軌道車輛液體橡膠復合轉臂節點剛度性能試驗研究

羅 俊，林 勝，張玉祥，張隸新，侯茂銳，陳 璋

（1. 株洲時代瑞唯減振裝備有限公司，湖南株洲 412007； 2. 中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山 063000；3. 中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081）

1 研究背景

軌道車輛轉臂節點安裝于軸箱轉臂和轉向架構架之間，具有柔性連接和減緩振動的作用。轉臂式軸箱定位方式結構簡單，維護便利，因此，被廣泛應用于高速動車組、地鐵等各類軌道車輛中。

轉臂節點是直接影響軌道車輛動力學性能的關鍵零部件之一。當轉臂節點具有高剛度特性時，可以使得軌道車輛具有較好的蛇行運動穩定性，顯著提高車輛運行速度；當具有低剛度特性時，軌道車輛具有較好的曲線通過能力和較低的輪軌磨耗[1-2]。但傳統轉臂節點一般為金屬橡膠復合產品，其剛度一般為恒定值，難以同時兼具上述特性。隨著全球軌道交通的飛速發展，軌道車輛運行速度越來越高，同時要求其全壽命周期內運營成本越來越低，因此迫切需要一種新的技術來解決上述矛盾。

近年來，利用液體橡膠復合特性的變剛度減振裝置在高端汽車上得到應用[3-6]。根據該裝置技術原理，有人提出在軌道交通領域使用液體橡膠復合轉臂節點（以下簡稱“復合轉臂節點”）新技術。復合轉臂節點在直線運行時有高剛度的特性，在曲線運行時有低剛度的特性，能夠同時兼顧蛇行運動穩定性和曲線通過能力[7]。越來越多的軌道交通技術人員開始重視液體橡膠復合轉臂節點技術[8-9]，并不斷進行探索和嘗試。

李志強介紹了一種應用在快速貨車轉向架上的金屬橡膠液壓復合彈簧，并分析了應用該彈簧應注意的問題[10]。張隸新等通過建立動力學模型研究了變剛度定位節點對車輛動力學性能的影響，發現采用變剛度定位節點蛇行穩定性較好，且曲線通過能力得到提高[11]。祁亞運等采用Poynting-Thomson模型和ZOBORY磨耗模型對液體橡膠復合轉臂節點和定剛度節點在經過曲線時的車輪磨耗情況進行了對比分析，分析表明液體橡膠復合轉臂節點能有效的降低車輪磨耗[12]。鄒波等介紹了一種用于軌道車輛的變剛度軸箱轉臂節點，介紹該節點的設計思路并驗證了結構方案的合理性，為類似設計提供參考[13]。

縱觀國內外相關研究，已有學者對影響復合轉臂節點剛度特性和可靠性的各類因素進行研究，但對漏液和溫度影響鮮有研究，因此有必要進行深入的研究，以推動該技術和產品的工程化應用。

2 復合轉臂節點結構型式及工作原理

2.1 結構型式

復合轉臂節點基本結構主要由主橡膠體、輔橡膠體、液壓腔和阻尼流道組成，如圖1所示。其中，主橡膠體和輔橡膠體呈對稱布置，主要作用是在低頻時提供彈性支撐作用。2個獨立的液壓腔分布在液體橡膠復合轉臂節點兩側，液壓腔內灌注有乙二醇混合液，該溶液物理性能穩定，能夠適應鐵路系統的高溫和低溫惡劣環境。環形阻尼流道連接液體橡膠復合轉臂節點的2個液壓腔，阻尼流道和2個液壓腔組成了液體橡膠復合轉臂節點的液壓機構，液壓機構主要在動態載荷作用下提供附加動態剛度作用。該結構形式能夠很好地發揮橡膠體的彈性支撐作用和液壓機構的附加動態剛度作用。

圖1 復合轉臂節點結構原理示意圖

當軌道車輛高速直線運行時，來自軌道和輪對相互作用的激振頻率較高，在高頻激振下，液壓腔里的液體來不及通過阻尼孔流到另一邊，從而在液壓腔內產生附加動態剛度，液體橡膠復合轉臂節點的徑向剛度由橡膠體和液壓機構同時提供，呈現高剛度特性。當軌道車輛低速通過曲線時，來自軌道和輪對相互作用的激振頻率較低，液壓腔里的液體能通過阻尼孔流到另一邊，液壓腔基本不能產生附加動態剛度，復合轉臂節點的徑向剛度主要由橡膠體提供，呈現低剛度特性。

2.2 工作原理

復合轉臂節點的工作原理理論模型如圖2所示。

圖2 復合轉臂節點工作原理示意圖

圖2中，Kxj為橡膠體提供的靜態剛度，為固定值；P1和P2分別為2個液壓腔內液體的壓強；S為液壓腔活塞的截面積，當液體橡膠復合彈簧受到激振產生位移量為x時，則可列出力的平衡方程為：

則液體橡膠復合轉臂節點的等效動剛度為：

由式（2）可知，當軌道車輛高速直線運行時，由于液體來不及流動，兩液壓腔內液體的壓強P1和P2差值ΔP較大，從而產生較大的動態剛度，此時復合轉臂節點的等效動剛度為液壓腔提供的附加動態剛度和橡膠體提供的靜態剛度之和。當軌道車輛低速通過曲線時，由于液體能充分流動，2個液壓腔的壓強差值ΔP≈0，此時復合轉臂節點的等效動剛度等于為橡膠提供的靜態剛度，即：

3 漏液對復合轉臂節點剛度的影響

3.1 漏液對靜態徑向剛度的影響

常溫23℃條件下，分別對滿液、漏液50%、漏液100%的復合轉臂節點進行靜態徑向剛度試驗。具體試驗方法為：徑向以10?mm/min的速度在0～30～0??kN的范圍內連續加載3個循環，每個循環之間無時間間隔；計算第3個循環加載階段5～15?kN載荷區間的靜態徑向剛度。試驗結果如表1所示，不同漏液狀態下復合轉臂節點靜態徑向剛度比較如圖3所示。

圖3 不同漏液狀態下復合轉臂節點靜態徑向剛度比較

表1 靜態徑向剛度試驗結果

根據試驗結果可知，漏液對復合轉臂節點靜態徑向剛度影響較小。漏液50%和漏液100%狀態相對于滿液狀態產品，靜態徑向剛度相對變化率在5%以內。

3.2 漏液對動態徑向剛度特性的影響

常溫23℃條件下，分別對滿液，漏液50%，漏液100%的復合轉臂節點進行動態徑向剛度試驗。具體試驗方法為：分別以 0.5??Hz，1.0??Hz，2.0??Hz，4.0??Hz，6.0??Hz，8.0??Hz 頻率徑向正弦加載位移振幅 ±0.1??mm，連續循環30次，記錄各個激振頻率下的動態徑向剛度。滿液、漏液50%、漏液100%狀態下液體橡膠復合轉臂節點動態徑向剛度隨激振頻率變化曲線如圖4所示。

圖4 不同漏液狀態下復合轉臂節點動態徑向剛度比較

根據試驗結果可知，漏液對復合轉臂節點動態徑向剛度的影響較大；滿液狀態時節點動態徑向剛度呈現出明顯的頻率相關性，動態徑向剛度隨著激振頻率的增加明顯上升。而漏液50%和100%狀態的復合轉臂節點動態徑向剛度基本不隨激振頻率的變化而變化。

4 溫度對復合轉臂節點動態徑向剛度的影響

4.1 滿液狀態

分別在低溫-40℃、常溫23℃和高溫50℃環境條件下，對滿液狀態復合轉臂節點進行動態徑向剛度試驗。不同溫度條件下復合轉臂節點動態徑向剛度隨激振頻率變化情況如圖5所示。

圖5 滿液狀態下不同溫度對應的復合轉臂節點動態徑向剛度變化曲線

根據試驗結果可知，低溫-40℃條件下，復合轉臂節點動態徑向剛度隨激振頻率增加上升幅度較小；常溫23℃和高溫50℃條件下，復合轉臂節點動態徑向剛度隨激振頻率增加而增加；隨著溫度的升高，復合轉臂節點動態徑向剛度隨激振頻率增加而增加的幅度變大。

4.2 漏液狀態

分別在低溫-40℃、常溫23℃和高溫50℃環境條件下，對漏液50%和漏液100%狀態復合轉臂節點進行動態徑向剛度試驗。不同溫度條件下漏液50%和100%狀態復合轉臂節點動態徑向剛度隨激振頻率變化情況分別如圖6所示。

圖6 漏液狀態下不同溫度對應的復合轉臂節點動態徑向剛度變化曲線

根據試驗結果可知，不同溫度條件下，漏液50%和100%狀態復合轉臂節點其動態徑向剛度隨著激振頻率增加上升幅度均較小。

5 結論

（1）滿液狀態，復合轉臂節點動態徑向剛度呈現出明顯的頻率相關性，動態徑向剛度隨著激振頻率的增加明顯上升；溫度對復合轉臂節點動態徑向剛度特性影響明顯，隨著溫度的升高，復合轉臂節點動態徑向剛度隨激振頻率增加而增加的幅度變大。

（2）漏液狀態對復合轉臂節點靜態徑向剛度影響較小，對動態徑向剛度影響明顯，復合轉臂節點動態徑向剛度隨著激振頻率增加上升幅度較小。漏液狀態下溫度對復合轉臂節點動態徑向剛度特性影響不明顯，隨著溫度的升高，液體橡膠復合轉臂節點動態徑向剛度隨激振頻率增加上升幅度較小。

（3）滿液狀態下，液體橡膠復合轉臂節點在車輛高速直線運行時具有高動態徑向剛度的特點，在車輛低速曲線運行時具有低徑向剛度的特點，對于提升軌道車輛系統動力學性能和改善輪軌匹配關系具有重要意義。由于漏液對于液體橡膠復合轉臂節點特性有較大影響。因此，密封和漏液監控將是后續重點研究內容。