一種橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)低溫性能試驗(yàn)研究

丁行武， 程海濤， 相運(yùn)成， 卜繼玲， 李 由， 王 濤

(1 株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007；2 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司， 長(zhǎng)春 130062；3 BOGE ELASTMETALL GmbH, Bonn, Germany 53175)

橡膠液體復(fù)合減振彈性元件動(dòng)態(tài)特性具有隨著激勵(lì)振幅和激勵(lì)頻率變化而變化的特性[1]，同時(shí)它能夠在較寬頻率范圍內(nèi)提供大阻尼[2]。上述優(yōu)點(diǎn)使得橡膠液體復(fù)合減振技術(shù)在汽車領(lǐng)域，特別是在高端乘用車上得到了廣泛的應(yīng)用。相關(guān)理論計(jì)算和性能研究工作也得到了深入的開展，并取得了一系列成果[3-4]。然而，橡膠液體復(fù)合減振技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域仍處于探索階段，工程應(yīng)用業(yè)績(jī)還非常有限。但近年來(lái)，部分軌道交通科技工作者已經(jīng)對(duì)該類技術(shù)在軌道車輛上的應(yīng)用重視起來(lái)[5-6]。

純橡膠或者金屬橡膠減振彈性元件廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，比如安裝于軌道車輛一系懸掛的的軸箱彈簧、轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)和橡膠關(guān)節(jié)等[7]。它們的工作環(huán)境溫度變化較大，在高寒地區(qū)工作溫度可低至-40 ℃[8]，而在少部分極寒地區(qū)溫度甚至可低至-50 ℃。為了評(píng)估軌道車輛的運(yùn)行穩(wěn)定性和乘坐舒適度，必須對(duì)車輛轉(zhuǎn)向架上的橡膠彈性元件的低溫剛度特性進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，對(duì)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)等常規(guī)產(chǎn)品的常溫、低溫狀態(tài)下的剛度變化率進(jìn)行有限控制。而對(duì)于橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)，還需要分析低溫狀態(tài)下液體的物理屬性變化情況，以及研究橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)低溫后剛度的恢復(fù)性。這些都是在進(jìn)行橡膠液體復(fù)合減振產(chǎn)品耐候性設(shè)計(jì)前期必須要考慮的內(nèi)容，也為橡膠液體復(fù)合減振技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的工程化應(yīng)用形成數(shù)據(jù)積累和奠定理論基礎(chǔ)。

1 橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)工作原理

選取文獻(xiàn)[6]提到的變剛度轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)為具體研究對(duì)象，該轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)是一種應(yīng)用于轉(zhuǎn)向架軸箱定位系統(tǒng)的新型的橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。

圖1 橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)概念結(jié)構(gòu)[6]

它主要由橡膠主彈簧、橡膠輔彈簧和內(nèi)部液壓阻尼機(jī)構(gòu)組成。其中，液壓阻尼機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)沿徑向?qū)ΨQ布置且完全一樣的液壓腔和鏈接兩液壓腔的阻尼流道。由于軌道車輛目前主要是對(duì)車輛行駛方向的轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)剛度存在變剛度要求，故此處徑向表示平行于軌道車輛行駛方向的方向。

該結(jié)構(gòu)型式的特點(diǎn)在于當(dāng)軌道車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中承受徑向激勵(lì)時(shí)能夠提供大于橡膠體本身彈性支撐作用的附加動(dòng)態(tài)剛度，且該附加動(dòng)態(tài)剛度與激勵(lì)振幅和激勵(lì)頻率存在很強(qiáng)的相關(guān)性。此時(shí)，橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剛度可以表述為式(1)

K=Ky+Kr

(1)

上式表明橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向動(dòng)態(tài)剛度由兩部分組成，其中Ky表示液壓阻尼機(jī)構(gòu)提供的附件動(dòng)態(tài)剛度，Kr為橡膠體本身提供的剛度。Kr取決于橡膠材料本身的彈性特性。Ky除了與激勵(lì)工況有關(guān)外，還取決于液體材料本身的物理屬性。

2 低溫影響因素分析

橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)主要由金屬、橡膠和液體介質(zhì)3種材料組成?？紤]物理性能的穩(wěn)定性，液體介質(zhì)目前選用廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域液壓減振件中的乙二醇混合溶液。顯然，節(jié)點(diǎn)低溫性能的變化主要是因?yàn)榈蜏叵孪鹉z材料和液體介質(zhì)材料物理屬性發(fā)生變化所引起。

橡膠材料屬于非線性彈性材料，環(huán)境溫度的改變對(duì)其力學(xué)性能的影響顯著。圖2反映出當(dāng)橡膠材料從玻璃相遷移到橡膠相的過(guò)渡階段，橡膠材料力學(xué)特性變化非常大。這是因?yàn)榈蜏貭顟B(tài)下橡膠分子熱運(yùn)動(dòng)會(huì)減弱，當(dāng)溫度低于橡膠的玻璃化溫度后，高分子鏈段的運(yùn)動(dòng)會(huì)被凍結(jié)，橡膠逐漸失去彈性，剛度顯著增大且變得很脆[9]。文獻(xiàn)[11]指出硫化橡膠經(jīng)低溫的多次作用后，其力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，橡膠表面產(chǎn)生微細(xì)裂紋，導(dǎo)致其使用壽命有所縮短。

圖2 某橡膠材料性能隨溫度變化[10]

環(huán)境溫度對(duì)液壓阻尼機(jī)構(gòu)所提供的附加動(dòng)剛度的影響主要是通過(guò)影響液體介質(zhì)的黏性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。液體介質(zhì)黏性的改變對(duì)液體通過(guò)阻尼流道在兩個(gè)液壓腔之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的沿程壓力損失和局部壓力損失會(huì)造成很大的影響，而壓力損失的大小直接影響著附加動(dòng)剛度的大小。

乙二醇混合溶液的黏度取決于分子間的作用力，當(dāng)溫度降低時(shí)分子間的距離縮小，內(nèi)聚力增加。圖3為用于橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的某配比下乙二醇混合溶液的黏溫特性曲線，在ZY-64自動(dòng)黏度儀上測(cè)得?？梢钥闯鲈撘叶蓟旌先芤旱酿ざ入S溫度的降低而不斷增加，且隨著溫度的進(jìn)一步降低黏度的增加幅度越來(lái)越大。

綜上所述，在進(jìn)行橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)低溫性能設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮橡膠材料和液體介質(zhì)的溫變特性。

圖3 乙二醇混合溶液黏溫特性

3 低溫試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于國(guó)內(nèi)外關(guān)于橡膠材料本身的低溫性能研究已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)某晒谊P(guān)于乙二醇混合溶液的黏溫特性也已經(jīng)形成了基本的共識(shí)，這里主要針對(duì)橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)樣件整體所體現(xiàn)出來(lái)的低溫性能進(jìn)行分析與研究。

3.1 試驗(yàn)樣件準(zhǔn)備

圖4所示為按照?qǐng)D1所示概念結(jié)構(gòu)試制的試驗(yàn)樣件?？紤]到對(duì)比測(cè)試的需要，特制作了注滿液體樣件P1和未注液體樣件P2。

圖4 橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)樣件

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的目的是研究低溫狀態(tài)下橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)徑向(即圖1所示結(jié)構(gòu)的垂直向上方向)靜動(dòng)態(tài)性能的變化情況，特制定了如表1所列試驗(yàn)計(jì)劃。靜動(dòng)態(tài)性能測(cè)試和溫度環(huán)境要求均參照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2843-2015《機(jī)車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》執(zhí)行。試驗(yàn)設(shè)備包括低溫試驗(yàn)箱，靜態(tài)剛度試驗(yàn)機(jī)和動(dòng)態(tài)剛度試驗(yàn)機(jī)。

表1 低溫試驗(yàn)計(jì)劃

低溫試驗(yàn)步驟：

(1)剛度測(cè)試：將準(zhǔn)備好的樣件首先完成徑向靜、動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試；

(2)試樣溫度調(diào)節(jié)：將完成徑向靜、動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試的P1、P2試樣放置于低溫試驗(yàn)箱，溫度為-45 ℃，放置時(shí)間為24 h；

(3)試驗(yàn)完成時(shí)間：試樣從環(huán)境箱取出后即刻(30 min 內(nèi))按照相同的方法完成徑向靜、動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試；

(4)剛度變化率計(jì)算方法：假定試樣低溫試驗(yàn)前剛度為K，低溫試驗(yàn)后的剛度為KL，則剛度變化率為式(2)

BL=(︱KL-K︱/K)×100%

(2)

4 低溫性能評(píng)估

4.1 樣件低溫靜態(tài)性能分析

圖5為樣件從低溫箱取出后即刻進(jìn)行的靜態(tài)剛度測(cè)試。基于兩個(gè)溫度點(diǎn)23℃和-45℃對(duì)比測(cè)試了橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的低溫變化情況，具體如圖6所示。圖6所示數(shù)據(jù)可以看出低溫前后產(chǎn)品載荷上升區(qū)間的線性剛度比較接近，但力-位移滯回曲線的包絡(luò)面積變化較大，說(shuō)明低溫后產(chǎn)品的遲滯效應(yīng)增強(qiáng)。

圖5 低溫靜態(tài)剛度測(cè)試

從前述分析數(shù)據(jù)可知，液體在23 ℃和-45 ℃兩種溫度環(huán)境下黏度發(fā)生了很大的變化。而黏度是決定橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)靜動(dòng)態(tài)性能的核心因素。因此，需要對(duì)比測(cè)試未注液體樣件的低溫性能，具體如圖7所示。

未注液體樣件結(jié)構(gòu)上類同傳統(tǒng)金屬橡膠件。圖7所示數(shù)據(jù)說(shuō)明，未注液體樣件低溫前后線性靜態(tài)剛度和力-位移滯回曲線的包絡(luò)面積均發(fā)生了一定程度的變化。其中，靜態(tài)剛度(計(jì)算區(qū)間:6～12 kN)變大了約10%，這主要是由于低溫狀態(tài)下橡膠分子熱運(yùn)動(dòng)減弱，橡膠變脆造成靜態(tài)剛度增大所致。對(duì)比圖6和圖7數(shù)據(jù)可知，注滿液體樣件和未注液體樣件的力-位移滯回曲線低溫后均變得更為飽滿。這是因?yàn)榈蜏貭顟B(tài)下橡膠彈性特性變?nèi)鹾鸵后w黏度增大均會(huì)造成樣件回彈性減弱，樣件響應(yīng)輸出與激勵(lì)輸入之間的遲滯效果變得更為明顯。

圖6 注滿液體樣件低溫前后力-位移關(guān)系

圖7 未注液體樣件低溫前后力-位移關(guān)系

4.2 低溫動(dòng)態(tài)性能分析

動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試頻率范圍為0～10 Hz，單個(gè)頻率下穩(wěn)定循環(huán)次數(shù)為10次，激勵(lì)振幅為±1 mm。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。

圖8 低溫動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試

圖9為注滿液體樣件P1和未注液體樣件P2低溫前后動(dòng)態(tài)剛度的對(duì)比情況。分析圖中數(shù)據(jù)可以得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：(1)低溫前后未注液體樣件的動(dòng)態(tài)剛度幾乎一致，僅在較低頻率下存在一定差異；這說(shuō)明該低溫狀態(tài)下橡膠材料的微觀物性變化尚未對(duì)未注液體樣件的動(dòng)態(tài)剛度造成太大的影響。同時(shí)，動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境下，橡膠層之間的內(nèi)摩擦所產(chǎn)生的熱量也能夠使橡膠層的彈性變形能力得到些許恢復(fù)。由于沒(méi)有液體的附加阻尼作用，未注液體樣件動(dòng)態(tài)剛度僅取決于橡膠彈性體本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，其動(dòng)靜剛度比符合傳統(tǒng)金屬橡膠件動(dòng)靜剛度比大約處于1.3～1.8范圍內(nèi)的普遍規(guī)律。(2)低溫前后注滿液體樣件的動(dòng)態(tài)剛度在整個(gè)測(cè)試頻率段均存在較大差異；即低溫狀態(tài)下樣件動(dòng)態(tài)剛度的提升效果不明顯。根據(jù)圖3所示信息，我們知道低溫下液體黏度明顯增大，此時(shí)液體流動(dòng)性減弱，因液體流動(dòng)所形成的兩個(gè)對(duì)稱布置的液壓腔之間的壓力差會(huì)變小，從而液壓阻尼機(jī)構(gòu)所提供的附件動(dòng)態(tài)剛度效應(yīng)亦減弱，故低溫下注滿液體樣件的動(dòng)態(tài)剛度下降明顯。(3)注滿液體樣件與未注液體樣件相比，其整體動(dòng)態(tài)剛度要大很多；這是因?yàn)闃蛹诔惺軓较驍D壓作用時(shí)，不管液體物理屬性如何變化均會(huì)在一定程度上阻止橡膠體的彈性變形，給予液壓腔橡膠面一個(gè)動(dòng)態(tài)反力，從而形成了附件動(dòng)態(tài)剛度。

為了進(jìn)一步說(shuō)明上述試驗(yàn)現(xiàn)象的合理性以及論證橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)在更高頻率下的低溫特性，這里選取了第2件P1樣件進(jìn)行了追加試驗(yàn)，試驗(yàn)條件同上，測(cè)試頻率為0～25 Hz，具體結(jié)果如圖10所示。

圖9 兩種樣件低溫動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

由圖10所示數(shù)據(jù)可知，低頻狀態(tài)下(f≦1 Hz)，由于液體具有充分的反應(yīng)時(shí)間，所以即使液體黏度變大仍能夠提供一定的附加動(dòng)剛度，此時(shí)低溫前后樣件的動(dòng)剛度較為接近；但在高頻狀態(tài)下，液體流動(dòng)的反應(yīng)時(shí)間很短，加上液體黏度變大流動(dòng)性減弱，造成液體在液壓腔內(nèi)部出現(xiàn)“卡頓”，造成附加動(dòng)態(tài)效應(yīng)不明顯。結(jié)合圖9和圖10可知，該類橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)在較寬頻率范圍內(nèi)均表現(xiàn)出在低溫狀態(tài)下出現(xiàn)動(dòng)剛度大幅下降的變化特性，且在高頻下表現(xiàn)更為明顯。

圖10 注滿液體樣件低溫動(dòng)態(tài)性能對(duì)比

4.3 低溫動(dòng)態(tài)性能恢復(fù)性分析

軌道車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程是一個(gè)從高溫到低溫不斷交替的過(guò)程。當(dāng)軌道車輛從低溫環(huán)境回到常溫運(yùn)行環(huán)境或者低溫下長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行時(shí)，我們需要知道橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性能最終會(huì)恢復(fù)到怎么的水平。

設(shè)定動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)條件：測(cè)試頻率3 Hz，測(cè)試振幅為±1 mm，持續(xù)不間斷測(cè)試，直到動(dòng)態(tài)剛度恢復(fù)到與常溫下相當(dāng)?shù)乃健?/p>

常溫下注滿液體樣件動(dòng)態(tài)剛度-頻率關(guān)系曲線同圖9中P1低溫前試驗(yàn)曲線，其中3 Hz測(cè)試頻率下剛度數(shù)據(jù)為17.8 kN/mm。

圖11 低溫箱取出后持續(xù)動(dòng)剛度-時(shí)間曲線

圖11數(shù)據(jù)表明樣件從低溫箱取出后經(jīng)過(guò)持續(xù)測(cè)試，3 Hz頻率下動(dòng)態(tài)剛度隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)慢慢的恢復(fù)到了常溫下的水平。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，持續(xù)測(cè)試38 min后，樣件動(dòng)態(tài)剛度從12.3 kN/mm恢復(fù)到了17.4 kN/mm，與常溫下的動(dòng)態(tài)剛度偏差僅為2.2%。其他測(cè)試頻率點(diǎn)下均存在類似情況。

顯然，連續(xù)循環(huán)測(cè)試后環(huán)境溫度的影響和自身內(nèi)摩擦所產(chǎn)生的熱量均會(huì)使樣件溫度逐漸恢復(fù)，橡膠本身的彈性亦會(huì)逐漸恢復(fù)。現(xiàn)在就需要弄清楚所用液體介質(zhì)經(jīng)過(guò)低溫工況后黏性特性是否也能夠恢復(fù)到常溫下的水平。為此，對(duì)低溫測(cè)試之后的P1樣件進(jìn)行放液取樣，對(duì)比檢測(cè)低溫試驗(yàn)前后的液體黏度，具體測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。數(shù)據(jù)表明，低溫后樣件的液體黏度同樣也恢復(fù)到了常溫下的水平，前后測(cè)試偏差為2.5%。

表2 低溫工況前后液體黏度對(duì)比

如此說(shuō)明低溫狀態(tài)下橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)剛度下降只是暫時(shí)的，隨著環(huán)境溫度的回升或者產(chǎn)品持續(xù)工作一定時(shí)間后，產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)剛度會(huì)自然的恢復(fù)到常溫下的水平。

5 結(jié) 論

(1)橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)作為一種新型的應(yīng)用于軌道車輛轉(zhuǎn)向架的減振彈性元件，其低溫性能受橡膠材料和液體介質(zhì)的溫變特性的影響較大。

(2)對(duì)于橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)其未注液體時(shí)，其低溫靜動(dòng)態(tài)性能與傳統(tǒng)橡膠轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)類似。同時(shí)，未注液體樣件和注滿液體樣件低溫狀態(tài)下的響應(yīng)遲滯效果較低溫前明顯。

(3)由于液體黏度變大，液壓腔之間的壓力差降低，低溫狀態(tài)下橡膠液體復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)剛度明顯降低。但隨著樣件溫度的回升，動(dòng)態(tài)剛度會(huì)逐漸恢復(fù)到常溫下的水平。