一种变刚度转臂节点设计及试验研究

2019-01-29JosefGross卜继玲丁行武

铁道机车车辆 2018年6期

邹波， Josef Gross，王涛，卜继玲，丁行武

(1 株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲 412007；2 博戈橡胶有限公司, 波思 53175 德国)

随着人们节能环保意识的增强和对轨道车辆的运行平顺性、舒适度和稳定性要求的提高，下一代城市轨道车辆，比如市域快速列车、地铁和轻轨等，其轴箱定位系统拟采用新型径向变刚度控制装置——液体橡胶复合转臂节点，依托其刚度调节能力和阻尼耗能效应实现提高轨道车辆直线段高频振动下的稳定性和低速过弯道能力。液体橡胶复合减振技术在汽车领域已经得到了广泛而成熟的研究与应用[1-2]，其在高端乘用车上所表现出来的强大生命力和技术优势引起了我们广大轨道车辆工程技术人员的关注。21世纪初，Gedenk[3]和赵熙雍[4]等人初步论述了金属橡胶液体复合弹簧在轨道车辆一系悬挂上的发展和应用现状。近年，李志强[5]在此基础上进一步介绍了金属橡胶液体复合弹簧的工作原理和技术特征，并分析了轨道车辆应用金属橡胶液体复合弹簧应注意的问题。除此之外，国内外关于轨道车辆用液体橡胶复合减振技术的文献资料甚少，而有关该技术在轴箱转臂节点上的研究和应用鲜见报道。文中旨在采用多层非等直径圆筒橡胶配合液压机构来实现径向变刚度转臂节点的创新设计，并通过试验手段来验证设计的合理性，从而最终为液体橡胶复合技术在轨道车辆转向架上的研究与应用开辟思路。

1 设计原理

对于螺旋弹簧顶置[6]的转向架轴箱转臂节点在车辆的实际运行工况中主要承受纵向载荷和横向载荷的作用。为了提高车辆在直线段高速运行的稳定性和低速时过弯道的能力，要求转臂节点能够在承受纵向载荷时具有低速较低刚度和高速较高刚度的变刚度特性。

选取某型地铁列车用传统橡胶转臂节点技术参数作为设计输入条件，旨在设计出一款采用液体和橡胶复合技术的新型转臂节点，使其在特定激励频率下实现样件纵向刚度达到3倍以上的提升效果，具体参数见表1。

表1 新型液体橡胶复合转臂节点技术条件

新结构弹性支撑部分将采用橡胶主簧和橡胶辅簧组装而成，其中两个橡胶辅簧呈对称布置。在橡胶主簧内设计有特殊的液压机构，包括两个完全一样的液压腔和链接两液压腔的流道。设计新型液体橡胶复合转臂节点结构如图1所示。

图1 液体橡胶复合转臂节点结构原理图

正是由于图1中的液压机构的作用才使得该节点在承受动态激励时可以获得指定频率工况下动态刚度的提升。图1中的液压机构可以简化为图2所示的理论模型。

如图2所示的液压机构，当工作面承受较高频率位移载荷x(t)时，第1液室内的流体受挤压，流体来不及响应，不能快速流入第2液室，使得第1液室内部产生高压p1(t)，与第2液室内的流体形成压力差。此时，基座所承受载荷为：

F(t)=A(p1(t)-p2(t))

(1)

上式中，A为液压腔活塞面积。

(2)

K(t)即为液压机构提供的附加动刚度。K(t)是一个频率相关性函数，当激励频率较低时，液室内的流体能够充分流动，两液室之间的压力差很小，此时K(t)很小。

由此可知，液体橡胶复合转臂节点的纵向动态刚度主要由两部分组成，即：

图2 液压机构工作原理

K′(t)=K(t)+Kr

(3)

Kr为弹性支撑部分提供的刚度，即节点的纵向静态刚度。

2 结构设计

2.1 橡胶主簧结构设计

液体橡胶复合转臂节点作为机车车辆轴箱系统的定位元件，在水平方向要求具有不同的刚度，故在水平方向采用切开设计。同时，利用水平方向的切口空隙设计成液压腔。橡胶层在垂直方向内嵌有金属隔片用以提高垂向刚度，这样该橡胶主簧在承受径向力时，两个橡胶层起串联作用。

最终，橡胶主簧可简化成图3所示的两层圆筒形橡胶套。图中Di,1,Di,2分别为第i层橡胶套的内、外直径；本结构i=2；L为橡胶套压入后的宽度；2α为圆轴中心切口角。

图3 橡胶主簧结构简图

依据多层圆筒形橡胶套径向串联的关系，可推导求得橡胶主簧的径向刚度为[7]：

kry=G(1+δ)2·

(4)

其中

(5)

上式中，δ为橡胶层挤压率，G为橡胶剪切模数。

分析图1所示结构可知，该节点径向载荷主要由橡胶主簧承担，即节点整体径向刚度主要由橡胶主簧的径向刚度提供。以表1中给出的纵向静态刚度3 kN/mm为设计目标，最终设计出橡胶主簧结构参数如表2所示。

表2 橡胶主簧结构参数

橡胶主簧采用55°胶料，在考虑橡胶预压缩对剪切模数的影响的基础上将表2所列结构参数代入式(4)和式(5)，可计算得到：

kry=3.22 kN/mm

(6)

2.2 辅簧结构设计

该节点橡胶辅簧呈对称布置，主要用来承受横向载荷，可简化成图4所示的环形断面橡胶堆[7]，具体设计参数为：

r1,r2分别为橡胶环的内、外半径(mm)；h为每层橡胶的厚度；n为橡胶层数(辅簧橡胶层数为2)；

可计算得到单个橡胶辅簧的承载面积AC为[7]：

(7)

橡胶辅簧的承载面积Af为：

Af=2πh(r1+r2)

(8)

则面积比S为：

(9)

故环形断面橡胶堆的垂向刚度为：

(10)

上式中，垂向形状系数μ1=1.2(1+1.65S2)；E为橡胶杨氏弹性模数。

以表1中给出的横向静态刚度6 kN/mm为设计目标，最终设计出橡胶辅簧结构参数如表3所示。

说明：本题显性目的是考查“相等向量”，隐性目的是提高分析问题解决问题的能力和分类讨论思想的感悟.本题的解题过程是学生探究的过程.

图4 橡胶辅簧结构简图

项点r1 r2 h数值/mm9680112

橡胶辅簧采用45°胶料，将表3所列结构参数代入式(11)，可计算得到：

kz=5.95 kN/mm

(11)

3 静态性能试验

新型液体橡胶复合转臂节点的静态力学性能试验选在300 kN静态刚度试验机上完成。该试验机在如表4所示加载条件下的校准示值相对误差和重复性误差均符合标准JJG 475-2008。图5、图6分别为节点样件实物图和静态刚度测试现场图。

图5 新型液体橡胶复合转臂节点实物图

在静态刚度试验机上分别测量纵向和横向静态刚度，加载条件见表4，连续测量3个循环，取第3个循环的力-位移曲线的线性上升区间计算样件的刚度值，最终得到如图7、图8所示的力-位移曲线。

图6 样件静态刚度测试

项点加载速度/(mm·s-1)最大加载力/kN纵向静态刚度218横向静态刚度215

图7 纵向静态刚度力-位移曲线

取图7所示力-位移曲线线性上升区间数值可计算得到纵向静态刚度为：

(12)

图8 横向静态刚度力-位移曲线

取图8所示力-位移曲线线性上升区间数值可计算得到横向静态刚度为6.02 kN/mm。

上述节点样件静态刚度试验结果与理论计算值非常接近，说明了橡胶主簧和辅簧的结构设计方法的可行性。

4 动态试验研究

4.1 流道设计

由第1部分所述液体橡胶复合转臂节点设计原理可知，该节点在指定频率点实现动态刚度提升的根本原因在于合理的流道设计。流道设计的核心就是确定合理的流道长度l和横截面积A，具体结构如图9所示。

图9 流道结构

A=b×h

(13)

为了实现表1所述在3 Hz频率点实现纵向刚度提升到22 kN/mm左右，根据设计经验初步给出l0=3 m，h0=2.5 mm，b0=2.5 mm。一般来说，较低频率范围下流道长度越长其动态刚度提升效果会越明显，故设计了长度分别为0.9l0、l0、1.1l0的3种流道。

4.2 力-位移关系试验验证

试验机台：MTS 500 kN动刚度试验机，校准结果显示该试验机在试验力0～500 kN范围内的示值相对误差和重复性误差符合标准JJG 556-2011；加载频率：3 Hz；加载振幅： Δx±1 mm；循环次数：30次。计录稳定循环后的力-位移曲线和纵向动态刚度。

图10 3种流道力-位移曲线对比，3 Hz，±1 mm

图10为3种流道测试得到的样件力-位移滞回曲线。由图可见，流道3所示力-位移滞回曲线相对更为饱满。这说明当节点承受纵向挤压后，由于流道的阻尼作用使得其中一个液压腔产生内部高压，此液压腔内部的液体需要花费较长的时间从高压腔流向低压腔。因此，流道3对该节点纵向刚度的提升效果会更加明显。

k=ΔF/Δx

(14)

图10中ΔF表示力-位移滞回曲线上力的极大值和极小值之差，Δx表示力-位移滞回曲线上位移的极大值和极小值之差。

依据式(15)可计算得到3种流道对应的样件整体纵向动态刚度分别为：17.76 kN/mm，19.48 kN/mm，21.23 kN/mm，理论设计误差分别为19.3%，11.5%，3.5%。因此，最终选取第3种流道结构进行液体橡胶复合轴箱节点试制，并测试节点动态特性的频率相关性。

4.3 频率相关性试验验证

此新型液体橡胶复合转臂节点的创新性主要体现在指定频率下实现纵向刚度的明显提升，实现低频低刚度和高频高刚度的变刚度特性。

图11为节点样件的纵向动态刚度测试现场，

图11 样件纵向动态刚度测试

图12 纵向动刚度随频率变化曲线

图12为该节点样件从0 Hz到10 Hz范围内扫频测试得到的动刚度-频率曲线，可以看出当测试频率较低时(f≤0.5 Hz)，样件动态刚度比较接近静态刚度。随着测试频率的递增，样件动态刚度不断增大，当f=3 Hz时，动态刚度值为21.19 kN/mm。之后，动态刚度会随着测试频率的增大进一步增加，最后逐渐趋于平稳。整条测试曲线充分说明了所研制的新型液体橡胶复合转臂节点实现了低频低刚度和高频高刚度的变刚度设计要求。

目前，该类结构产品的流道设计主要依靠技术人员的经验来完成，动态特性研究仍处于试验阶段，理论计算和试验对比将是后续重点工作内容。