周元輝，戴謀軍，于海航，廖學(xué)官，黃 興，院 磊

(1.湖南聯(lián)誠軌道裝備有限公司，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車組等。緩沖器可以吸收車輛之間的沖擊和振動，從而減輕對車體結(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，其以獨特的優(yōu)勢在市場上占據(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，膠泥體積會縮小，并將部分壓縮能量轉(zhuǎn)換成彈性勢能儲存起來，當(dāng)外力作用消失后，在彈性力的驅(qū)動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，活塞桿受壓向缸內(nèi)移動，擠壓膠泥，腔體Ⅱ的膠泥通過活塞和缸筒之間的間隙流動至腔體Ⅰ中，由于間隙較小，并且膠泥的黏度非常大，因此，在這個過程中會產(chǎn)生很大的黏滯阻尼力。與此同時，活塞桿的侵入會使得缸體內(nèi)部的體積變小，因此膠泥體積也會變小，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，被壓縮的彈性膠泥膨脹，驅(qū)動活塞桿回彈，在這個過程中，腔體Ⅰ中的膠泥通過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，不會產(chǎn)生很大的阻尼力，因此，活塞桿會快速回復(fù)到原位。彈性膠泥緩沖器就是借助于壓縮彈性膠泥來緩和沖擊作用力，同時通過在膠泥變形過程中產(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，通過阻尼消耗碰撞時的能量，當(dāng)外力消失時，又能夠自復(fù)位。因此，可以將緩沖器理解為一個變剛度彈性元件和一個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)

本文的研究對象是緩沖器的剛度特性，因此，僅對彈性力進(jìn)行分析計算。對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)

但對于彈性膠泥緩沖器而言，其剛度不是一個恒定值，是一個動態(tài)的剛度，因此不能簡單地套用彈簧的彈性力計算公式。

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)部會產(chǎn)生一個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，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，膠泥體積總壓縮率等于預(yù)壓縮率加上實時壓縮率，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)系通過理論計算很難得出，因此，只能通過試驗的方法推導(dǎo)出兩者的關(guān)系。

3 膠泥壓縮率與壓強(qiáng)的關(guān)系試驗

3.1 試驗方案

為了測試膠泥的彈性壓縮性能，設(shè)計了一套膠泥體積壓縮性測試工裝，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 膠泥體積壓縮性測試工裝

該測試工裝內(nèi)部為空腔，可以儲存膠泥，進(jìn)行試驗時，先準(zhǔn)確測量內(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。在電子萬能試驗機(jī)上以1 mm/s的速度施加載荷，同時測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 試驗結(jié)果

對彈性膠泥按照3.1所述試驗方法和步驟進(jìn)行試驗，記錄活塞桿位移與壓縮力的數(shù)值，并通過公式(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，需要對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計算。

4 緩沖器彈性力計算

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

pδ=f(δ)=A0δ4+A1δ3+A2δ2+A3δ+A4.

(9)

其中：A0～A4為4次多項式擬合的擬合系數(shù)。

對圖3中膠泥的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計算，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 試驗驗證

為了驗證公式(11)的正確性，我們選取某型號緩沖器進(jìn)行驗算。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，計算出緩沖器在任意行程下的彈性力，并在電子萬能試驗機(jī)上以1 mm/s的速度對緩沖器進(jìn)行靜壓試驗，測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，理論計算與實際測試的結(jié)果具有一致性，但兩者之間也存在區(qū)別，這主要是因為：

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，影響了最終的測試結(jié)果。

(2) 靜壓試驗起步階段，壓縮力從0開始到初始預(yù)壓力有個很短的建立過程，這個也是正常的。實際情況不可能與理論計算完全一樣，起步就是初始預(yù)壓力。

6 結(jié)論

通過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，會對外產(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，但是兩者并不是簡單的線性關(guān)系，本文通過試驗得出了兩者的關(guān)系曲線，通過曲線進(jìn)行擬合，推導(dǎo)出了彈性力與體積壓縮率的計算關(guān)系式。利用該公式對某型號的緩沖器進(jìn)行了驗算，彈性力的計算結(jié)果與實際測試較為一致，說明該計算公式可以作為緩沖器剛度特性研究的理論依據(jù)。