低溫對橡膠彈性元件傳遞率和固有頻率的影響

彭立群， 林達(dá)文， 王葉青， 吳興磊， 王 進

(1 株洲時代新材料科技股份有限公司, 湖南株洲 412007；2 國家軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(湖南)， 湖南株洲 412007)

傳遞率與固有頻率是橡膠彈性元件減振效果評價的重要參數(shù)，也是車輛轉(zhuǎn)向架防共振設(shè)計的技術(shù)參數(shù)。傳遞率是彈性元件位移響應(yīng)幅值與激勵幅值的無量綱比值，可以是載荷、位移、速度或加速度之比，其中彈性元件適用載荷或位移，阻尼器類產(chǎn)品適用于速度。在剛度滿足要求的前提下，傳遞率越小，傳遞效果越好，吸振效果越好，傳遞率越大，越容易產(chǎn)生共振，減振效果越差，傳遞率峰值對應(yīng)的頻率是彈性元件的固有頻率(共振頻率)。在常溫條件下固有頻率是彈性元件本身固有特性，不受外界因素的干擾。但隨著溫度的變化，彈性元件的剛度和減振性能已發(fā)生變化，因此研究低溫對彈性元件傳遞率和固有頻率的影響具有重要的意義。

每一種彈性元件只能在一定的溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)良好的彈性，溫度過低，橡膠分子鏈凍結(jié)，完全失去彈性，彈性元件變硬、發(fā)脆。為此以某企業(yè)送檢的某型轉(zhuǎn)向架用6種橡膠彈性元件為研究對象，不僅設(shè)計一種受迫振動試驗方案，還研究了不同低溫對不同結(jié)構(gòu)彈性元件傳遞和固有頻率的影響，通過大量的試驗和數(shù)據(jù)總結(jié)，從而掌握橡膠彈性元件傳遞率和固有頻率隨溫度變化的規(guī)律，有利于設(shè)計人員根據(jù)其性能合理設(shè)置相關(guān)參數(shù)，為改善車輛的動力學(xué)性能提供理論依據(jù)。

1 彈性元件低溫效應(yīng)

彈性元件廣泛應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，工作的環(huán)境溫度范圍較大，在高寒地區(qū)彈性元件的工作溫度可達(dá)到-40 ℃。由于彈性元件具有材料非線性和幾何非線性的特點，屬于非線性彈性體，彈性模量隨應(yīng)變水平的不同而不同，環(huán)境溫度對橡膠材料的力學(xué)性能影響，主要表現(xiàn)為隨溫度升高橡膠材料的割線模量不斷減小，橡膠分子的流動性增加，在微觀上呈現(xiàn)出不同的分子運動形式，在宏觀上表現(xiàn)為玻璃態(tài)、橡膠態(tài)和黏流態(tài)，玻璃態(tài)和橡膠態(tài)之間稱為玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)。

圖1 在高寒地區(qū)運行的動車組

2 轉(zhuǎn)向架及彈性元件

橡膠彈性元件一般安裝于軌道車輛轉(zhuǎn)向架的一系懸掛和二系懸掛，起減振作用，見圖2。為了掌握彈性元件傳遞率和固有頻率的低溫變化特性，分別從轉(zhuǎn)向架一系懸掛和二系懸掛中選取不同結(jié)構(gòu)的彈性元件進行試驗。

1-一系懸掛；2-二系懸掛。圖2 轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)

一系懸掛橡膠彈性元件：軸箱彈簧、轉(zhuǎn)臂節(jié)點、橡膠關(guān)節(jié)，見圖3。

圖3 一系懸掛彈性元件

二系懸掛橡膠彈性元件：彈性旁承、彈性節(jié)點、橡膠彈簧，見圖4。

圖4 二系懸掛彈性元件

3 試 驗

3.1 試驗標(biāo)準(zhǔn)

橡膠彈性元件傳遞率和固用頻率試驗主要參照原鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2843-2015 《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術(shù)條件》、南車企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/CSR 005-2005《機車車輛減振橡膠件》,GB/T 9870.1-2006《硫化橡膠或熱塑性橡膠動態(tài)性能的測定》第1部分:通則，ISO 4664-1:2011《隔振器橡膠材料》，JIS K6386：1999《艦船用橡膠隔振器規(guī)范》，CB 1359-2002歐洲標(biāo)準(zhǔn)，BS EN 13913-2003 《鐵路用橡膠彈性元件-基于彈性體的機械部件》、日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS E 4710-1995《鐵道機車車輛橡膠隔振器通則》，具體試驗按《橡膠彈性元件動態(tài)性能試驗大綱》執(zhí)行。

3.2 試驗方案

傳遞率與固有頻率是通過對彈性元件施加不同激勵幅值、不同頻率的掃描動態(tài)試驗獲取，按測試方式分自由振動試驗和受迫振動試驗2種，其中自由振動試驗包括錘擊試驗和液壓振動試驗2種。

錘擊試驗：錘擊試驗是自由振試驗中最常用的方式，由錘、傳感器、工裝、試樣、緊固螺栓、平臺組成，見圖5。利用錘擊施加沖擊載荷，通過溫度傳感器測試衰減系數(shù)得出彈性元件的固有頻率和傳遞率。由于錘擊法所施加的載荷較小，只適用于工作載荷較小的彈性元件，不適用車輛轉(zhuǎn)向架用大載荷的彈性元件試驗。

1-錘；2-傳感器；3-工裝；4-試樣；5-緊固螺栓；6-試驗平臺。圖5 錘擊試驗

液壓振動試驗：主要由響應(yīng)位移傳感器、機架、質(zhì)量塊、導(dǎo)柱、響應(yīng)載荷傳感器、氣室、平臺、底座、激勵油缸、激勵位移傳感器、激勵載荷傳感器組成。振動臺最大特點同時具備下置激勵和上置響應(yīng)兩套載荷和位移測試系統(tǒng)。通過計算上置響應(yīng)值與下置激勵值得出傳遞率。試驗時在彈性元件上端安裝有相同載荷的質(zhì)量塊，模擬車體和載重產(chǎn)生的載荷，通過油缸從下向上施加動態(tài)載荷，模擬輪軌間因沖擊產(chǎn)生的載荷對彈性元件進行動態(tài)性能試驗。相比錘擊試驗，液壓振臺試驗載荷大、頻率高，更適用于彈性元件的動態(tài)性能試驗，但這種液壓振動試驗在試驗過程中需安裝與激振載荷相同的質(zhì)量塊，試驗安裝、操作不便，見圖5。

1-響應(yīng)位移傳感器；2-機架；3-質(zhì)量塊；4-導(dǎo)柱；5-響應(yīng)載荷傳感器；6-氣室；7-平臺；8-底座；9-激勵油缸；10-激勵位移傳感器；11-激勵載荷傳感器。圖6 液壓振動試驗

受迫振動試驗：又稱共振法試驗，試驗裝置由動橫梁、鎖緊油缸、立柱、激勵油缸、載荷傳感器、升舉油缸、彈性元件、平臺、位移傳感器組成。相比自由振動臺，試驗時通過機架剛度連接來代替質(zhì)量塊，彈性元件直接于試驗平臺，激勵油缸、載荷和位移傳感器均上置，激勵載荷是通過機架剛度傳遞于彈性元件，由于彈性元件的滯后效應(yīng)，響應(yīng)的載荷不在是原有的激勵載荷，同時在不同頻率下橡膠的滯后性能又一樣，通過計算兩者比值得出不同頻率下的傳遞率。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，適用于大載荷、小變形彈性元件傳遞率試驗。

1-動橫梁；2-鎖緊油缸；3-立柱；4-激勵油缸；5-載荷傳感器；6-升舉油缸；7-彈性元件；8-平臺；9-位移傳感器。圖7 受迫振動試驗

3.3 測試過程

溫度調(diào)節(jié)：試驗前先將彈性元件分別在23 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃停放72 h，待產(chǎn)品充分冷凍后再進行試驗。

安裝加載：試驗需選用專用試驗工裝，試驗工裝具有足夠的強度，且安裝在試驗機加載中心位置。取出彈性元件后立即安裝，采用受迫振動法進行掃頻動態(tài)試驗，獲得頻率與傳遞率曲線。

4 結(jié)果與討論

4.1 軸箱彈簧

4.1.1試驗方法

將冷凍后的軸箱彈簧安裝于動態(tài)試驗機加載平臺，徑向預(yù)加載30 kN，振幅±1 mm， 頻率(2～30) Hz，每種頻率工況循環(huán)30次，記錄頻率與傳遞率試驗數(shù)據(jù)。

4.1.2試驗數(shù)據(jù)(見圖8及表1)

圖8 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃?zhèn)鬟f率/%固有頻率/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結(jié)果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值6.68下降到1.8，對應(yīng)的固有頻率由3 Hz增加到5 Hz，同時無論是常溫還是低溫，傳遞率首先隨頻率增加至最大值，然后又變小、最后趨于穩(wěn)定。評價傳遞率對減振效果的影響，首先是彈性元件剛度合格，工作頻率區(qū)間與共振頻率區(qū)間不相同，從圖8可以得知，曲線峰值從右偏移且下降，這表明該彈性元件剛度變大，同時共振區(qū)間也開始右移，雖然傳率變小，但承載性能變差，產(chǎn)生共振的風(fēng)險遞變高。

在常溫23 ℃和低溫0 ℃時，由于剛度變化較小，曲線變化趨勢整體一致，共振頻率區(qū)間為2～4 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結(jié)構(gòu)彈性元件高頻減振效果優(yōu)于低頻率區(qū)，(見圖9)。

圖9 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

4.2 轉(zhuǎn)臂節(jié)點

4.2.1試驗方法

將冷凍后的轉(zhuǎn)臂節(jié)點安裝于動態(tài)試驗機加載平臺，徑向預(yù)加載110 kN，振幅±0.5 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環(huán)30次，記錄頻率與傳遞率試驗數(shù)據(jù)。

4.2.2試驗數(shù)據(jù)(見圖10及表2)

圖10 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃?zhèn)鬟f率/%固有頻率/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結(jié)果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值10.02下降到5.62，對應(yīng)的固有頻率由15.12 Hz增加到17.22 Hz，傳遞率隨頻率變化與橡膠堆基本一致，峰值向右偏移較小，這表明該結(jié)構(gòu)彈性元件剛度受溫度影響不明顯。

在常溫23 ℃和低溫0 ℃時，曲線變化趨勢整體一致，共振頻率區(qū)間為12～18 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結(jié)構(gòu)彈性元件高頻減振效果優(yōu)于低頻率區(qū)。

圖11 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

4.3 橡膠關(guān)節(jié)

4.3.1試驗方法

將冷凍后的橡膠關(guān)節(jié)安裝于動態(tài)試驗機加載平臺，徑向預(yù)加載10 kN，振幅±1 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環(huán)30次，記錄頻率與傳遞率試驗數(shù)據(jù)。

4.3.2試驗數(shù)據(jù)(見圖12及表3)

4.3.3結(jié)果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值7.7%下降到6.5%，對應(yīng)的固有頻率由18 Hz增加到19 Hz，傳遞率峰值向右偏移較小，這表明該結(jié)構(gòu)彈性元件剛度受溫度影響不明顯。

在常溫23 ℃和低溫0 ℃時，曲線變化趨勢整體一致，共振頻率區(qū)間為18～20 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結(jié)構(gòu)彈性元件高頻減振效果優(yōu)于低頻率區(qū)，(見圖13)。

圖12 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃?zhèn)鬟f率/%固有頻率/Hz23.00 7.70 18.00 0.00 7.60 18.00 -20.00 7.40 19.00 -40.00 6.50 19.00

圖13 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

4.4 橡膠彈簧

4.4.1試驗方法

將冷凍后的橡膠彈簧安裝于動態(tài)試驗機加載平臺，徑向預(yù)加載140 kN，振幅±0.5 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環(huán)30次，記錄頻率與傳遞率試驗數(shù)據(jù)。

4.4.2試驗數(shù)據(jù)(見圖14及表4)

4.4.3結(jié)果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值14.02下降到2.34，對應(yīng)的固有頻率由6 Hz增加到8 Hz，傳遞率峰值在23 ℃、0 ℃、-20 ℃時基本未變，在-40 ℃時開始右移，這表明該結(jié)構(gòu)彈性元件剛度在-40 ℃時變化最為明顯。

在常溫23 ℃、0 ℃、-20 ℃時，曲線變化趨勢整體一致，共振頻率區(qū)間為5～7 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結(jié)構(gòu)彈性元件高頻減振效果優(yōu)于低頻率區(qū)，(見圖15)。

圖14 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃?zhèn)鬟f率/%固有頻率/Hz23.00 14.02 6.00 0.00 7.67 6.00 -20.00 6.14 6.00 -40.00 2.34 8.00

圖15 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

4.5 彈性旁承

4.5.1試驗方法

將冷凍后的彈性旁承安裝于動態(tài)試驗機加載平臺，徑向預(yù)加載20 kN，振幅±1 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環(huán)30次，記錄頻率與傳遞率試驗數(shù)據(jù)。

4.5.2試驗數(shù)據(jù)(見圖16及表5)

圖16 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃?zhèn)鬟f率/%固有頻率/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結(jié)果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值5.04下降到2.75，對應(yīng)的固有頻率由7.06 Hz增加到8.22 Hz，傳遞率峰值向右移偏移。

在常溫23 ℃時，共振頻率區(qū)間為6～8 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結(jié)構(gòu)彈性元件高頻減振效果優(yōu)于低頻率區(qū)，(見圖17)。

圖17 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

4.6 彈性節(jié)點

4.6.1試驗方法

將冷凍后的彈性節(jié)點安裝于動態(tài)試驗機加載平臺，徑向預(yù)加載15 kN，振幅±1 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環(huán)30次，記錄頻率與傳遞率試驗數(shù)據(jù)。

4.6.2試驗數(shù)據(jù)(見圖18及表6)

圖18 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃?zhèn)鬟f率/%固有頻率/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結(jié)果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值5.6下降到1.63，對應(yīng)的固有頻率由24 Hz增加到33 Hz，傳遞率峰值向右移偏移較大。

在常溫23 ℃時，共振頻率區(qū)間為25～28 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結(jié)構(gòu)彈性元件高頻減振效果優(yōu)于低頻率區(qū)，(見圖19)。

圖19 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

5 結(jié)束語

(1)溫度對傳遞率的影響：隨著溫度降低，彈性元件傳遞率峰值向右偏移且變小，峰值對應(yīng)的的固有頻率及共振區(qū)變大，導(dǎo)致高頻區(qū)共振的風(fēng)險越大。

(2)彈性元件在剛度性能滿足承載要求且在非共振頻率區(qū)，傳遞率越小減振效果越好，高頻率區(qū)減振效果優(yōu)于低頻率區(qū)。