剛度和高頻高剛度的變剛度特性。

圖11為節(jié)點(diǎn)樣件的縱向動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，

圖11 樣件縱向動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試

圖12 縱向動(dòng)剛度隨頻率變化曲線

圖12為該節(jié)點(diǎn)樣件從0 Hz到10 Hz范圍內(nèi)掃頻測(cè)試得到的動(dòng)剛度-頻率曲線，可以看出當(dāng)測(cè)試頻率較低時(shí)(f≤0.5 Hz)，樣件動(dòng)態(tài)剛度比較接近靜態(tài)剛度。隨著測(cè)試頻率的遞增，樣件動(dòng)態(tài)剛度不斷增大，當(dāng)f=3 Hz時(shí)，動(dòng)態(tài)剛度值為21.19 kN/mm。之后，動(dòng)態(tài)剛度會(huì)隨著測(cè)試頻率的增大進(jìn)一步增加，最后逐漸趨于平穩(wěn)。整條測(cè)試曲線充分說(shuō)明了所研制的新型液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了低頻低剛度和高頻高剛度的變剛度設(shè)計(jì)要求。

目前，該類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的流道設(shè)計(jì)主要依靠技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，動(dòng)態(tài)特性研究仍處于試驗(yàn)階段，理論計(jì)算和試驗(yàn)對(duì)比將是后續(xù)重點(diǎn)工作內(nèi)容。

5 結(jié) 論

(1)提出了一種適用于軌道車輛轉(zhuǎn)向架軸箱定位系統(tǒng)的新型液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，該結(jié)構(gòu)由橡膠主簧、橡膠輔簧和液壓機(jī)構(gòu)組成。

(2)合理簡(jiǎn)化橡膠主簧和橡膠輔簧結(jié)構(gòu)，通過(guò)理論公式計(jì)算得到的縱向和橫向靜態(tài)剛度結(jié)果與實(shí)際試樣的測(cè)試結(jié)果非常接近。

(3)設(shè)計(jì)了一種合理的流道結(jié)構(gòu)，使得節(jié)點(diǎn)試樣在較寬測(cè)試頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低頻低剛度和高頻剛度的變剛度特性。

(4)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證的手段實(shí)現(xiàn)了軌道車輛轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，為液體橡膠復(fù)合減振技術(shù)在軌道車輛上的推廣應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。