彈性膠泥緩沖器剛度特性分析

周元輝，戴謀軍，于海航，廖學(xué)官，黃 興，院 磊

(1.湖南聯(lián)誠(chéng)軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412001；2.中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

車鉤緩沖器是一種實(shí)現(xiàn)軌道車輛之間的彼此連接、傳遞和緩和列車縱向作用力的裝置，廣泛應(yīng)用于各種軌道車輛，包括機(jī)車、客車、城鐵、軌道工程車和高速動(dòng)車組等。緩沖器可以吸收車輛之間的沖擊和振動(dòng)，從而減輕對(duì)車體結(jié)構(gòu)和裝載貨物的破壞。

車鉤緩沖器的種類很多，按采用的緩沖材料不同可分為彈簧緩沖器、摩擦緩沖器、橡膠緩沖器、聚氨酯緩沖器、液壓緩沖器和彈性膠泥緩沖器等。從性能比較而言，彈性膠泥緩沖器具有容量大、體積小、阻抗力小、質(zhì)量輕和吸收率高等優(yōu)點(diǎn)，其以獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在市場(chǎng)上占據(jù)一席之地。本文在分析彈性膠泥緩沖器原理的基礎(chǔ)上，對(duì)緩沖器的剛度特性進(jìn)行研究。

1 彈性膠泥緩沖器原理

1.1 彈性膠泥材料

彈性膠泥材料是一種介于固體和液體之間的有機(jī)硅高分子化合物，其主體材料為聚硅氧烷，此外還有阻燃劑、抗壓劑、增塑劑和著色劑等化學(xué)成分。聚硅氧烷的分子鏈由硅原子和氧原子交替組成，呈螺旋型結(jié)構(gòu)，在外力作用下，膠泥體積會(huì)縮小，并將部分壓縮能量轉(zhuǎn)換成彈性勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)外力作用消失后，在彈性力的驅(qū)動(dòng)下膠泥體積重新脹大。由于彈性膠泥具備可壓縮性和高彈性，因此是用作緩沖器的理想介質(zhì)。

1.2 彈性膠泥緩沖器工作原理

彈性膠泥緩沖器主要由活塞桿(包括活塞和單向閥)、缸筒、上下端蓋和導(dǎo)向套等組成，缸筒內(nèi)部(包括腔體Ⅰ、Ⅱ)全部充滿了膠泥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)緩沖器受到外部壓力時(shí)，活塞桿受壓向缸內(nèi)移動(dòng)，擠壓膠泥，腔體Ⅱ的膠泥通過(guò)活塞和缸筒之間的間隙流動(dòng)至腔體Ⅰ中，由于間隙較小，并且膠泥的黏度非常大，因此，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的黏滯阻尼力。與此同時(shí)，活塞桿的侵入會(huì)使得缸體內(nèi)部的體積變小，因此膠泥體積也會(huì)變小，產(chǎn)生一定的壓縮量，膠泥體積變小產(chǎn)生彈性力。當(dāng)外力消失時(shí)，被壓縮的彈性膠泥膨脹，驅(qū)動(dòng)活塞桿回彈，在這個(gè)過(guò)程中，腔體Ⅰ中的膠泥通過(guò)活塞上的單向閥快速進(jìn)入腔體Ⅱ中，由于單向閥的通徑較大，不會(huì)產(chǎn)生很大的阻尼力，因此，活塞桿會(huì)快速回復(fù)到原位。彈性膠泥緩沖器就是借助于壓縮彈性膠泥來(lái)緩和沖擊作用力，同時(shí)通過(guò)在膠泥變形過(guò)程中產(chǎn)生的阻尼吸收沖擊能量。

2 彈性膠泥緩沖器剛度特性

由彈性膠泥緩沖器的工作原理可知，其既有阻尼的特性，又有彈性特性，通過(guò)阻尼消耗碰撞時(shí)的能量，當(dāng)外力消失時(shí)，又能夠自復(fù)位。因此，可以將緩沖器理解為一個(gè)變剛度彈性元件和一個(gè)阻尼力隨速度變化的阻尼元件的并聯(lián)模型(開爾文模型)。

設(shè)FK為彈性元件的彈性回復(fù)力，F(xiàn)C為阻尼元件的阻尼力，則緩沖器總的受力F為：

F=FK+FC.

(1)

本文的研究對(duì)象是緩沖器的剛度特性，因此，僅對(duì)彈性力進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)于剛度基本恒定的彈簧，其彈性力等于剛度k與位移x的乘積，即：

FK=k·x.

(2)

但對(duì)于彈性膠泥緩沖器而言，其剛度不是一個(gè)恒定值，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的剛度，因此不能簡(jiǎn)單地套用彈簧的彈性力計(jì)算公式。

由于彈性膠泥結(jié)構(gòu)的特殊性，其具備一定的體積壓縮性，在體積受到外部壓力而變小的情況下，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與外力方向相反的彈性回復(fù)力,因此，緩沖器彈性力主要是由膠泥的體積壓縮產(chǎn)生的。當(dāng)膠泥緩沖器活塞桿進(jìn)入缸筒內(nèi)時(shí)，缸筒內(nèi)體積減小，膠泥被壓縮產(chǎn)生壓強(qiáng)pδ，則膠泥作用在活塞桿端面產(chǎn)生彈性回復(fù)力，其大小為：

(3)

其中：s為活塞桿端面面積；d為活塞桿直徑。

膠泥體積壓縮率δ與壓強(qiáng)pδ是存在一定函數(shù)關(guān)系的，即：

pδ=f(δ).

(4)

為了使得膠泥緩沖器具有足夠大的彈性力，并且能夠迅速回彈，活塞桿需要有個(gè)初始回復(fù)力，即缸筒中的膠泥需要有預(yù)壓縮。設(shè)膠泥的預(yù)壓縮率為δ0，則緩沖器受壓縮時(shí)，膠泥體積總壓縮率等于預(yù)壓縮率加上實(shí)時(shí)壓縮率，即：

(5)

其中：V為缸筒內(nèi)膠泥初始體積；x為活塞桿行程。

由式(3)～式(5)可得到彈性回復(fù)力為：

(6)

因此，彈性膠泥緩沖器的剛度特性表現(xiàn)為膠泥體積壓縮率δ與壓強(qiáng)pδ的關(guān)系。要計(jì)算出彈性力，必須推導(dǎo)出pδ=f(δ)的具體關(guān)系式。由于膠泥是一種高分子材料，其壓縮性能與壓強(qiáng)的關(guān)系通過(guò)理論計(jì)算很難得出，因此，只能通過(guò)試驗(yàn)的方法推導(dǎo)出兩者的關(guān)系。

3 膠泥壓縮率與壓強(qiáng)的關(guān)系試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為了測(cè)試膠泥的彈性壓縮性能，設(shè)計(jì)了一套膠泥體積壓縮性測(cè)試工裝，由活塞桿、筒體、上下端蓋、排氣螺釘和密封件等部分組成，如圖2所示。

圖2 膠泥體積壓縮性測(cè)試工裝

該測(cè)試工裝內(nèi)部為空腔，可以儲(chǔ)存膠泥，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，先準(zhǔn)確測(cè)量?jī)?nèi)部空腔的體積V0，然后灌滿膠泥，鎖緊螺蓋，待多余的膠泥從排氣螺釘處溢出后擰緊排氣螺釘，記錄活塞桿的初始位置。在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以1 mm/s的速度施加載荷，同時(shí)測(cè)量并記錄活塞桿的位移x與壓縮力Fs。

由內(nèi)部空腔的初始體積V、活塞桿位移x和活塞桿直徑d可以等效計(jì)算出膠泥體積壓縮率δ：

(7)

由活塞桿的直徑d和壓縮力Fs可以得到內(nèi)部膠泥的壓強(qiáng)p：

(8)

根據(jù)公式(7)和公式(8)，位移x與壓縮力Fs的關(guān)系可以轉(zhuǎn)化為膠泥體積壓縮率δ與壓強(qiáng)p的關(guān)系。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)彈性膠泥按照3.1所述試驗(yàn)方法和步驟進(jìn)行試驗(yàn)，記錄活塞桿位移與壓縮力的數(shù)值，并通過(guò)公式(7)和公式(8)轉(zhuǎn)化為膠泥壓縮率δ和壓強(qiáng)p，并擬合出膠泥體積壓縮率和壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 彈性膠泥體積壓縮率與壓強(qiáng)關(guān)的系曲線

從圖3中可以看出：彈性膠泥壓強(qiáng)建立初始階段無(wú)死區(qū)，且彈性膠泥的壓強(qiáng)是隨著體積壓縮率的增加而變大的，但是二者的變化并不是類似彈簧的線性變化，因此要得到兩者的關(guān)系式，需要對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算。

4 緩沖器彈性力計(jì)算

根據(jù)試驗(yàn)得到的膠泥體積壓縮率與壓強(qiáng)的關(guān)系曲線，可以利用多項(xiàng)式擬合的方法得到函數(shù)關(guān)系式，為了盡量還原測(cè)試結(jié)果，我們采用4次多項(xiàng)式擬合，其表達(dá)式為：

pδ=f(δ)=A0δ4+A1δ3+A2δ2+A3δ+A4.

(9)

其中：A0～A4為4次多項(xiàng)式擬合的擬合系數(shù)。

對(duì)圖3中膠泥的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，得到以下結(jié)果：

pδ=f(δ)=

0.002 3δ4-0.027δ3+1.31δ2+9.62δ-1.765.

(10)

由式(6)和式(10)可得彈性力大小為：

(11)

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證公式(11)的正確性，我們選取某型號(hào)緩沖器進(jìn)行驗(yàn)算。將預(yù)壓縮率δ0=4.5%、初始體積V=2.2 L、活塞桿直徑d=54 mm代入公式(11)中，計(jì)算出緩沖器在任意行程下的彈性力，并在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上以1 mm/s的速度對(duì)緩沖器進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，測(cè)試其在任意行程下的彈性力。得到的緩沖器活塞桿位移與彈性力曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，理論計(jì)算與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果具有一致性，但兩者之間也存在區(qū)別，這主要是因?yàn)椋?/p>

圖4 緩沖器活塞桿位移與彈性力曲線

(1) 在緩沖器的靜壓試驗(yàn)中，雖然速度較慢，但是仍然存在一定的阻尼力，影響了最終的測(cè)試結(jié)果。

(2) 靜壓試驗(yàn)起步階段，壓縮力從0開始到初始預(yù)壓力有個(gè)很短的建立過(guò)程，這個(gè)也是正常的。實(shí)際情況不可能與理論計(jì)算完全一樣，起步就是初始預(yù)壓力。

6 結(jié)論

通過(guò)本文的分析可以看出，由于彈性膠泥材料的特殊性能，當(dāng)其體積壓縮時(shí)，會(huì)對(duì)外產(chǎn)生彈性力，因此體現(xiàn)出了彈性膠泥緩沖器的剛度特性。緩沖器的彈性力大小是由彈性膠泥的體積壓縮率決定的，但是兩者并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，本文通過(guò)試驗(yàn)得出了兩者的關(guān)系曲線，通過(guò)曲線進(jìn)行擬合，推導(dǎo)出了彈性力與體積壓縮率的計(jì)算關(guān)系式。利用該公式對(duì)某型號(hào)的緩沖器進(jìn)行了驗(yàn)算，彈性力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試較為一致，說(shuō)明該計(jì)算公式可以作為緩沖器剛度特性研究的理論依據(jù)。