一种橡胶液体复合转臂节点低温性能试验研究

丁行武， 程海涛， 相运成， 卜继玲， 李 由， 王 涛

(1 株洲时代新材料科技股份有限公司， 湖南株洲 412007；2 中车长春轨道客车股份有限公司， 长春 130062；3 BOGE ELASTMETALL GmbH, Bonn, Germany 53175)

橡胶液体复合减振弹性元件动态特性具有随着激励振幅和激励频率变化而变化的特性[1]，同时它能够在较宽频率范围内提供大阻尼[2]。上述优点使得橡胶液体复合减振技术在汽车领域，特别是在高端乘用车上得到了广泛的应用。相关理论计算和性能研究工作也得到了深入的开展，并取得了一系列成果[3-4]。然而，橡胶液体复合减振技术在轨道交通领域仍处于探索阶段，工程应用业绩还非常有限。但近年来，部分轨道交通科技工作者已经对该类技术在轨道车辆上的应用重视起来[5-6]。

纯橡胶或者金属橡胶减振弹性元件广泛应用于轨道交通领域，比如安装于轨道车辆一系悬挂的的轴箱弹簧、转臂节点和橡胶关节等[7]。它们的工作环境温度变化较大，在高寒地区工作温度可低至-40 ℃[8]，而在少部分极寒地区温度甚至可低至-50 ℃。为了评估轨道车辆的运行稳定性和乘坐舒适度，必须对车辆转向架上的橡胶弹性元件的低温刚度特性进行准确判断，对转臂节点等常规产品的常温、低温状态下的刚度变化率进行有限控制。而对于橡胶液体复合转臂节点，还需要分析低温状态下液体的物理属性变化情况，以及研究橡胶液体复合转臂节点低温后刚度的恢复性。这些都是在进行橡胶液体复合减振产品耐候性设计前期必须要考虑的内容，也为橡胶液体复合减振技术在轨道交通领域的工程化应用形成数据积累和奠定理论基础。

1 橡胶液体复合转臂节点工作原理

选取文献[6]提到的变刚度转臂节点为具体研究对象，该转臂节点是一种应用于转向架轴箱定位系统的新型的橡胶液体复合转臂节点，其结构型式如图1所示。

图1 橡胶液体复合转臂节点概念结构[6]

它主要由橡胶主弹簧、橡胶辅弹簧和内部液压阻尼机构组成。其中，液压阻尼机构包括两个沿径向对称布置且完全一样的液压腔和链接两液压腔的阻尼流道。由于轨道车辆目前主要是对车辆行驶方向的转臂节点刚度存在变刚度要求，故此处径向表示平行于轨道车辆行驶方向的方向。

该结构型式的特点在于当轨道车辆实际运行过程中承受径向激励时能够提供大于橡胶体本身弹性支撑作用的附加动态刚度，且该附加动态刚度与激励振幅和激励频率存在很强的相关性。此时，橡胶液体复合转臂节点的动态刚度可以表述为式(1)

K=Ky+Kr

(1)

上式表明橡胶液体复合转臂节点的径向动态刚度由两部分组成，其中Ky表示液压阻尼机构提供的附件动态刚度，Kr为橡胶体本身提供的刚度。Kr取决于橡胶材料本身的弹性特性。Ky除了与激励工况有关外，还取决于液体材料本身的物理属性。

2 低温影响因素分析

橡胶液体复合转臂节点主要由金属、橡胶和液体介质3种材料组成。考虑物理性能的稳定性，液体介质目前选用广泛应用于汽车领域液压减振件中的乙二醇混合溶液。显然，节点低温性能的变化主要是因为低温下橡胶材料和液体介质材料物理属性发生变化所引起。

橡胶材料属于非线性弹性材料，环境温度的改变对其力学性能的影响显著。图2反映出当橡胶材料从玻璃相迁移到橡胶相的过渡阶段，橡胶材料力学特性变化非常大。这是因为低温状态下橡胶分子热运动会减弱，当温度低于橡胶的玻璃化温度后，高分子链段的运动会被冻结，橡胶逐渐失去弹性，刚度显著增大且变得很脆[9]。文献[11]指出硫化橡胶经低温的多次作用后，其力学性能会发生变化，橡胶表面产生微细裂纹，导致其使用寿命有所缩短。

图2 某橡胶材料性能随温度变化[10]

环境温度对液压阻尼机构所提供的附加动刚度的影响主要是通过影响液体介质的黏性来实现的。液体介质黏性的改变对液体通过阻尼流道在两个液压腔之间往复运动所产生的沿程压力损失和局部压力损失会造成很大的影响，而压力损失的大小直接影响着附加动刚度的大小。

乙二醇混合溶液的黏度取决于分子间的作用力，当温度降低时分子间的距离缩小，内聚力增加。图3为用于橡胶液体复合转臂节点的某配比下乙二醇混合溶液的黏温特性曲线，在ZY-64自动黏度仪上测得。可以看出该乙二醇混合溶液的黏度随温度的降低而不断增加，且随着温度的进一步降低黏度的增加幅度越来越大。

综上所述，在进行橡胶液体复合转臂节点低温性能设计时必须充分考虑橡胶材料和液体介质的温变特性。

图3 乙二醇混合溶液黏温特性

3 低温试验设计

由于国内外关于橡胶材料本身的低温性能研究已经取得了相当的成果，且关于乙二醇混合溶液的黏温特性也已经形成了基本的共识，这里主要针对橡胶液体复合转臂节点样件整体所体现出来的低温性能进行分析与研究。

3.1 试验样件准备

图4所示为按照图1所示概念结构试制的试验样件。考虑到对比测试的需要，特制作了注满液体样件P1和未注液体样件P2。

图4 橡胶液体复合转臂节点试验样件

3.2 试验方案

试验的目的是研究低温状态下橡胶液体复合转臂节点径向(即图1所示结构的垂直向上方向)静动态性能的变化情况，特制定了如表1所列试验计划。静动态性能测试和温度环境要求均参照铁道行业标准TB/T 2843-2015《机车车辆用橡胶弹性元件通用技术条件》执行。试验设备包括低温试验箱，静态刚度试验机和动态刚度试验机。

表1 低温试验计划

低温试验步骤：

(1)刚度测试：将准备好的样件首先完成径向静、动态刚度测试；

(2)试样温度调节：将完成径向静、动态刚度测试的P1、P2试样放置于低温试验箱，温度为-45 ℃，放置时间为24 h；

(3)试验完成时间：试样从环境箱取出后即刻(30 min 内)按照相同的方法完成径向静、动态刚度测试；

(4)刚度变化率计算方法：假定试样低温试验前刚度为K，低温试验后的刚度为KL，则刚度变化率为式(2)

BL=(︱KL-K︱/K)×100%

(2)

4 低温性能评估

4.1 样件低温静态性能分析

图5为样件从低温箱取出后即刻进行的静态刚度测试。基于两个温度点23℃和-45℃对比测试了橡胶液体复合转臂节点的低温变化情况，具体如图6所示。图6所示数据可以看出低温前后产品载荷上升区间的线性刚度比较接近，但力-位移滞回曲线的包络面积变化较大，说明低温后产品的迟滞效应增强。

图5 低温静态刚度测试

从前述分析数据可知，液体在23 ℃和-45 ℃两种温度环境下黏度发生了很大的变化。而黏度是决定橡胶液体复合转臂节点静动态性能的核心因素。因此，需要对比测试未注液体样件的低温性能，具体如图7所示。

未注液体样件结构上类同传统金属橡胶件。图7所示数据说明，未注液体样件低温前后线性静态刚度和力-位移滞回曲线的包络面积均发生了一定程度的变化。其中，静态刚度(计算区间:6～12 kN)变大了约10%，这主要是由于低温状态下橡胶分子热运动减弱，橡胶变脆造成静态刚度增大所致。对比图6和图7数据可知，注满液体样件和未注液体样件的力-位移滞回曲线低温后均变得更为饱满。这是因为低温状态下橡胶弹性特性变弱和液体黏度增大均会造成样件回弹性减弱，样件响应输出与激励输入之间的迟滞效果变得更为明显。

图6 注满液体样件低温前后力-位移关系

图7 未注液体样件低温前后力-位移关系

4.2 低温动态性能分析

动态刚度测试频率范围为0～10 Hz，单个频率下稳定循环次数为10次，激励振幅为±1 mm。试验现场如图8所示。

图8 低温动态刚度测试

图9为注满液体样件P1和未注液体样件P2低温前后动态刚度的对比情况。分析图中数据可以得出如下几点结论：(1)低温前后未注液体样件的动态刚度几乎一致，仅在较低频率下存在一定差异；这说明该低温状态下橡胶材料的微观物性变化尚未对未注液体样件的动态刚度造成太大的影响。同时，动态测试环境下，橡胶层之间的内摩擦所产生的热量也能够使橡胶层的弹性变形能力得到些许恢复。由于没有液体的附加阻尼作用，未注液体样件动态刚度仅取决于橡胶弹性体本身的动态响应，其动静刚度比符合传统金属橡胶件动静刚度比大约处于1.3～1.8范围内的普遍规律。(2)低温前后注满液体样件的动态刚度在整个测试频率段均存在较大差异；即低温状态下样件动态刚度的提升效果不明显。根据图3所示信息，我们知道低温下液体黏度明显增大，此时液体流动性减弱，因液体流动所形成的两个对称布置的液压腔之间的压力差会变小，从而液压阻尼机构所提供的附件动态刚度效应亦减弱，故低温下注满液体样件的动态刚度下降明显。(3)注满液体样件与未注液体样件相比，其整体动态刚度要大很多；这是因为样件在承受径向挤压作用时，不管液体物理属性如何变化均会在一定程度上阻止橡胶体的弹性变形，给予液压腔橡胶面一个动态反力，从而形成了附件动态刚度。

为了进一步说明上述试验现象的合理性以及论证橡胶液体复合转臂节点在更高频率下的低温特性，这里选取了第2件P1样件进行了追加试验，试验条件同上，测试频率为0～25 Hz，具体结果如图10所示。

图9 两种样件低温动态性能对比

由图10所示数据可知，低频状态下(f≦1 Hz)，由于液体具有充分的反应时间，所以即使液体黏度变大仍能够提供一定的附加动刚度，此时低温前后样件的动刚度较为接近；但在高频状态下，液体流动的反应时间很短，加上液体黏度变大流动性减弱，造成液体在液压腔内部出现“卡顿”，造成附加动态效应不明显。结合图9和图10可知，该类橡胶液体复合转臂节点在较宽频率范围内均表现出在低温状态下出现动刚度大幅下降的变化特性，且在高频下表现更为明显。

图10 注满液体样件低温动态性能对比

4.3 低温动态性能恢复性分析

轨道车辆实际运行过程是一个从高温到低温不断交替的过程。当轨道车辆从低温环境回到常温运行环境或者低温下长期持续运行时，我们需要知道橡胶液体复合转臂节点的动态性能最终会恢复到怎么的水平。

设定动态性能试验条件：测试频率3 Hz，测试振幅为±1 mm，持续不间断测试，直到动态刚度恢复到与常温下相当的水平。

常温下注满液体样件动态刚度-频率关系曲线同图9中P1低温前试验曲线，其中3 Hz测试频率下刚度数据为17.8 kN/mm。

图11 低温箱取出后持续动刚度-时间曲线

图11数据表明样件从低温箱取出后经过持续测试，3 Hz频率下动态刚度随着测试时间的延长慢慢的恢复到了常温下的水平。试验数据表明，持续测试38 min后，样件动态刚度从12.3 kN/mm恢复到了17.4 kN/mm，与常温下的动态刚度偏差仅为2.2%。其他测试频率点下均存在类似情况。

显然，连续循环测试后环境温度的影响和自身内摩擦所产生的热量均会使样件温度逐渐恢复，橡胶本身的弹性亦会逐渐恢复。现在就需要弄清楚所用液体介质经过低温工况后黏性特性是否也能够恢复到常温下的水平。为此，对低温测试之后的P1样件进行放液取样，对比检测低温试验前后的液体黏度，具体测试数据如表2所示。数据表明，低温后样件的液体黏度同样也恢复到了常温下的水平，前后测试偏差为2.5%。

表2 低温工况前后液体黏度对比

如此说明低温状态下橡胶液体复合转臂节点动态刚度下降只是暂时的，随着环境温度的回升或者产品持续工作一定时间后，产品的动态刚度会自然的恢复到常温下的水平。

5 结 论

(1)橡胶液体复合转臂节点作为一种新型的应用于轨道车辆转向架的减振弹性元件，其低温性能受橡胶材料和液体介质的温变特性的影响较大。

(2)对于橡胶液体复合转臂节点而言，当其未注液体时，其低温静动态性能与传统橡胶转臂节点类似。同时，未注液体样件和注满液体样件低温状态下的响应迟滞效果较低温前明显。

(3)由于液体黏度变大，液压腔之间的压力差降低，低温状态下橡胶液体复合转臂节点的动态刚度明显降低。但随着样件温度的回升，动态刚度会逐渐恢复到常温下的水平。