丁行武， 程海濤， 相運成， 卜繼玲， 李 由， 王 濤

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

橡膠液體復合減振彈性元件動態(tài)特性具有隨著激勵振幅和激勵頻率變化而變化的特性[1]，同時它能夠在較寬頻率范圍內(nèi)提供大阻尼[2]。上述優(yōu)點使得橡膠液體復合減振技術(shù)在汽車領(lǐng)域，特別是在高端乘用車上得到了廣泛的應用。相關(guān)理論計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，橡膠液體復合減振技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域仍處于探索階段，工程應用業(yè)績還非常有限。但近年來，部分軌道交通科技工作者已經(jīng)對該類技術(shù)在軌道車輛上的應用重視起來[5-6]。

純橡膠或者金屬橡膠減振彈性元件廣泛應用于軌道交通領(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 ℃。為了評估軌道車輛的運行穩(wěn)定性和乘坐舒適度，必須對車輛轉(zhuǎn)向架上的橡膠彈性元件的低溫剛度特性進行準確判斷，對轉(zhuǎn)臂節(jié)點等常規(guī)產(chǎn)品的常溫、低溫狀態(tài)下的剛度變化率進行有限控制。而對于橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點，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合轉(zhuǎn)臂節(jié)點低溫后剛度的恢復性。這些都是在進行橡膠液體復合減振產(chǎn)品耐候性設(shè)計前期必須要考慮的內(nèi)容，也為橡膠液體復合減振技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的工程化應用形成數(shù)據(jù)積累和奠定理論基礎(chǔ)。

1 橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點工作原理

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

圖1 橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點概念結(jié)構(gòu)[6]

它主要由橡膠主彈簧、橡膠輔彈簧和內(nèi)部液壓阻尼機構(gòu)組成。其中，液壓阻尼機構(gòu)包括兩個沿徑向?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車輛行駛方向的轉(zhuǎn)臂節(jié)點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)型式的特點在于當軌道車輛實際運行過程中承受徑向激勵時能夠提供大于橡膠體本身彈性支撐作用的附加動態(tài)剛度，且該附加動態(tài)剛度與激勵振幅和激勵頻率存在很強的相關(guān)性。此時，橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點的動態(tài)剛度可以表述為式(1)

K=Ky+Kr

(1)

上式表明橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點的徑向動態(tài)剛度由兩部分組成，其中Ky表示液壓阻尼機構(gòu)提供的附件動態(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

橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點主要由金屬、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)點低溫性能的變化主要是因為低溫下橡膠材料和液體介質(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)境溫度的改變對其力學性能的影響顯著。圖2反映出當橡膠材料從玻璃相遷移到橡膠相的過渡階段，橡膠材料力學特性變化非常大。這是因為低溫狀態(tài)下橡膠分子熱運動會減弱，當溫度低于橡膠的玻璃化溫度后，高分子鏈段的運動會被凍結(jié)，橡膠逐漸失去彈性，剛度顯著增大且變得很脆[9]。文獻[11]指出硫化橡膠經(jīng)低溫的多次作用后，其力學性能會發(fā)生變化，橡膠表面產(chǎn)生微細裂紋，導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)境溫度對液壓阻尼機構(gòu)所提供的附加動剛度的影響主要是通過影響液體介質(zhì)的黏性來實現(xiàn)的。液體介質(zhì)黏性的改變對液體通過阻尼流道在兩個液壓腔之間往復運動所產(chǎn)生的沿程壓力損失和局部壓力損失會造成很大的影響，而壓力損失的大小直接影響著附加動剛度的大小。

乙二醇混合溶液的黏度取決于分子間的作用力，當溫度降低時分子間的距離縮小，內(nèi)聚力增加。圖3為用于橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點的某配比下乙二醇混合溶液的黏溫特性曲線，在ZY-64自動黏度儀上測得?？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，且隨著溫度的進一步降低黏度的增加幅度越來越大。

綜上所述，在進行橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點低溫性能設(shè)計時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 低溫試驗設(shè)計

由于國內(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?shù)某晒?，且關(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，這里主要針對橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點樣件整體所體現(xiàn)出來的低溫性能進行分析與研究。

3.1 試驗樣件準備

圖4所示為按照圖1所示概念結(jié)構(gòu)試制的試驗樣件?？紤]到對比測試的需要，特制作了注滿液體樣件P1和未注液體樣件P2。

圖4 橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點試驗樣件

3.2 試驗方案

試驗的目的是研究低溫狀態(tài)下橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點徑向(即圖1所示結(jié)構(gòu)的垂直向上方向)靜動態(tài)性能的變化情況，特制定了如表1所列試驗計劃。靜動態(tài)性能測試和溫度環(huán)境要求均參照鐵道行業(yè)標準TB/T 2843-2015《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》執(zhí)行。試驗設(shè)備包括低溫試驗箱，靜態(tài)剛度試驗機和動態(tài)剛度試驗機。

表1 低溫試驗計劃

低溫試驗步驟：

(1)剛度測試：將準備好的樣件首先完成徑向靜、動態(tài)剛度測試；

(2)試樣溫度調(diào)節(jié)：將完成徑向靜、動態(tài)剛度測試的P1、P2試樣放置于低溫試驗箱，溫度為-45 ℃，放置時間為24 h；

(3)試驗完成時間：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、動態(tài)剛度測試；

(4)剛度變化率計算方法：假定試樣低溫試驗前剛度為K，低溫試驗后的剛度為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行的靜態(tài)剛度測試?；趦蓚€溫度點23℃和-45℃對比測試了橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點的低溫變化情況，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，說明低溫后產(chǎn)品的遲滯效應增強。

圖5 低溫靜態(tài)剛度測試

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合轉(zhuǎn)臂節(jié)點靜動態(tài)性能的核心因素。因此，需要對比測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)下橡膠分子熱運動減弱，橡膠變脆造成靜態(tài)剛度增大所致。對比圖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。這是因為低溫狀態(tài)下橡膠彈性特性變?nèi)鹾鸵后w黏度增大均會造成樣件回彈性減弱，樣件響應輸出與激勵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 低溫動態(tài)性能分析

動態(tài)剛度測試頻率范圍為0～10 Hz，單個頻率下穩(wěn)定循環(huán)次數(shù)為10次，激勵振幅為±1 mm。試驗現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 低溫動態(tài)剛度測試

圖9為注滿液體樣件P1和未注液體樣件P2低溫前后動態(tài)剛度的對比情況。分析圖中數(shù)據(jù)可以得出如下幾點結(jié)論：(1)低溫前后未注液體樣件的動態(tài)剛度幾乎一致，僅在較低頻率下存在一定差異；這說明該低溫狀態(tài)下橡膠材料的微觀物性變化尚未對未注液體樣件的動態(tài)剛度造成太大的影響。同時，動態(tài)測試環(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。由于沒有液體的附加阻尼作用，未注液體樣件動態(tài)剛度僅取決于橡膠彈性體本身的動態(tài)響應，其動靜剛度比符合傳統(tǒng)金屬橡膠件動靜剛度比大約處于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態(tài)剛度在整個測試頻率段均存在較大差異；即低溫狀態(tài)下樣件動態(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，此時液體流動性減弱，因液體流動所形成的兩個對稱布置的液壓腔之間的壓力差會變小，從而液壓阻尼機構(gòu)所提供的附件動態(tài)剛度效應亦減弱，故低溫下注滿液體樣件的動態(tài)剛度下降明顯。(3)注滿液體樣件與未注液體樣件相比，其整體動態(tài)剛度要大很多；這是因為樣件在承受徑向擠壓作用時，不管液體物理屬性如何變化均會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動態(tài)反力，從而形成了附件動態(tài)剛度。

為了進一步說明上述試驗現(xiàn)象的合理性以及論證橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點在更高頻率下的低溫特性，這里選取了第2件P1樣件進行了追加試驗，試驗條件同上，測試頻率為0～25 Hz，具體結(jié)果如圖10所示。

圖9 兩種樣件低溫動態(tài)性能對比

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時間，所以即使液體黏度變大仍能夠提供一定的附加動剛度，此時低溫前后樣件的動剛度較為接近；但在高頻狀態(tài)下，液體流動的反應時間很短，加上液體黏度變大流動性減弱，造成液體在液壓腔內(nèi)部出現(xiàn)“卡頓”，造成附加動態(tài)效應不明顯。結(jié)合圖9和圖10可知，該類橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點在較寬頻率范圍內(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態(tài)性能對比

4.3 低溫動態(tài)性能恢復性分析

軌道車輛實際運行過程是一個從高溫到低溫不斷交替的過程。當軌道車輛從低溫環(huán)境回到常溫運行環(huán)境或者低溫下長期持續(xù)運行時，我們需要知道橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點的動態(tài)性能最終會恢復到怎么的水平。

設(shè)定動態(tài)性能試驗條件：測試頻率3 Hz，測試振幅為±1 mm，持續(xù)不間斷測試，直到動態(tài)剛度恢復到與常溫下相當?shù)乃健?/p>

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

圖11 低溫箱取出后持續(xù)動剛度-時間曲線

圖11數(shù)據(jù)表明樣件從低溫箱取出后經(jīng)過持續(xù)測試，3 Hz頻率下動態(tài)剛度隨著測試時間的延長慢慢的恢復到了常溫下的水平。試驗數(shù)據(jù)表明，持續(xù)測試38 min后，樣件動態(tài)剛度從12.3 kN/mm恢復到了17.4 kN/mm，與常溫下的動態(tài)剛度偏差僅為2.2%。其他測試頻率點下均存在類似情況。

顯然，連續(xù)循環(huán)測試后環(huán)境溫度的影響和自身內(nèi)摩擦所產(chǎn)生的熱量均會使樣件溫度逐漸恢復，橡膠本身的彈性亦會逐漸恢復。現(xiàn)在就需要弄清楚所用液體介質(zhì)經(jīng)過低溫工況后黏性特性是否也能夠恢復到常溫下的水平。為此，對低溫測試之后的P1樣件進行放液取樣，對比檢測低溫試驗前后的液體黏度，具體測試數(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到了常溫下的水平，前后測試偏差為2.5%。

表2 低溫工況前后液體黏度對比

如此說明低溫狀態(tài)下橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點動態(tài)剛度下降只是暫時的，隨著環(huán)境溫度的回升或者產(chǎn)品持續(xù)工作一定時間后，產(chǎn)品的動態(tài)剛度會自然的恢復到常溫下的水平。

5 結(jié) 論

(1)橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點作為一種新型的應用于軌道車輛轉(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)對于橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點而言，當其未注液體時，其低溫靜動態(tài)性能與傳統(tǒng)橡膠轉(zhuǎn)臂節(jié)點類似。同時，未注液體樣件和注滿液體樣件低溫狀態(tài)下的響應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)下橡膠液體復合轉(zhuǎn)臂節(jié)點的動態(tài)剛度明顯降低。但隨著樣件溫度的回升，動態(tài)剛度會逐漸恢復到常溫下的水平。