軸箱轉臂定位節點溫變特性對車輛動力學性能的影響

李 密，鄔平波，王 瑋，李明星

（1.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心,山東 青島 266111）

橡膠材料具有優良的減振性能，能夠吸收高頻振動，被廣泛應用于我國軌道交通車輛中。我國鐵路運行狀況復雜，京廣線在一個運行里程中會同時經歷高低溫變化，溫度變化會改變橡膠彈性元件的力學性能進而影響車輛動力學性能，對橡膠彈性元件的溫特變性研究具有實際意義，其能為軌道車輛動力學軟件仿真提供更為精確的參數，并模擬預測在實際線路上可能出現的各種動力學問題[1]。

何灼馀[2]對橡膠材料的本構模型進行了分析，采用有限元法描述了橡膠節點在工程應用中的動態力學行為。穆龍海、丁智平等利用多種本構模型擬合不同溫度下橡膠元件單軸拉伸試驗數據，發現Ogden 3階模型和Ogden 4階模型的擬合精度較高[3]。王少純、鄧宗全對月球著陸器用金屬橡膠高低溫力學性能進行了試驗[4]。侯軍芳、白鴻柏等對金屬橡膠試件在不同環境溫度條件下的力學和阻尼性能進行試驗，發現金屬橡膠材料動態剛度隨溫度升高而緩慢下降，阻尼損耗因子保持穩定[5]。孟政對橡膠彈簧頻變剛度特性及其對地鐵車輛動力學性能的影響進行了分析研究[6]。張隸新、魏來、王勇等對變剛度轉臂節點車輛動力學性能進行了研究，發現增大轉向架一系定位剛度可以提高蛇行運動穩定性[7]。

本文研究溫度對軸箱轉臂定位橡膠節點動態剛度與阻尼的影響以及隨之產生的動態特性對車輛動力學性能的影響。首先基于試驗對我國某高速動車組軸箱轉臂定位橡膠節點（后簡稱橡膠節點）進行高低溫試驗，對比分析橡膠節點在不同溫度下的動態剛度、動態阻尼，從而得到環境溫度對橡膠節點動態特性影響結果。最后基于動力學軟件SIMPACK建立高速列車動力學計算模型，分析溫度引起的剛度、阻尼變化對列車動力學性能的影響。

1 橡膠彈性元件溫變試驗

受溫度影響，橡膠材料宏觀上表現為玻璃態、橡膠態和黏流態。當溫度降低到某種程度時，橡膠材料處于玻璃態，大分子鏈處于凍結狀態，橡膠材料表現為虎克彈性行為，具有很高的模量。隨著溫度的升高，分子鏈開始解凍，橡膠分子的流動性會增加，橡膠材料進入橡膠態，開始出現鏈段運動，橡膠材料的模量減小，橡膠材料開始表現出阻尼特性。當溫度升高到某種程度，橡膠材料進入黏流態，分子鏈的運動更加自由，進而不斷改變其構像[3]。

圖1 橡膠節點組成與安裝

橡膠彈性元件動態力學性能試驗包括靜力學性能試驗、動力學性能試驗、疲勞性能試驗等[1]。通過動態力學性能實驗可以得到橡膠彈性元件的動剛度、動阻尼以及動態損耗角正切等數值。為研究高速列車橡膠節點溫變特性，在西南交通大學軌道交通國家實驗室高低溫試驗臺上對我國某高速列車橡膠節點進行測試，主要參考標準為《TB/T 2843-2015機車車輛橡膠彈性元件通用技術條件》[8]與《EN 13913:2003鐵路應用橡膠懸掛元件-彈性體機械部件》[9]。

高低溫試驗為特殊環境試驗，試驗前應進行環境調節，在規定的環境箱中調節時間一般應不少于12 h[8]。本次試驗主要研究不同溫度對橡膠節點動態特性的影響，每次試驗前，將節點放置于高低溫變溫箱中擱置12 h以上。橡膠節點高低溫試驗臺為動態試驗臺，如圖2所示。

圖2 橡膠節點高低溫試驗臺

采用MTS電液伺服試驗機，液壓閉環控制，控制系統為MTS測試系統Damper測試模塊，不同方向上通過作動器施加不同幅值的位移激勵。

2 橡膠節點軸向溫變特性

為了研究不同溫度下橡膠節點呈現出的動態剛度與阻尼特性差異，分別在-60℃、-50℃、-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0、23℃、35℃、50℃、60℃下分方向進行了節點動態剛度與阻尼試驗，加載頻率變化范圍達到12 Hz。在確定幅值、不同頻率情況下軸向動態剛度、阻尼隨溫度變化如圖3、圖4所示。

圖3 動態剛度隨溫度的變化曲線（幅值為1mm）

由圖3可以看出，加載頻率越大，剛度越大，阻尼越小，隨著溫度上升，軸向動態剛度呈下降趨勢，-40℃以下下降趨勢明顯，在加載幅值為1 mm時其變化幅值高達6.75 MN/m。當溫度在-40℃以上時，剛度變化幅度減小，下降趨于平緩。在圖4中，隨著溫度上升，軸向阻尼同樣呈下降趨勢，同樣以-40℃為界線，在其以下橡膠呈玻璃態，隨溫度升高，阻尼下降幅值最高達到812.9 kN·S/m。當溫度在-40℃以上時，阻尼變化幅度減小。

3 橡膠節點徑向溫變特性

圖4 動態阻尼隨溫度的變化曲線（幅值為1 mm）

圖5 動態剛度隨溫度的變化曲線（幅值為1 mm）

同溫度對軸向剛度與阻尼的影響一樣，隨著溫度上升，徑向剛度與阻尼同樣呈現下降趨勢。如圖5所示：在加載幅值為1 mm、溫度在-60℃～40℃時，剛度變化幅值最高達到5.69 MN/m。當溫度在-40℃以上時，剛度變化幅度減小，變化幅值在2.65 MN/m左右，相比軸向剛度而言變化范圍更大。

由圖6可以看出，徑向阻尼隨著溫度上升總體呈下降趨勢并有小幅波動。

圖6 動態阻尼隨溫度的變化曲線（幅值為1 mm）

4 橡膠節點溫變特性對車輛動力學性能的影響

軸箱轉臂式定位方式將軸箱與定位拉桿結合組成轉臂結構，轉臂與構架之間通過轉臂一端的橡膠節點連接。作為一系懸掛組成部分的橡膠節點能夠提供軸箱定位縱向剛度，并與一系彈簧共同提供一系橫向剛度、傳遞輪對與構架間縱向及橫向力[10]。由于轉臂式軸箱定位結構簡單，安裝維護方便，被廣泛應用于城市輕軌、地鐵與高速動車組中。本文接下來主要就溫度對車輛動力學性能影響進行分析。采用動力學軟件SIMPACK建立我國某高速列車整車動力學模型如圖7所示。

圖7 高速列車動力學模型

表1 車輛部分參數表

軸箱轉臂部分考慮點頭及搖頭自由度，橡膠節點剛度與阻尼值按照溫變動態試驗所測數值進行設定。

4.1 橡膠節點溫變特性對蛇行穩定性影響

蛇行運動為軌道車輛系統存在的固有屬性，蛇行運動穩定性影響車輛最高運行速度。為研究溫度對蛇行穩定的影響，此處對不同溫度下的非線性臨界速度（后簡稱臨界速度）進行仿真，主要通過給定一段有限長的實際軌道隨機不平順激擾樣本函數，讓車輛運行在不平順軌道上并激發其振動，然后讓車輛運行在理想光滑軌道上，觀察系統能否恢復到平衡位置，進而判斷系統是否失穩。

隨節點橫向剛度的增加，臨界速度會下降；隨節點縱向剛度的增加，臨界速度會先增大后減小[7]。在圖8中，低溫相比高溫對臨界速度影響更大，在-60～23℃區間，縱向剛度相比橫向剛度對臨界速度影響更大，使臨界速度升高；23℃溫度條件下縱向剛度為26 MN/m，處于臨界剛度，臨界速度達到最大值，之后縱向剛度與橫向剛度共同引起臨界速度緩慢減小。

4.2 橡膠節點溫變特性對車輛平穩性影響

圖8 橡膠節點溫變特性對臨界速度的影響

車輛運行平穩性涉及旅客乘坐舒適性和貨物完整性，評價軌道車輛平穩性最直接的指標是車體振動加速度，本文提取前后轉向架中心位置上方橫向1 m處地板面的加速度值，利用Sperling指標對溫度影響下的車體平穩性指標進行計算[11]。溫度變化引起橡膠節點力學性能改變，進而影響車輛平穩性。

由圖9可以看出，隨溫度上升車輛垂向平穩性指標先減小后增加，23℃時達到最小值；橫向平穩性指標隨溫度的增加則一直呈下降趨勢。總體來說，車輛平穩性處于一個比較良好的狀態，隨溫度變化各項指標變化趨勢略有差異，應注意低溫時車輛穩定性指標變差的趨勢。

4.3 橡膠節點溫變特性對車輛安全性影響

列車安全性主要通過輪軸橫向力、輪軌垂向力、輪重減載率、脫軌系數等指標進行評估。其中，輪軸橫向力、輪軌垂向力主要考察輪軌之間的動力作用，過大的輪軌力會對鋼軌、扣件等造成損傷與破壞，嚴重時甚至會危及行車安全。輪重減載率、脫軌系數指標則主要評估車輛的脫軌安全性，高速運行的列車輪重減載率與脫軌系數指標應小于0.8[12]。

車輛安全性指標受溫度影響變化情況復雜，其中輪軸橫向力隨溫度增加先增大后減小，于-30℃附近取得最大值，如圖10所示；輪軌垂向力隨溫度增加先增大后減小再增大，分別于-30℃與0℃達到極大值117.27 kN、極小值115.61 kN，見圖11；脫軌系數隨溫度增高先減小后增加，于-20℃附近取得最小值，如圖12所示。如圖13所示，隨溫度的升高，在溫度變化的影響下，輪重減載率先減小后增加再減小，當溫度在-60℃附近，此時輪重減載率最大值達到0.657，低溫時列車的安全性需要特別加以關注。

圖9 節點溫變特性對車體平穩性的影響

5 結語

（1）溫度的變化會對一系橡膠節點剛度與阻尼產生比較大的影響，在-60～60℃區間，其隨著溫度的不斷升高，呈不斷下降的趨勢。-40℃之前降幅較大，之后降幅減小，同時在不同方向上的剛度、阻尼變化趨勢相同但具體數值差異較大。

（2）幅值、頻率同樣會對橡膠節點產生影響，隨著頻率的增加，橡膠節點剛度會相應增加，阻尼則隨之減小，同時溫度越低其對頻率變化越敏感。

（3）節點剛度、阻尼隨溫度的變化會引起車輛動力學性能的變化，隨節點橫向剛度的增加，臨界速度會下降；隨節點縱向剛度的增加，臨界速度先增大后減小。-60～60℃區間，車輛系統臨界速度先快速增加后緩慢減小，以23℃為界限。

圖10 橡膠節點溫變特性對輪軸橫向力的影響

（4）隨著溫度的上升車輛垂向平穩性指標先減小后增加，23℃時達到最小值；橫向平穩性指標隨溫度的增加一直呈下降趨勢。

圖11 橡膠節點溫變特性對輪軌垂向力的影響

圖12 橡膠節點溫變特性對脫軌系數的影響

圖13 橡膠節點溫變特性對輪重減載率的影響

（5）溫度對車輛安全性影響較為復雜，輪軸橫向力隨溫度升高先增大后減小，脫軌系數隨溫度升高先減小后增大，輪軌垂向力隨溫度升高先增大后減小再增大，輪重減載率則相反，呈先減小后增加再減小趨勢。溫度過低或過高時應關注車輛安全性變化。