铁路橡胶减振器gnfm.docx

3.1 高速列列车用橡橡胶减振振器随着高速速铁路的的快速发发展，列列车速度度大幅度度的提高，目目前高速速列车商商业运营营速度已已从2000 kkm/hh提高到到3500km/h左右右，未来来将达到到4000 kmm/h以以上。由由于列车车运行的的高速化化，运行行中振动动与噪音音的不断断增大，将将导致车车辆动态态性能和和乘坐舒舒适性严严重的恶恶化，加加大了车辆的的结构疲疲劳，并并降低车车辆的操操纵稳定定性和运运行安全全可靠性性等。为为了解决决大功率率、高速速运行带带来关键键性技术术问题，高速列车使用了大量各种橡胶-金属复合制件用于牵引、驱动、连接、支承等部位，起到减振降噪功能，还起到柔性支承机车装置自身的重量，即保持装置在外力作用下相对位置，减少刚性连接与支撑带来的疲劳损坏等功能。3.1.1橡胶胶减振器器的减振振原机理橡胶是一一种粘弹弹性材料料。粘弹弹性材料料具有独特特的应力-应变特特性，使它在在受力时时储存大大量的能能量，而而在卸载载时将其其释放出出来；由于于时间效效应，卸卸载时的的应力-应变曲曲线与加加载曲线线不重合合，因而而产生能能量滞后后损失。这这就使得得橡胶材材料即有有高分子子弹性大大变形又又具有较大大的内阻阻尼特性性，在发挥挥良好弹弹性作用用的同时时，又是是很好的的阻尼材材料，这这是橡胶胶金属复复合部件件用于隔隔离振动动和吸收收冲击能能量的原原理。 橡胶的减减振原理理的力学学模型可可简化为为单自由由度线性性阻尼-弹簧质质量系统统1，如图图所示。图 线线性单自自由度体体系模型型1如果系统统质量为为m、刚刚度为KKd、系统统阻尼系系数为CC；则橡胶减减振器构构成的线线性单自自由度体体系，当当系统受受Ze=Z0ejwtt的简谐谐支撑激激振时，其其运动方方程可表表示为： (33-1)以代入上上式可得得：(3-22)为随激振振频率的的平方而而变化的的基振力力幅值。求求解方程程式(3-2)可以得得到系统统的相对对位移振振幅： (3-3)同理可以以得到系系统减振振传递率率T为： (33-4)式中为外外界激振振力频率率，为系系统固有有频率，为系统的阻尼比；系统的固固有频率率为：rrad/s，HHz；系统临界界阻尼：。以为参数数，振动动传递率率T与频频率比的的关系如如图所示示。图 振振动传递递率与振振动频率率比的关关系从图中可可以看出出，仅当当时，系系统的减减振传递递率小于于1，即即系统进进入减振振区；当当时，系系统处于于共振状状态。在在工程设设计中，一一般要求求频率比比设在22.55之间间。在减减振区域域，随着着阻尼比比的减小小，系统统的减振振效果越越来越好好；但阻阻尼比越越小，系系统共振振时的共共振放大大率越大大，这对对危害车车辆操纵纵稳定性性，甚至至由于共共振变形形过大导导致车体体结构灾灾难性破破坏。因因此，理理想的减减振器应应该是使使系统的的固有频频率低，并具有可变的阻尼特性，即在系统的共振区有较大的阻尼，使系统不会产生显著的共振放大，而在减振区有较小的阻尼，使系统有良好的减振效果，提高系统的抗冲击能力和操作稳定性。3.1.2橡胶胶-金属属复合减减振器在在高速机机车应用用的特性性高速列车车在运行行过程中中会受到到来自轮轮轨间强强烈的瞬瞬时冲击击载荷，不不仅会引引起列车车车辆的的疲劳破破坏，也也会导致致高速列车车产生的强强烈的共共振。为为衰减这这些运行行中产生生的冲击击和振动动，满足足车辆各各种动力力学性能能，例如如平稳性性指标、脱脱轨系数数、轮重重减载率率、轮轨轨冲角等等，在车车轮对和和车体构架架间、转转向架和和车体之之间以及及其他各各种关节节间装有有橡胶减减振器。相对于于采用金属属弹簧，橡橡胶减振振器具有有如下优优点22：（1）橡橡胶减振振器的弹弹性范围围大：橡胶弹性性模量要要比金属属小得多多，其剪切切弹性模模量为00.53MPPa(钢钢约为880GPPa)，橡胶伸伸长率可可以达到到5000%以上上。（2）橡橡胶减振振器的非非线性刚刚度特性性：非线性性刚度特特性是橡橡胶减振振器的一一个显著著特点。图图表示一一般橡胶胶减振器器的刚度度曲线，小变形情况下变形和载荷基本呈直线，有稳定的刚度。随着载荷的增加静刚度急剧上升，位移增加很少，这种特性很符合车辆的动力学要求。在列车车辆正常运行时，冲击载荷相对较小。相应产生恒定刚度实现平稳行驶；当列车车辆突遇意外情况，产生强大冲击载荷时，橡胶减振器能迅速产生大的阻抗力，可防止因位移过大造成列车严重倾斜造成事故。图 一一般橡胶胶减振器器静刚度度曲线 （3）橡橡胶减振振器的多多向刚度度特性：车辆乘乘坐舒适适性和高高速运行行，需要要减弱或或降低来自自垂向、横横向和纵纵向三个方向向的不同同冲击，这就需要满足其垂向、横向和纵向三个方向的动力学性能要求，橡胶减振器须具有多向刚度特性。一般情况下车辆纵向的冲击较大，在通过弯道的时候会产生一定的横向冲击，而垂向的冲击加速度相对较小，因此要求车辆用橡胶减振器的纵向刚度需要大于横向刚度，而垂向刚度设置最小。对此，一般金属零件很难满足，而橡胶减振器可以通过结构设计、材料性能和生产工艺的调整等方面，比较容易实现这个目的。例如，图所示的弹弹性节点点在横向向对称去去掉一些些橡胶材材料就可可以较容容易的实实现对称称结构下下纵向刚刚度和横横向刚度度的完全全不等。图 动动车转向向架用弹弹性节点点的结构构示意图图 弹弹性节点点纵径向向刚度曲曲线（4）橡橡胶减振振器的阻阻尼和动动静刚度度不一致致特性：橡橡胶减振振器具有有适当的的阻尼，有有利于越越过共振振区，衰衰减和吸吸收高频频振动与与噪声。橡橡胶材料料的阻尼尼作用直直接与其其动态力力学松弛弛性质相相关，依依赖于其其应变滞滞后应力力现象。滞滞后现象象使得橡橡胶的拉拉伸一回回缩循环环变化均均需克服服链段间间的内摩摩擦阻力力而产生生内耗；同时橡橡胶在很很窄的玻玻璃态转转变区域域内，其其模量可可以大幅幅度变化化，产生生足够高高的损耗耗因子。另另外橡胶胶减振器器动刚度度和静刚刚度的不不同，有有利于缓缓和冲击击；在低低频段时时，橡胶胶减振器器可以看看成是一一个由刚刚度和阻阻尼组成成的集中中参数元元件，主主要由橡橡胶减振振；而在在高频段段时，橡橡胶减振振器中金金属件的的刚度将将起主要要作用。（5）橡橡胶可与与金属牢牢固粘合合，可以以获得结结构紧凑凑的减振振装置。（6）由由于橡胶胶材料耐耐热、耐耐寒、耐耐油、耐耐候等方方面比金金属弹簧簧差，因因此需注注意橡胶胶减振器器使用的的环境条条件，同同时应充充分注意意橡胶材材质的选选择。3.1.3 橡橡胶减振振器使用用材料橡胶材料料的选择择，应根根据橡胶胶减振器器的工作作条件和和使用场场所的不不同，合合理采用用不同种种类的橡橡胶，有有效地发发挥各种种橡胶的的特性，满满足减振振器各种种功能需需要。当前橡胶胶减振器器常用的的橡胶材材料如下下3：（1）天天然橡胶胶：人类最最早发现现的弹性性体，具具有优异异力学性性能、易易粘接性性、疲劳劳强度以以及加工工性能等等良好，具具有低或或中等的的阻尼，可可用于制制造性能能优良的的减振器器。天然然橡胶的的对应变变的变化化并不敏敏感，但但天然橡橡胶的局局限性在在于其应应用温度度范围较较窄，耐耐候性和和耐油性性较差，温温度超过过100和阳光光照射会会迅速龟龟裂。（2）氯氯丁橡胶胶：氯丁橡橡胶最初初是作为为天然橡橡胶的替替代品使使用的，与与天然橡橡胶使用用范围相相同，具具有较好好的耐候候性，主主要用于于长期暴露露在室外外的场合合，其缺点点是应变变及温度度变化很很敏感。（3）丁丁基橡胶胶：丁基橡橡胶的减减振性能能比较突突出。耐耐热老化化性、耐耐候性优优于天然然橡胶，但但它的低低温性、粘粘接性较较差，加加工性能能也不好好。 （4）丁丁苯橡胶胶：与天然然橡胶相相比较，丁丁苯橡胶胶耐磨性性好，而而机械强强度较差差，由于于加工工工艺性差差，多与与天然橡橡胶并用用，多用用于轨道道垫及一一些缓冲冲橡胶元元件。（5）丁丁腈橡胶胶：丁腈橡橡胶具有有优良的的耐油性性，但与与天然橡橡胶相比比较，力力学性能能略微差差，但阻阻尼系数数较大，耐耐热空气气性能差差，阳光光直射照照射迅速速产生裂裂纹，通通常用于于制造接接触油类类介质场场合的减减振器。3.1.4橡胶胶减振器器在列车车车辆上上的应用用橡胶减振振器在机机车的应应用主要要有以下下几个部部位：（1）转转向架用用橡胶减减振器安装在转转向架轴轴箱或均均衡梁和和构架之之间，也也称一系系悬挂橡橡胶减振振器。其其主要形形式有橡橡胶关节节、轴箱箱锥形橡胶胶弹簧、橡胶缓冲冲垫等。橡胶关节节由于结结构紧凑凑，制造造方便，易易于装配配，且强强度高，噪噪声低、本本身有轴轴承和密密封作用用，不需需润滑，可可降低动动载荷，用用于转向向架各部部件的连连接，传传递载荷荷，起到到弹性节节点的作作用。橡橡胶节点点可设计计性好，形形式多样样，可以以使用工工况选择择合适形形式的橡橡胶节点点。各种种形式橡胶胶关节结构构图如下下所示： 直筒式式橡胶关关节 凹型橡橡胶节点点凸球形橡橡胶关节节 组合式式橡胶关关节图 转向向架用各各种类型型橡胶关关节的结结构示意意图轴箱锥形形橡胶弹簧簧、橡胶胶垫主要要用于弹性性支撑大大吨位部部件，同同时有效效地隔离离轨道振振动传递递到车体体。这类产产品垂向向承载，要要求其垂垂向的静静刚度值值大。为为了提高高橡胶减减振器垂垂向静刚刚度，主主要从两两个方式式实现：一种通通过多层层设计改改变橡胶胶减振器器的形状状系数，增增加橡胶胶约束面面积，使使橡胶自自由变形形困难，从从而提高高其刚度度特性，如轴箱锥形橡胶弹簧；第二种是改变受力方式，橡胶近似为不可压缩性材料，其抗压能力强，采用垂向压缩型的结构可提高垂向的刚度值，如橡胶垫。锥形橡胶弹簧和橡胶垫的结构图如下：图： 轴轴箱橡胶胶锥形弹弹簧结构构示意图图图： 橡橡胶垫结结构示意意图（2）车车体与转转向架用用橡胶减减振器连接车体体与转向向架弹性性连接元元件，也也称为二二系悬挂挂橡胶减减振器，弹性地承担车体的垂向载荷，并给车辆各轴以一定的重量分配，以使所分配的重量在车轮行经不平线路时不发生显著变化；同时缓解车垂向的有害振动，改善车辆的抗蛇行稳定性。它的形式有各种各样。根据连接部件的重量不同，橡胶减振器的结构也不同。一般连接重量较轻的部件采用柱型橡胶减振器，重量大的部件采用压缩型的橡胶减振器如矩形橡胶堆、V型橡胶减振器等。常用的二系悬挂橡胶减振器如图所示。图： 柱柱形橡胶胶减振器器示意图图图：动车车组用VV型橡胶胶减振器器示意图图V型橡胶胶减振器器的竖向向方向的的静刚度度不仅与与橡胶材材料力学学性质有有关，同同时还与与减振器器的结构构参数、橡橡胶层的的自由面面的形状状的有关关。橡胶材材料的弹弹性模量量影响减减振器的的静刚度度，在橡橡胶工业业中，常常常用橡橡胶的硬硬度来表表示橡胶胶的弹性性模量。研研究表明明4：V型橡胶胶减振器器内外骨骨架为金金属，弹弹性模量量远大于于橡胶的的弹性模模量，因此VV型橡胶胶减振器器的静刚刚度主要要取决于于橡胶材材料的模模量，而而且该结结构减振振器的静静刚度随随着橡胶胶硬度的的增大而而增大，近近似呈线性关关系。V型橡胶胶减振器器的静刚刚度与结结构参数数中倾斜斜角度、橡橡胶层厚厚度以及及形状系系数有关关。调整整倾斜角角度、橡橡胶厚度度可以改改变V型型减振器器的静刚刚度，并并可以通通过有限限元分析析技术得得到倾斜斜角度、橡橡胶厚度度和静刚刚度的关关系式。橡橡胶层自自由面形形状不仅仅影响VV型减振振器的静静刚度特特性，并并影响橡橡胶层应应力分布布。合适适的橡胶胶自由面面形状可可以使减减振器刚刚度满足足要求的的同时，优优化橡胶胶层的应应力分布布，提高高减振器器的使用用寿命。（3） 缓冲用橡橡胶减振振器 车辆在在行驶中中，特别别在载重重情况下下和路况况较差时时行驶，可可能在垂垂直方向向、行驶驶方向或或横向方方向受到到冲击，为为了避免免车体与与车架发发生冲击击，采用用橡胶缓缓冲制品品起到缓缓冲、吸吸振作用用，如向橡胶胶横向缓缓冲器、车钩缓冲橡胶件等。缓冲器具有吸收车轮对车体的冲击力的作用，因此要求橡胶具有耐冲击特性和负荷挠度特性。由于冲击变形速度快，会显示振动时的高频率区域变化相同的状态，因此不适合使用耐寒性差的材料以及受温度影响大的材料。作为材料来讲，除 NR 类橡胶材料外，也可用发泡聚氨酯类材料。图： 橡橡胶横向向缓冲器器结构示示意图3.1.5参考考文献1 朱石坚坚，楼京京俊，何何其伟，翁翁雪涛等等编著振动理理论与隔隔振技术术M 北北京：国国防出版版社，2200662 晏红文文，田红红旗，黄黄友剑，陈陈灿辉，杨杨军有有限元法法在机车车车辆橡橡胶元件件设计的应用用J机车车电传动动，20007（66）：2293303 龚积球球，龚震震震，赵赵熙雍橡胶件件的工程程设计及及应用M上海：上海交交通大学出版版社，2200334周周易文有限元元法在VV型减振振器静动动力学性性能的应应用研究究 研究究生论文文北北京：北京航航空材料料研究院院