軌道車輛液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)剛度性能試驗(yàn)研究

羅 俊，林 勝，張玉祥，張隸新，侯茂銳，陳 璋

（1. 株洲時(shí)代瑞唯減振裝備有限公司，湖南株洲 412007； 2. 中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山 063000；3. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081）

1 研究背景

軌道車輛轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)安裝于軸箱轉(zhuǎn)臂和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架之間，具有柔性連接和減緩振動的作用。轉(zhuǎn)臂式軸箱定位方式結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)便利，因此，被廣泛應(yīng)用于高速動車組、地鐵等各類軌道車輛中。

轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)是直接影響軌道車輛動力學(xué)性能的關(guān)鍵零部件之一。當(dāng)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)具有高剛度特性時(shí)，可以使得軌道車輛具有較好的蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性，顯著提高車輛運(yùn)行速度；當(dāng)具有低剛度特性時(shí)，軌道車輛具有較好的曲線通過能力和較低的輪軌磨耗[1-2]。但傳統(tǒng)轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)一般為金屬橡膠復(fù)合產(chǎn)品，其剛度一般為恒定值，難以同時(shí)兼具上述特性。隨著全球軌道交通的飛速發(fā)展，軌道車輛運(yùn)行速度越來越高，同時(shí)要求其全壽命周期內(nèi)運(yùn)營成本越來越低，因此迫切需要一種新的技術(shù)來解決上述矛盾。

近年來，利用液體橡膠復(fù)合特性的變剛度減振裝置在高端汽車上得到應(yīng)用[3-6]。根據(jù)該裝置技術(shù)原理，有人提出在軌道交通領(lǐng)域使用液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)（以下簡稱“復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)”）新技術(shù)。復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)在直線運(yùn)行時(shí)有高剛度的特性，在曲線運(yùn)行時(shí)有低剛度的特性，能夠同時(shí)兼顧蛇行運(yùn)動穩(wěn)定性和曲線通過能力[7]。越來越多的軌道交通技術(shù)人員開始重視液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)技術(shù)[8-9]，并不斷進(jìn)行探索和嘗試。

李志強(qiáng)介紹了一種應(yīng)用在快速貨車轉(zhuǎn)向架上的金屬橡膠液壓復(fù)合彈簧，并分析了應(yīng)用該彈簧應(yīng)注意的問題[10]。張隸新等通過建立動力學(xué)模型研究了變剛度定位節(jié)點(diǎn)對車輛動力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用變剛度定位節(jié)點(diǎn)蛇行穩(wěn)定性較好，且曲線通過能力得到提高[11]。祁亞運(yùn)等采用Poynting-Thomson模型和ZOBORY磨耗模型對液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)和定剛度節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過曲線時(shí)的車輪磨耗情況進(jìn)行了對比分析，分析表明液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)能有效的降低車輪磨耗[12]。鄒波等介紹了一種用于軌道車輛的變剛度軸箱轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)，介紹該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路并驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)方案的合理性，為類似設(shè)計(jì)提供參考[13]。

縱觀國內(nèi)外相關(guān)研究，已有學(xué)者對影響復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)剛度特性和可靠性的各類因素進(jìn)行研究，但對漏液和溫度影響鮮有研究，因此有必要進(jìn)行深入的研究，以推動該技術(shù)和產(chǎn)品的工程化應(yīng)用。

2 復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)型式及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)型式

復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)基本結(jié)構(gòu)主要由主橡膠體、輔橡膠體、液壓腔和阻尼流道組成，如圖1所示。其中，主橡膠體和輔橡膠體呈對稱布置，主要作用是在低頻時(shí)提供彈性支撐作用。2個(gè)獨(dú)立的液壓腔分布在液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)兩側(cè)，液壓腔內(nèi)灌注有乙二醇混合液，該溶液物理性能穩(wěn)定，能夠適應(yīng)鐵路系統(tǒng)的高溫和低溫惡劣環(huán)境。環(huán)形阻尼流道連接液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的2個(gè)液壓腔，阻尼流道和2個(gè)液壓腔組成了液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的液壓機(jī)構(gòu)，液壓機(jī)構(gòu)主要在動態(tài)載荷作用下提供附加動態(tài)剛度作用。該結(jié)構(gòu)形式能夠很好地發(fā)揮橡膠體的彈性支撐作用和液壓機(jī)構(gòu)的附加動態(tài)剛度作用。

圖1 復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)原理示意圖

當(dāng)軌道車輛高速直線運(yùn)行時(shí)，來自軌道和輪對相互作用的激振頻率較高，在高頻激振下，液壓腔里的液體來不及通過阻尼孔流到另一邊，從而在液壓腔內(nèi)產(chǎn)生附加動態(tài)剛度，液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向剛度由橡膠體和液壓機(jī)構(gòu)同時(shí)提供，呈現(xiàn)高剛度特性。當(dāng)軌道車輛低速通過曲線時(shí)，來自軌道和輪對相互作用的激振頻率較低，液壓腔里的液體能通過阻尼孔流到另一邊，液壓腔基本不能產(chǎn)生附加動態(tài)剛度，復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的徑向剛度主要由橡膠體提供，呈現(xiàn)低剛度特性。

2.2 工作原理

復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的工作原理理論模型如圖2所示。

圖2 復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)工作原理示意圖

圖2中，Kxj為橡膠體提供的靜態(tài)剛度，為固定值；P1和P2分別為2個(gè)液壓腔內(nèi)液體的壓強(qiáng)；S為液壓腔活塞的截面積，當(dāng)液體橡膠復(fù)合彈簧受到激振產(chǎn)生位移量為x時(shí)，則可列出力的平衡方程為：

則液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的等效動剛度為：

由式（2）可知，當(dāng)軌道車輛高速直線運(yùn)行時(shí)，由于液體來不及流動，兩液壓腔內(nèi)液體的壓強(qiáng)P1和P2差值ΔP較大，從而產(chǎn)生較大的動態(tài)剛度，此時(shí)復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的等效動剛度為液壓腔提供的附加動態(tài)剛度和橡膠體提供的靜態(tài)剛度之和。當(dāng)軌道車輛低速通過曲線時(shí)，由于液體能充分流動，2個(gè)液壓腔的壓強(qiáng)差值ΔP≈0，此時(shí)復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的等效動剛度等于為橡膠提供的靜態(tài)剛度，即：

3 漏液對復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)剛度的影響

3.1 漏液對靜態(tài)徑向剛度的影響

常溫23℃條件下，分別對滿液、漏液50%、漏液100%的復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)徑向剛度試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法為：徑向以10?mm/min的速度在0～30～0??kN的范圍內(nèi)連續(xù)加載3個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)之間無時(shí)間間隔；計(jì)算第3個(gè)循環(huán)加載階段5～15?kN載荷區(qū)間的靜態(tài)徑向剛度。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，不同漏液狀態(tài)下復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)靜態(tài)徑向剛度比較如圖3所示。

圖3 不同漏液狀態(tài)下復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)靜態(tài)徑向剛度比較

表1 靜態(tài)徑向剛度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，漏液對復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)靜態(tài)徑向剛度影響較小。漏液50%和漏液100%狀態(tài)相對于滿液狀態(tài)產(chǎn)品，靜態(tài)徑向剛度相對變化率在5%以內(nèi)。

3.2 漏液對動態(tài)徑向剛度特性的影響

常溫23℃條件下，分別對滿液，漏液50%，漏液100%的復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)徑向剛度試驗(yàn)。具體試驗(yàn)方法為：分別以 0.5??Hz，1.0??Hz，2.0??Hz，4.0??Hz，6.0??Hz，8.0??Hz 頻率徑向正弦加載位移振幅 ±0.1??mm，連續(xù)循環(huán)30次，記錄各個(gè)激振頻率下的動態(tài)徑向剛度。滿液、漏液50%、漏液100%狀態(tài)下液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨激振頻率變化曲線如圖4所示。

圖4 不同漏液狀態(tài)下復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度比較

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，漏液對復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度的影響較大；滿液狀態(tài)時(shí)節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度呈現(xiàn)出明顯的頻率相關(guān)性，動態(tài)徑向剛度隨著激振頻率的增加明顯上升。而漏液50%和100%狀態(tài)的復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度基本不隨激振頻率的變化而變化。

4 溫度對復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度的影響

4.1 滿液狀態(tài)

分別在低溫-40℃、常溫23℃和高溫50℃環(huán)境條件下，對滿液狀態(tài)復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)徑向剛度試驗(yàn)。不同溫度條件下復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨激振頻率變化情況如圖5所示。

圖5 滿液狀態(tài)下不同溫度對應(yīng)的復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，低溫-40℃條件下，復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨激振頻率增加上升幅度較?。怀?3℃和高溫50℃條件下，復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨激振頻率增加而增加；隨著溫度的升高，復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨激振頻率增加而增加的幅度變大。

4.2 漏液狀態(tài)

分別在低溫-40℃、常溫23℃和高溫50℃環(huán)境條件下，對漏液50%和漏液100%狀態(tài)復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)徑向剛度試驗(yàn)。不同溫度條件下漏液50%和100%狀態(tài)復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨激振頻率變化情況分別如圖6所示。

圖6 漏液狀態(tài)下不同溫度對應(yīng)的復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，不同溫度條件下，漏液50%和100%狀態(tài)復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)其動態(tài)徑向剛度隨著激振頻率增加上升幅度均較小。

5 結(jié)論

（1）滿液狀態(tài)，復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度呈現(xiàn)出明顯的頻率相關(guān)性，動態(tài)徑向剛度隨著激振頻率的增加明顯上升；溫度對復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度特性影響明顯，隨著溫度的升高，復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨激振頻率增加而增加的幅度變大。

（2）漏液狀態(tài)對復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)靜態(tài)徑向剛度影響較小，對動態(tài)徑向剛度影響明顯，復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨著激振頻率增加上升幅度較小。漏液狀態(tài)下溫度對復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度特性影響不明顯，隨著溫度的升高，液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)動態(tài)徑向剛度隨激振頻率增加上升幅度較小。

（3）滿液狀態(tài)下，液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)在車輛高速直線運(yùn)行時(shí)具有高動態(tài)徑向剛度的特點(diǎn)，在車輛低速曲線運(yùn)行時(shí)具有低徑向剛度的特點(diǎn)，對于提升軌道車輛系統(tǒng)動力學(xué)性能和改善輪軌匹配關(guān)系具有重要意義。由于漏液對于液體橡膠復(fù)合轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)特性有較大影響。因此，密封和漏液監(jiān)控將是后續(xù)重點(diǎn)研究內(nèi)容。