低温对橡胶弹性元件传递率和固有频率的影响

彭立群， 林达文， 王叶青， 吴兴磊， 王 进

(1 株洲时代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲 412007；2 国家轨道交通高分子材料及制品质量监督检验中心(湖南)， 湖南株洲 412007)

传递率与固有频率是橡胶弹性元件减振效果评价的重要参数，也是车辆转向架防共振设计的技术参数。传递率是弹性元件位移响应幅值与激励幅值的无量纲比值，可以是载荷、位移、速度或加速度之比，其中弹性元件适用载荷或位移，阻尼器类产品适用于速度。在刚度满足要求的前提下，传递率越小，传递效果越好，吸振效果越好，传递率越大，越容易产生共振，减振效果越差，传递率峰值对应的频率是弹性元件的固有频率(共振频率)。在常温条件下固有频率是弹性元件本身固有特性，不受外界因素的干扰。但随着温度的变化，弹性元件的刚度和减振性能已发生变化，因此研究低温对弹性元件传递率和固有频率的影响具有重要的意义。

每一种弹性元件只能在一定的温度范围内呈现良好的弹性，温度过低，橡胶分子链冻结，完全失去弹性，弹性元件变硬、发脆。为此以某企业送检的某型转向架用6种橡胶弹性元件为研究对象，不仅设计一种受迫振动试验方案，还研究了不同低温对不同结构弹性元件传递和固有频率的影响，通过大量的试验和数据总结，从而掌握橡胶弹性元件传递率和固有频率随温度变化的规律，有利于设计人员根据其性能合理设置相关参数，为改善车辆的动力学性能提供理论依据。

1 弹性元件低温效应

弹性元件广泛应用于轨道交通领域，工作的环境温度范围较大，在高寒地区弹性元件的工作温度可达到-40 ℃。由于弹性元件具有材料非线性和几何非线性的特点，属于非线性弹性体，弹性模量随应变水平的不同而不同，环境温度对橡胶材料的力学性能影响，主要表现为随温度升高橡胶材料的割线模量不断减小，橡胶分子的流动性增加，在微观上呈现出不同的分子运动形式，在宏观上表现为玻璃态、橡胶态和黏流态，玻璃态和橡胶态之间称为玻璃化转变区。

图1 在高寒地区运行的动车组

2 转向架及弹性元件

橡胶弹性元件一般安装于轨道车辆转向架的一系悬挂和二系悬挂，起减振作用，见图2。为了掌握弹性元件传递率和固有频率的低温变化特性，分别从转向架一系悬挂和二系悬挂中选取不同结构的弹性元件进行试验。

1-一系悬挂；2-二系悬挂。图2 转向架结构

一系悬挂橡胶弹性元件：轴箱弹簧、转臂节点、橡胶关节，见图3。

图3 一系悬挂弹性元件

二系悬挂橡胶弹性元件：弹性旁承、弹性节点、橡胶弹簧，见图4。

图4 二系悬挂弹性元件

3 试 验

3.1 试验标准

橡胶弹性元件传递率和固用频率试验主要参照原铁道行业标准TB/T 2843-2015 《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》、南车企业标准Q/CSR 005-2005《机车车辆减振橡胶件》,GB/T 9870.1-2006《硫化橡胶或热塑性橡胶动态性能的测定》第1部分:通则，ISO 4664-1:2011《隔振器橡胶材料》，JIS K6386：1999《舰船用橡胶隔振器规范》，CB 1359-2002欧洲标准，BS EN 13913-2003 《铁路用橡胶弹性元件-基于弹性体的机械部件》、日本工业标准JIS E 4710-1995《铁道机车车辆橡胶隔振器通则》，具体试验按《橡胶弹性元件动态性能试验大纲》执行。

3.2 试验方案

传递率与固有频率是通过对弹性元件施加不同激励幅值、不同频率的扫描动态试验获取，按测试方式分自由振动试验和受迫振动试验2种，其中自由振动试验包括锤击试验和液压振动试验2种。

锤击试验：锤击试验是自由振试验中最常用的方式，由锤、传感器、工装、试样、紧固螺栓、平台组成，见图5。利用锤击施加冲击载荷，通过温度传感器测试衰减系数得出弹性元件的固有频率和传递率。由于锤击法所施加的载荷较小，只适用于工作载荷较小的弹性元件，不适用车辆转向架用大载荷的弹性元件试验。

1-锤；2-传感器；3-工装；4-试样；5-紧固螺栓；6-试验平台。图5 锤击试验

液压振动试验：主要由响应位移传感器、机架、质量块、导柱、响应载荷传感器、气室、平台、底座、激励油缸、激励位移传感器、激励载荷传感器组成。振动台最大特点同时具备下置激励和上置响应两套载荷和位移测试系统。通过计算上置响应值与下置激励值得出传递率。试验时在弹性元件上端安装有相同载荷的质量块，模拟车体和载重产生的载荷，通过油缸从下向上施加动态载荷，模拟轮轨间因冲击产生的载荷对弹性元件进行动态性能试验。相比锤击试验，液压振台试验载荷大、频率高，更适用于弹性元件的动态性能试验，但这种液压振动试验在试验过程中需安装与激振载荷相同的质量块，试验安装、操作不便，见图5。

1-响应位移传感器；2-机架；3-质量块；4-导柱；5-响应载荷传感器；6-气室；7-平台；8-底座；9-激励油缸；10-激励位移传感器；11-激励载荷传感器。图6 液压振动试验

受迫振动试验：又称共振法试验，试验装置由动横梁、锁紧油缸、立柱、激励油缸、载荷传感器、升举油缸、弹性元件、平台、位移传感器组成。相比自由振动台，试验时通过机架刚度连接来代替质量块，弹性元件直接于试验平台，激励油缸、载荷和位移传感器均上置，激励载荷是通过机架刚度传递于弹性元件，由于弹性元件的滞后效应，响应的载荷不在是原有的激励载荷，同时在不同频率下橡胶的滞后性能又一样，通过计算两者比值得出不同频率下的传递率。这种方式结构简单，适用于大载荷、小变形弹性元件传递率试验。

1-动横梁；2-锁紧油缸；3-立柱；4-激励油缸；5-载荷传感器；6-升举油缸；7-弹性元件；8-平台；9-位移传感器。图7 受迫振动试验

3.3 测试过程

温度调节：试验前先将弹性元件分别在23 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃停放72 h，待产品充分冷冻后再进行试验。

安装加载：试验需选用专用试验工装，试验工装具有足够的强度，且安装在试验机加载中心位置。取出弹性元件后立即安装，采用受迫振动法进行扫频动态试验，获得频率与传递率曲线。

4 结果与讨论

4.1 轴箱弹簧

4.1.1试验方法

将冷冻后的轴箱弹簧安装于动态试验机加载平台，径向预加载30 kN，振幅±1 mm， 频率(2～30) Hz，每种频率工况循环30次，记录频率与传递率试验数据。

4.1.2试验数据(见图8及表1)

图8 不同温度下频率与传递率曲线

温度/℃传递率/%固有频率/Hz23.00 6.68 3.00 0.00 4.92 3.00 -20.00 2.70 3.50 -40.00 1.80 5.00

4.1.3结果分析

随着温度降低，传递率峰值6.68下降到1.8，对应的固有频率由3 Hz增加到5 Hz，同时无论是常温还是低温，传递率首先随频率增加至最大值，然后又变小、最后趋于稳定。评价传递率对减振效果的影响，首先是弹性元件刚度合格，工作频率区间与共振频率区间不相同，从图8可以得知，曲线峰值从右偏移且下降，这表明该弹性元件刚度变大，同时共振区间也开始右移，虽然传率变小，但承载性能变差，产生共振的风险递变高。

在常温23 ℃和低温0 ℃时，由于刚度变化较小，曲线变化趋势整体一致，共振频率区间为2～4 Hz，高频段传递小于低频段，因此该结构弹性元件高频减振效果优于低频率区，(见图9)。

图9 温度与传递率、固有频率曲线

4.2 转臂节点

4.2.1试验方法

将冷冻后的转臂节点安装于动态试验机加载平台，径向预加载110 kN，振幅±0.5 mm， 频率2～30 Hz，每种频率工况循环30次，记录频率与传递率试验数据。

4.2.2试验数据(见图10及表2)

图10 不同温度下频率与传递率曲线

温度/℃传递率/%固有频率/Hz23.00 10.02 15.12 0.00 8.52 16.12 -20.00 7.23 16.23 -40.00 5.62 17.22

4.2.3结果分析

随着温度降低，传递率峰值10.02下降到5.62，对应的固有频率由15.12 Hz增加到17.22 Hz，传递率随频率变化与橡胶堆基本一致，峰值向右偏移较小，这表明该结构弹性元件刚度受温度影响不明显。

在常温23 ℃和低温0 ℃时，曲线变化趋势整体一致，共振频率区间为12～18 Hz，高频段传递小于低频段，因此该结构弹性元件高频减振效果优于低频率区。

图11 温度与传递率、固有频率曲线

4.3 橡胶关节

4.3.1试验方法

将冷冻后的橡胶关节安装于动态试验机加载平台，径向预加载10 kN，振幅±1 mm， 频率2～30 Hz，每种频率工况循环30次，记录频率与传递率试验数据。

4.3.2试验数据(见图12及表3)

4.3.3结果分析

随着温度降低，传递率峰值7.7%下降到6.5%，对应的固有频率由18 Hz增加到19 Hz，传递率峰值向右偏移较小，这表明该结构弹性元件刚度受温度影响不明显。

在常温23 ℃和低温0 ℃时，曲线变化趋势整体一致，共振频率区间为18～20 Hz，高频段传递小于低频段，因此该结构弹性元件高频减振效果优于低频率区，(见图13)。

图12 不同温度下频率与传递率曲线

温度/℃传递率/%固有频率/Hz23.00 7.70 18.00 0.00 7.60 18.00 -20.00 7.40 19.00 -40.00 6.50 19.00

图13 温度与传递率、固有频率曲线

4.4 橡胶弹簧

4.4.1试验方法

将冷冻后的橡胶弹簧安装于动态试验机加载平台，径向预加载140 kN，振幅±0.5 mm， 频率2～30 Hz，每种频率工况循环30次，记录频率与传递率试验数据。

4.4.2试验数据(见图14及表4)

4.4.3结果分析

随着温度降低，传递率峰值14.02下降到2.34，对应的固有频率由6 Hz增加到8 Hz，传递率峰值在23 ℃、0 ℃、-20 ℃时基本未变，在-40 ℃时开始右移，这表明该结构弹性元件刚度在-40 ℃时变化最为明显。

在常温23 ℃、0 ℃、-20 ℃时，曲线变化趋势整体一致，共振频率区间为5～7 Hz，高频段传递小于低频段，因此该结构弹性元件高频减振效果优于低频率区，(见图15)。

图14 不同温度下频率与传递率曲线

温度/℃传递率/%固有频率/Hz23.00 14.02 6.00 0.00 7.67 6.00 -20.00 6.14 6.00 -40.00 2.34 8.00

图15 温度与传递率、固有频率曲线

4.5 弹性旁承

4.5.1试验方法

将冷冻后的弹性旁承安装于动态试验机加载平台，径向预加载20 kN，振幅±1 mm， 频率2～30 Hz，每种频率工况循环30次，记录频率与传递率试验数据。

4.5.2试验数据(见图16及表5)

图16 不同温度下频率与传递率曲线

温度/℃传递率/%固有频率/Hz23.00 5.04 7.06 0.00 4.95 7.56 -20.00 3.94 8.02 -40.00 2.75 8.22

4.5.3结果分析

随着温度降低，传递率峰值5.04下降到2.75，对应的固有频率由7.06 Hz增加到8.22 Hz，传递率峰值向右移偏移。

在常温23 ℃时，共振频率区间为6～8 Hz，高频段传递小于低频段，因此该结构弹性元件高频减振效果优于低频率区，(见图17)。

图17 温度与传递率、固有频率曲线

4.6 弹性节点

4.6.1试验方法

将冷冻后的弹性节点安装于动态试验机加载平台，径向预加载15 kN，振幅±1 mm， 频率2～30 Hz，每种频率工况循环30次，记录频率与传递率试验数据。

4.6.2试验数据(见图18及表6)

图18 不同温度下频率与传递率曲线

温度/℃传递率/%固有频率/Hz23.00 5.60 24.00 0.00 4.65 28.00 -20.00 2.84 30.00 -40.00 1.63 33.00

4.6.3结果分析

随着温度降低，传递率峰值5.6下降到1.63，对应的固有频率由24 Hz增加到33 Hz，传递率峰值向右移偏移较大。

在常温23 ℃时，共振频率区间为25～28 Hz，高频段传递小于低频段，因此该结构弹性元件高频减振效果优于低频率区，(见图19)。

图19 温度与传递率、固有频率曲线

5 结束语

(1)温度对传递率的影响：随着温度降低，弹性元件传递率峰值向右偏移且变小，峰值对应的的固有频率及共振区变大，导致高频区共振的风险越大。

(2)弹性元件在刚度性能满足承载要求且在非共振频率区，传递率越小减振效果越好，高频率区减振效果优于低频率区。