高速列車用橡膠減振器介紹

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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(yùn)營速度已從200km/h提高到350km/h左右，未來將達(dá)到400km/h以上。由于列車運(yùn)行的高速化，運(yùn)行中振動(dòng)與噪音的不斷增大，將導(dǎo)致車輛動(dòng)態(tài)性能和乘坐舒適性嚴(yán)重的惡化，加大了車輛的結(jié)構(gòu)疲勞，并降低車輛的操縱穩(wěn)定性和運(yùn)行安全可靠性等。為了解決大功率、高速運(yùn)行帶來關(guān)鍵性技術(shù)問題，高速列車使用了大量各種橡膠-金屬復(fù)合制件用于牽引、驅(qū)動(dòng)、連接、支承等部位，起到減振降噪功能，還起到柔性支承機(jī)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

2、減振器的減振原機(jī)理橡膠是一種粘彈性材料。粘彈性材料具有獨(dú)特的應(yīng)力-應(yīng)變特性，使它在受力時(shí)儲(chǔ)存大量的能量，而在卸載時(shí)將其釋放出來；由于時(shí)間效應(yīng)，卸載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)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(shí)，又是很好的阻尼材料，這是橡膠金屬復(fù)合部件用于隔離振動(dòng)和吸收沖擊能量的原理。橡膠的減振原理的力學(xué)模型可簡化為單自由度線性阻尼-彈簧質(zhì)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(zhì)量為m、剛度為Kd、系統(tǒng)阻尼系數(shù)為C；則橡膠減振器構(gòu)成的線性單自由度體系，當(dāng)系統(tǒng)受Ze=Z0ejwt

3、的簡諧支撐激振時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方程可表示為：(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(dòng)傳遞率T與頻率比的關(guān)系如圖所示。圖振動(dòng)傳遞率與振動(dòng)頻率比的關(guān)系從圖中可以看出，僅當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)的減振傳遞率小于1，即系統(tǒng)進(jìn)入減振區(qū)；當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)。在工程設(shè)計(jì)中，一般要求頻率比設(shè)在2.5～5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

4、好；但阻尼比越小，系統(tǒng)共振時(shí)的共振放大率越大，這對危害車輛操縱穩(wěn)定性，甚至由于共振變形過大導(dǎo)致車體結(jié)構(gòu)災(zāi)難性破壞。因此，理想的減振器應(yīng)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(huì)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(fù)合減振器在高速機(jī)車應(yīng)用的特性高速列車在運(yùn)行過程中會(huì)受到來自輪軌間強(qiáng)烈的瞬時(shí)沖擊載荷，不僅會(huì)引起列車車輛的疲勞破壞，也會(huì)導(dǎo)致高速列車產(chǎn)生的強(qiáng)烈的共振。為衰減這些運(yùn)行中產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，滿足車輛各種動(dòng)力學(xué)性能，例如平穩(wěn)性指標(biāo)、脫軌系數(shù)、輪重減

5、載率、輪軌沖角等，在車輪對和車體構(gòu)架間、轉(zhuǎn)向架和車體之間以及其他各種關(guān)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(diǎn)[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0.5～3MPa(鋼約為80GPa)，橡膠伸長率可以達(dá)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(gè)顯著特點(diǎn)。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(dòng)力學(xué)要求。在列車車輛正常運(yùn)行時(shí)，沖擊載荷相對較小。相應(yīng)產(chǎn)生恒定剛度實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行

6、駛；當(dāng)列車車輛突遇意外情況，產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊載荷時(shí)，橡膠減振器能迅速產(chǎn)生大的阻抗力，可防止因位移過大造成列車嚴(yán)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(yùn)行，需要減弱或降低來自垂向、橫向和縱向三個(gè)方向的不同沖擊，這就需要滿足其垂向、橫向和縱向三個(gè)方向的動(dòng)力學(xué)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(shí)候會(huì)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能和

7、生產(chǎn)工藝的調(diào)整等方面，比較容易實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的。例如，圖所示的彈性節(jié)點(diǎn)在橫向?qū)ΨQ去掉一些橡膠材料就可以較容易的實(shí)現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)下縱向剛度和橫向剛度的完全不等。圖動(dòng)車轉(zhuǎn)向架用彈性節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)示意圖圖彈性節(jié)點(diǎn)縱徑向剛度曲線（4）橡膠減振器的阻尼和動(dòng)靜剛度不一致特性：橡膠減振器具有適當(dāng)?shù)淖枘?，有利于越過共振區(qū)，衰減和吸收高頻振動(dòng)與噪聲。橡膠材料的阻尼作用直接與其動(dòng)態(tài)力學(xué)松弛性質(zhì)相關(guān)，依賴于其應(yīng)變滯后應(yīng)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(shí)橡膠在很窄的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變區(qū)域內(nèi)，其模