鐵路橡膠減振器

1、3.1 高速列車用橡膠減振器 隨著高速鐵路的快速發(fā)展，列車速度大幅度的提高，目前高速列車商業(yè)運營速度已從200 km/h提高到350km/h左右，未來將達到400 km/h以上。由于列車運行的高速化，運行中振動與噪音的不斷增大，將導致車輛動態(tài)性能和乘坐舒適性嚴重的惡化，加大了車輛的結構疲勞，并降低車輛的操縱穩(wěn)定性和運行安全可靠性等。為了解決大功率、高速運行帶來關鍵性技術問題，高速列車使用了大量各種橡膠-金屬復合制件用于牽引、驅動、連接、支承等部位，起到減振降噪功能，還起到柔性支承機車裝置自身的重量，即保持裝置在外力作用下相對位置，減少剛性連接與支撐帶來的疲勞損壞等功能。3.1.1 橡膠減振器的

2、減振原機理 橡膠是一種粘彈性材料。粘彈性材料具有獨特的應力-應變特性，使它在受力時儲存大量的能量，而在卸載時將其釋放出來；由于時間效應，卸載時的應力-應變曲線與加載曲線不重合，因而產(chǎn)生能量滯后損失。這就使得橡膠材料即有高分子彈性大變形又具有較大的內(nèi)阻尼特性，在發(fā)揮良好彈性作用的同時，又是很好的阻尼材料，這是橡膠金屬復合部件用于隔離振動和吸收沖擊能量的原理。 橡膠的減振原理的力學模型可簡化為單自由度線性阻尼-彈簧質量系統(tǒng)1，如圖 所示。圖 線性單自由度體系模型1如果系統(tǒng)質量為m、剛度為Kd、系統(tǒng)阻尼系數(shù)為C；則橡膠減振器構成的線性單自由度體系，當系統(tǒng)受Ze=Z0ejwt的簡諧支撐激振時，其運動方

3、程可表示為： (3-1)以代入上式可得： (3-2)為隨激振頻率的平方而變化的基振力幅值。求解方程式(3-2)可以得到系統(tǒng)的相對位移振幅： (3-3)同理可以得到系統(tǒng)減振傳遞率T為： (3-4)式中為外界激振力頻率，為系統(tǒng)固有頻率，為系統(tǒng)的阻尼比 ；系統(tǒng)的固有頻率為：rad/s，Hz；系統(tǒng)臨界阻尼：。以為參數(shù)，振動傳遞率T與頻率比的關系如圖 所示。圖 振動傳遞率與振動頻率比的關系從圖中可以看出，僅當時，系統(tǒng)的減振傳遞率小于1，即系統(tǒng)進入減振區(qū)；當時，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。在工程設計中，一般要求頻率比設在2.55之間。在減振區(qū)域，隨著阻尼比的減小，系統(tǒng)的減振效果越來越好；但阻尼比越小，系統(tǒng)共振時的共

4、振放大率越大，這對危害車輛操縱穩(wěn)定性，甚至由于共振變形過大導致車體結構災難性破壞。因此，理想的減振器應該是使系統(tǒng)的固有頻率低，并具有可變的阻尼特性，即在系統(tǒng)的共振區(qū)有較大的阻尼，使系統(tǒng)不會產(chǎn)生顯著的共振放大，而在減振區(qū)有較小的阻尼，使系統(tǒng)有良好的減振效果，提高系統(tǒng)的抗沖擊能力和操作穩(wěn)定性。3.1.2 橡膠-金屬復合減振器在高速機車應用的特性高速列車在運行過程中會受到來自輪軌間強烈的瞬時沖擊載荷，不僅會引起列車車輛的疲勞破壞，也會導致高速列車產(chǎn)生的強烈的共振。為衰減這些運行中產(chǎn)生的沖擊和振動，滿足車輛各種動力學性能，例如平穩(wěn)性指標、脫軌系數(shù)、輪重減載率、輪軌沖角等，在車輪對和車體構架間、轉向架和

5、車體之間以及其他各種關節(jié)間裝有橡膠減振器。相對于采用金屬彈簧，橡膠減振器具有如下優(yōu)點2：（1）橡膠減振器的彈性范圍大：橡膠彈性模量要比金屬小得多，其剪切彈性模量為0.53MPa(鋼約為80GPa) ，橡膠伸長率可以達到500%以上。（2）橡膠減振器的非線性剛度特性：非線性剛度特性是橡膠減振器的一個顯著特點。圖 表示一般橡膠減振器的剛度曲線，小變形情況下變形和載荷基本呈直線，有穩(wěn)定的剛度。隨著載荷的增加靜剛度急劇上升，位移增加很少，這種特性很符合車輛的動力學要求。在列車車輛正常運行時，沖擊載荷相對較小。相應產(chǎn)生恒定剛度實現(xiàn)平穩(wěn)行駛；當列車車輛突遇意外情況，產(chǎn)生強大沖擊載荷時，橡膠減振器能迅速產(chǎn)生

6、大的阻抗力，可防止因位移過大造成列車嚴重傾斜造成事故。圖 一般橡膠減振器靜剛度曲線 （3）橡膠減振器的多向剛度特性：車輛乘坐舒適性和高速運行，需要減弱或降低來自垂向、橫向和縱向三個方向的不同沖擊，這就需要滿足其垂向、橫向和縱向三個方向的動力學性能要求，橡膠減振器須具有多向剛度特性。一般情況下車輛縱向的沖擊較大，在通過彎道的時候會產(chǎn)生一定的橫向沖擊，而垂向的沖擊加速度相對較小，因此要求車輛用橡膠減振器的縱向剛度需要大于橫向剛度，而垂向剛度設置最小。對此，一般金屬零件很難滿足，而橡膠減振器可以通過結構設計、材料性能和生產(chǎn)工藝的調整等方面，比較容易實現(xiàn)這個目的。例如，圖 所示的彈性節(jié)點在橫向對稱去掉

7、一些橡膠材料就可以較容易的實現(xiàn)對稱結構下縱向剛度和橫向剛度的完全不等。圖 動車轉向架用彈性節(jié)點的結構示意圖圖 彈性節(jié)點縱徑向剛度曲線（4）橡膠減振器的阻尼和動靜剛度不一致特性：橡膠減振器具有適當?shù)淖枘?，有利于越過共振區(qū)，衰減和吸收高頻振動與噪聲。橡膠材料的阻尼作用直接與其動態(tài)力學松弛性質相關，依賴于其應變滯后應力現(xiàn)象。滯后現(xiàn)象使得橡膠的拉伸一回縮循環(huán)變化均需克服鏈段間的內(nèi)摩擦阻力而產(chǎn)生內(nèi)耗；同時橡膠在很窄的玻璃態(tài)轉變區(qū)域內(nèi)，其模量可以大幅度變化，產(chǎn)生足夠高的損耗因子。另外橡膠減振器動剛度和靜剛度的不同，有利于緩和沖擊；在低頻段時，橡膠減振器可以看成是一個由剛度和阻尼組成的集中參數(shù)元件，主要由橡

8、膠減振；而在高頻段時，橡膠減振器中金屬件的剛度將起主要作用。（5）橡膠可與金屬牢固粘合，可以獲得結構緊湊的減振裝置。（6）由于橡膠材料耐熱、耐寒、耐油、耐候等方面比金屬彈簧差，因此需注意橡膠減振器使用的環(huán)境條件，同時應充分注意橡膠材質的選擇。3.1.3 橡膠減振器使用材料橡膠材料的選擇，應根據(jù)橡膠減振器的工作條件和使用場所的不同，合理采用不同種類的橡膠，有效地發(fā)揮各種橡膠的特性，滿足減振器各種功能需要。當前橡膠減振器常用的橡膠材料如下3： （1）天然橡膠：人類最早發(fā)現(xiàn)的彈性體，具有優(yōu)異力學性能、易粘接性、疲勞強度以及加工性能等良好，具有低或中等的阻尼，可用于制造性能優(yōu)良的減振器。天然橡膠的對應

9、變的變化并不敏感，但天然橡膠的局限性在于其應用溫度范圍較窄，耐候性和耐油性較差，溫度超過100和陽光照射會迅速龜裂。 （2）氯丁橡膠：氯丁橡膠最初是作為天然橡膠的替代品使用的，與天然橡膠使用范圍相同，具有較好的耐候性，主要用于長期暴露在室外的場合，其缺點是應變及溫度變化很敏感。 （3）丁基橡膠：丁基橡膠的減振性能比較突出。耐熱老化性、耐候性優(yōu)于天然橡膠，但它的低溫性、粘接性較差，加工性能也不好。 （4）丁苯橡膠：與天然橡膠相比較，丁苯橡膠耐磨性好，而機械強度較差，由于加工工藝性差，多與天然橡膠并用，多用于軌道墊及一些緩沖橡膠元件。 （5）丁腈橡膠：丁腈橡膠具有優(yōu)良的耐油性，但與天然橡膠相比較，

10、力學性能略微差，但阻尼系數(shù)較大，耐熱空氣性能差，陽光直射照射迅速產(chǎn)生裂紋，通常用于制造接觸油類介質場合的減振器。3.1.4 橡膠減振器在列車車輛上的應用 橡膠減振器在機車的應用主要有以下幾個部位：（1）轉向架用橡膠減振器 安裝在轉向架軸箱或均衡梁和構架之間，也稱一系懸掛橡膠減振器。其 主要形式有橡膠關節(jié)、軸箱錐形橡膠彈簧、橡膠緩沖墊等。 橡膠關節(jié)由于結構緊湊，制造方便，易于裝配，且強度高，噪聲低、本身有軸承和密封作用，不需潤滑，可降低動載荷，用于轉向架各部件的連接，傳遞載荷，起到彈性節(jié)點的作用。橡膠節(jié)點可設計性好，形式多樣，可以使用工況選擇合適形式的橡膠節(jié)點。各種形式橡膠關節(jié)結構圖如下所示：

11、直筒式橡膠關節(jié) 凹型橡膠節(jié)點 凸球形橡膠關節(jié) 組合式橡膠關節(jié)圖 轉向架用各種類型橡膠關節(jié)的結構示意圖 軸箱錐形橡膠彈簧、橡膠墊主要用于彈性支撐大噸位部件，同時有效地隔離軌道振動傳遞到車體。這類產(chǎn)品垂向承載，要求其垂向的靜剛度值大。為了提高橡膠減振器垂向靜剛度，主要從兩個方式實現(xiàn)：一種通過多層設計改變橡膠減振器的形狀系數(shù)，增加橡膠約束面積，使橡膠自由變形困難，從而提高其剛度特性，如軸箱錐形橡膠彈簧；第二種是改變受力方式，橡膠近似為不可壓縮性材料，其抗壓能力強，采用垂向壓縮型的結構可提高垂向的剛度值，如橡膠墊。錐形橡膠彈簧和橡膠墊的結構圖如下：圖： 軸箱橡膠錐形彈簧結構示意圖圖： 橡膠墊結構示意圖

12、（2）車體與轉向架用橡膠減振器 連接車體與轉向架彈性連接元件，也稱為二系懸掛橡膠減振器，彈性地承擔車體的垂向載荷，并給車輛各軸以一定的重量分配，以使所分配的重量在車輪行經(jīng)不平線路時不發(fā)生顯著變化；同時緩解車垂向的有害振動，改善車輛的抗蛇行穩(wěn)定性。它的形式有各種各樣。根據(jù)連接部件的重量不同，橡膠減振器的結構也不同。一般連接重量較輕的部件采用柱型橡膠減振器，重量大的部件采用壓縮型的橡膠減振器如矩形橡膠堆、V型橡膠減振器等。常用的二系懸掛橡膠減振器如圖 所示。圖： 柱形橡膠減振器示意圖圖：動車組用V型橡膠減振器示意圖V型橡膠減振器的豎向方向的靜剛度不僅與橡膠材料力學性質有關，同時還與減振器的結構參數(shù)

13、、橡膠層的自由面的形狀的有關。橡膠材料的彈性模量影響減振器的靜剛度，在橡膠工業(yè)中，常常用橡膠的硬度來表示橡膠的彈性模量。研究表明4：V型橡膠減振器內(nèi)外骨架為金屬，彈性模量遠大于橡膠的彈性模量，因此V型橡膠減振器的靜剛度主要取決于橡膠材料的模量，而且該結構減振器的靜剛度隨著橡膠硬度的增大而增大，近似呈線性關系。V型橡膠減振器的靜剛度與結構參數(shù)中傾斜角度、橡膠層厚度以及形狀系數(shù)有關。調整傾斜角度、橡膠厚度可以改變V型減振器的靜剛度，并可以通過有限元分析技術得到傾斜角度、橡膠厚度和靜剛度的關系式。橡膠層自由面形狀不僅影響V型減振器的靜剛度特性，并影響橡膠層應力分布。合適的橡膠自由面形狀可以使減振器剛度滿足要求的同時，優(yōu)化橡膠層的應力分布，提高減振器的使用壽命。（3） 緩沖用橡膠減振器 車輛在行駛中，特別在載重情況下和路況較差時行駛，可能在垂直方向、行駛方向或橫向方向受到?jīng)_擊，為了避免車體與車架發(fā)生沖擊，采用橡膠緩沖制品起到緩沖、吸振作用，如向橡膠橫向緩沖器、車鉤緩沖橡膠件等。緩沖器具有吸收車輪對車體的沖擊力的作用，因此要求橡膠具有耐沖擊特性和負荷撓度特性。由于沖擊變形速度快，會顯示振動時的高頻率區(qū)域變化相同的狀態(tài)，因 此不適合使用耐寒性差的材料以及受溫度影響大的材料。作為材料來講，除 NR 類橡膠材料外，也可用發(fā)泡聚氨