李艷嬌 華鵬

摘 要：對城鐵車輛空壓機吊裝結(jié)構(gòu)所應(yīng)用的橡膠減振器隨溫度變化的振動試驗測試，以及對橡膠減振器材料參數(shù)低溫性能的研究，探討和分析了城鐵車輛空壓機吊裝結(jié)構(gòu)低溫下橡膠減振器的動態(tài)特性，為城鐵車輛空壓機吊裝結(jié)構(gòu)減振特性正向設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：城鐵車輛；橡膠減振器；低溫動態(tài)特性

1.前言

2013年9月26日，我國第一條高寒地鐵哈爾濱一號線開通試運營，2017年6月30日長春地鐵一號線開通試運營，隨著高寒地區(qū)城鐵車需求量的增加，有必要對運營在低溫環(huán)境下城鐵車進(jìn)行研究。吊裝在車下的空氣壓縮機是引起城鐵車輛振動的主要振源之一，通常通過安裝橡膠減振器減振。高寒地區(qū)的冬天降溫幅度大時橡膠有超彈態(tài)變?yōu)椴ＡB(tài)，橡膠減振器的動剛度增大，減振效果變?nèi)酰鸪氰F車車體的異常振動，影響乘坐舒適性，本文通過城鐵車在環(huán)境室開啟空壓機，調(diào)控溫度的變化來分析橡膠減振器的動態(tài)特性隨溫度的變化情況，研究空壓機減振結(jié)構(gòu)在不同溫度下的動態(tài)特性，為低溫下空壓機引起的整車異常振動查找原因，為整車車輛的正向設(shè)計提供參考。

2.低溫條件下橡膠減振器材料參數(shù)的確定

2.1橡膠減振器的幾何非線性

橡膠減振器工作過程中，盡管應(yīng)變不大，但是其位移和形狀變化較大，屬于幾何非線性問題，其動力學(xué)方程為：

（1）

式中：[M] 為橡膠減振器的質(zhì)量矩陣；[C] 為橡膠減振器的阻尼矩陣；[K]0 為切線動剛度矩陣，表示模態(tài)與動載荷增量間的關(guān)系；[K]σ 為初始動應(yīng)力剛度矩陣，表示初始動應(yīng)力對結(jié)構(gòu)動剛度的影響；[K]L 為模態(tài)中大幅值動剛度矩陣，表示模態(tài)中大的振型值對結(jié)構(gòu)動剛度的影響；{δq（t+△t）} 為節(jié)點坐標(biāo)的增量矢量；{F（t+△t）} 為體積載荷矢量；{T+（t+△t）} 為面積載荷矢量；{P（t+△t）} 為動應(yīng)力在節(jié)點上的等價合力矢量。

2.2橡膠減振器的材料非線性

橡膠減振器的材料是一種各項同性且體積不可變的超彈性材料，由于城鐵車的空壓機吊裝結(jié)構(gòu)所安裝的橡膠減振器在振動過程中的變形小于100%，選用Mooney-Rivlin模型模擬橡膠材料是較為合適的。Mooney-Rivlin模型的應(yīng)變能表達(dá)式：

（2）

（3）

（4）

式中：C01 和C10 為超彈性材料的參數(shù)； 和 為應(yīng)變常量；λ1 、λ2 和λ3 為拉伸方向x、y和z的伸長量；Jel 為彈性體積比。

2.3不同低溫條件下橡膠減振器的材料參數(shù)

橡膠減振器由橡膠材料和尼龍材料共同組成，橡膠材料的超彈性參數(shù)C01 和C10 可通過經(jīng)驗公式推導(dǎo)如下：

； ； （5）

式中：G為橡膠材料的剪切模量；E為橡膠材料的彈性模量；γ 通常取0.47；

表1 橡膠材料在不同溫度時的剪切模量

溫度（℃） -10 -20 -30 -40

剪切模量（MPa） 1.2 1.5 2 2.5

通過計算，得到橡膠材料的超彈性參數(shù)如表2所示。

表2 橡膠材料在不同溫度時的超彈性參數(shù)

溫度（℃） -10 -20 -30 -40

C01 4.7 5.88 7.84 9.8

C10 1.20 1.47 1.96 2.45

表3 不同溫度下尼龍材料的彈性模量

溫度（℃） -10 -20 -30 -40

彈性模量（MPa） 2662 3137 3632 4090

3.環(huán)境室內(nèi)空壓機橡膠減振器動態(tài)性能的低溫試驗的試驗工況

3.1試驗測點布置

振動傳感器分別從空壓機表面（測點1）、減振器上下位置（測點2和3）、空壓機吊梁（測點4）、底架下表面（測點5）、車內(nèi)地板上表面（測點6）沿振動傳遞路徑進(jìn)行布置，共6個測點。

3.2環(huán)境室中試驗溫度的調(diào)控

開啟空壓機，試驗從40℃開始，每降10℃測試一次，直至零下60℃結(jié)束。

3.3車輛試驗工況

車輛靜止，空壓機單獨啟動，每次連續(xù)工作60s時間，測試3次。

3.4測點振動評定參數(shù)

車輛在靜止?fàn)顟B(tài)下，單獨啟動空壓機，使其正常工作60s，分析各個測點在內(nèi)1000Hz范圍內(nèi)的振動加速度值。

3.5測試結(jié)果分析

滯環(huán)面積即為材料振動一周損耗的能量，OABCO所圍的面積為最大彈性儲能，通過測量遲滯回線包圍的面積，對材料的阻尼耗能做出定量分析。公式（6）和公式（7）分別為儲能剛度和耗能剛度計算公式。

（6）

（7）

式中：τ 為遲滯時間，k 為動剛度， ω為固有頻率。

在能量耗散時遵循如下規(guī)律：ω→∞，X→k （控制振幅），

（吸能頻帶）。因此形成一個特定的吸能頻帶，頻帶位置由遲滯時間τ 的倒數(shù)確定。損耗因子為耗能剛度與儲能剛度之比。

4.結(jié)論

橡膠減振器隨著溫度的降低，由超彈態(tài)變?yōu)椴ＡB(tài)，減振效果降低，從而引起車體的異常振動?？梢酝ㄟ^改變橡膠的材料成分，形成抗低溫復(fù)合材料橡膠，達(dá)到減振能力強，緩沖效果好，噪聲小的目的。提高橡膠減振器在低溫環(huán)境下的減振性能，增強了減振效果，提高了乘坐舒適性，提升了城鐵車輛在高寒地區(qū)運營的平穩(wěn)性，實現(xiàn)了在車輛研發(fā)過程中對空壓機吊裝結(jié)構(gòu)減振方式的正向設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

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[2]湯普森.鐵路噪聲與振動：機理，模型和控制方法[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，2013.

[3]吳昌林，張衛(wèi)國，姜柳林.機械設(shè)計（第3版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011.

作者簡介：

李艷嬌（1991年-），女，漢族，吉林省長春市人，吉林大學(xué)碩士研究生，中車長春軌道客車股份有限公司 國家工程研究中心，工程師。