彈性膠泥緩沖器剛度特性分析

周元輝，戴謀軍，于海航，廖學官，黃 興，院 磊

(1.湖南聯誠軌道裝備有限公司，湖南 株洲 412001；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

車鉤緩沖器是一種實現軌道車輛之間的彼此連接、傳遞和緩和列車縱向作用力的裝置，廣泛應用于各種軌道車輛，包括機車、客車、城鐵、軌道工程車和高速動車組等。緩沖器可以吸收車輛之間的沖擊和振動，從而減輕對車體結構和裝載貨物的破壞。

車鉤緩沖器的種類很多，按采用的緩沖材料不同可分為彈簧緩沖器、摩擦緩沖器、橡膠緩沖器、聚氨酯緩沖器、液壓緩沖器和彈性膠泥緩沖器等。從性能比較而言，彈性膠泥緩沖器具有容量大、體積小、阻抗力小、質量輕和吸收率高等優點，其以獨特的優勢在市場上占據一席之地。本文在分析彈性膠泥緩沖器原理的基礎上，對緩沖器的剛度特性進行研究。

1 彈性膠泥緩沖器原理

1.1 彈性膠泥材料

彈性膠泥材料是一種介于固體和液體之間的有機硅高分子化合物，其主體材料為聚硅氧烷，此外還有阻燃劑、抗壓劑、增塑劑和著色劑等化學成分。聚硅氧烷的分子鏈由硅原子和氧原子交替組成，呈螺旋型結構，在外力作用下，膠泥體積會縮小，并將部分壓縮能量轉換成彈性勢能儲存起來，當外力作用消失后，在彈性力的驅動下膠泥體積重新脹大。由于彈性膠泥具備可壓縮性和高彈性，因此是用作緩沖器的理想介質。

1.2 彈性膠泥緩沖器工作原理

彈性膠泥緩沖器主要由活塞桿(包括活塞和單向閥)、缸筒、上下端蓋和導向套等組成，缸筒內部(包括腔體Ⅰ、Ⅱ)全部充滿了膠泥，其結構如圖1所示。

圖1 彈性膠泥緩沖器結構示意圖

當緩沖器受到外部壓力時，活塞桿受壓向缸內移動，擠壓膠泥，腔體Ⅱ的膠泥通過活塞和缸筒之間的間隙流動至腔體Ⅰ中，由于間隙較小，并且膠泥的黏度非常大，因此，在這個過程中會產生很大的黏滯阻尼力。與此同時，活塞桿的侵入會使得缸體內部的體積變小，因此膠泥體積也會變小，產生一定的壓縮量，膠泥體積變小產生彈性力。當外力消失時，被壓縮的彈性膠泥膨脹，驅動活塞桿回彈，在這個過程中，腔體Ⅰ中的膠泥通過活塞上的單向閥快速進入腔體Ⅱ中，由于單向閥的通徑較大，不會產生很大的阻尼力，因此，活塞桿會快速回復到原位。彈性膠泥緩沖器就是借助于壓縮彈性膠泥來緩和沖擊作用力，同時通過在膠泥變形過程中產生的阻尼吸收沖擊能量。

2 彈性膠泥緩沖器剛度特性

由彈性膠泥緩沖器的工作原理可知，其既有阻尼的特性，又有彈性特性，通過阻尼消耗碰撞時的能量，當外力消失時，又能夠自復位。因此，可以將緩沖器理解為一個變剛度彈性元件和一個阻尼力隨速度變化的阻尼元件的并聯模型(開爾文模型)。

設FK為彈性元件的彈性回復力，FC為阻尼元件的阻尼力，則緩沖器總的受力F為：

F=FK+FC.

(1)

本文的研究對象是緩沖器的剛度特性，因此，僅對彈性力進行分析計算。對于剛度基本恒定的彈簧，其彈性力等于剛度k與位移x的乘積，即：

FK=k·x.

(2)

但對于彈性膠泥緩沖器而言，其剛度不是一個恒定值，是一個動態的剛度，因此不能簡單地套用彈簧的彈性力計算公式。

由于彈性膠泥結構的特殊性，其具備一定的體積壓縮性，在體積受到外部壓力而變小的情況下，其內部會產生一個與外力方向相反的彈性回復力,因此，緩沖器彈性力主要是由膠泥的體積壓縮產生的。當膠泥緩沖器活塞桿進入缸筒內時，缸筒內體積減小，膠泥被壓縮產生壓強pδ，則膠泥作用在活塞桿端面產生彈性回復力，其大小為：

(3)

其中：s為活塞桿端面面積；d為活塞桿直徑。

膠泥體積壓縮率δ與壓強pδ是存在一定函數關系的，即：

pδ=f(δ).

(4)

為了使得膠泥緩沖器具有足夠大的彈性力，并且能夠迅速回彈，活塞桿需要有個初始回復力，即缸筒中的膠泥需要有預壓縮。設膠泥的預壓縮率為δ0，則緩沖器受壓縮時，膠泥體積總壓縮率等于預壓縮率加上實時壓縮率，即：

(5)

其中：V為缸筒內膠泥初始體積；x為活塞桿行程。

由式(3)～式(5)可得到彈性回復力為：

(6)

因此，彈性膠泥緩沖器的剛度特性表現為膠泥體積壓縮率δ與壓強pδ的關系。要計算出彈性力，必須推導出pδ=f(δ)的具體關系式。由于膠泥是一種高分子材料，其壓縮性能與壓強的關系通過理論計算很難得出，因此，只能通過試驗的方法推導出兩者的關系。

3 膠泥壓縮率與壓強的關系試驗

3.1 試驗方案

為了測試膠泥的彈性壓縮性能，設計了一套膠泥體積壓縮性測試工裝，由活塞桿、筒體、上下端蓋、排氣螺釘和密封件等部分組成，如圖2所示。

圖2 膠泥體積壓縮性測試工裝

該測試工裝內部為空腔，可以儲存膠泥，進行試驗時，先準確測量內部空腔的體積V0，然后灌滿膠泥，鎖緊螺蓋，待多余的膠泥從排氣螺釘處溢出后擰緊排氣螺釘，記錄活塞桿的初始位置。在電子萬能試驗機上以1 mm/s的速度施加載荷，同時測量并記錄活塞桿的位移x與壓縮力Fs。

由內部空腔的初始體積V、活塞桿位移x和活塞桿直徑d可以等效計算出膠泥體積壓縮率δ：

(7)

由活塞桿的直徑d和壓縮力Fs可以得到內部膠泥的壓強p：

(8)

根據公式(7)和公式(8)，位移x與壓縮力Fs的關系可以轉化為膠泥體積壓縮率δ與壓強p的關系。

3.2 試驗結果

對彈性膠泥按照3.1所述試驗方法和步驟進行試驗，記錄活塞桿位移與壓縮力的數值，并通過公式(7)和公式(8)轉化為膠泥壓縮率δ和壓強p，并擬合出膠泥體積壓縮率和壓強的關系曲線，如圖3所示。

圖3 彈性膠泥體積壓縮率與壓強關的系曲線

從圖3中可以看出：彈性膠泥壓強建立初始階段無死區，且彈性膠泥的壓強是隨著體積壓縮率的增加而變大的，但是二者的變化并不是類似彈簧的線性變化，因此要得到兩者的關系式，需要對試驗數據進行擬合計算。

4 緩沖器彈性力計算

根據試驗得到的膠泥體積壓縮率與壓強的關系曲線，可以利用多項式擬合的方法得到函數關系式，為了盡量還原測試結果，我們采用4次多項式擬合，其表達式為：

pδ=f(δ)=A0δ4+A1δ3+A2δ2+A3δ+A4.

(9)

其中：A0～A4為4次多項式擬合的擬合系數。

對圖3中膠泥的試驗數據進行擬合計算，得到以下結果：

pδ=f(δ)=

0.002 3δ4-0.027δ3+1.31δ2+9.62δ-1.765.

(10)

由式(6)和式(10)可得彈性力大小為：

(11)

5 試驗驗證

為了驗證公式(11)的正確性，我們選取某型號緩沖器進行驗算。將預壓縮率δ0=4.5%、初始體積V=2.2 L、活塞桿直徑d=54 mm代入公式(11)中，計算出緩沖器在任意行程下的彈性力，并在電子萬能試驗機上以1 mm/s的速度對緩沖器進行靜壓試驗，測試其在任意行程下的彈性力。得到的緩沖器活塞桿位移與彈性力曲線如圖4所示。

由圖4可以看出，理論計算與實際測試的結果具有一致性，但兩者之間也存在區別，這主要是因為：

圖4 緩沖器活塞桿位移與彈性力曲線

(1) 在緩沖器的靜壓試驗中，雖然速度較慢，但是仍然存在一定的阻尼力，影響了最終的測試結果。

(2) 靜壓試驗起步階段，壓縮力從0開始到初始預壓力有個很短的建立過程，這個也是正常的。實際情況不可能與理論計算完全一樣，起步就是初始預壓力。

6 結論

通過本文的分析可以看出，由于彈性膠泥材料的特殊性能，當其體積壓縮時，會對外產生彈性力，因此體現出了彈性膠泥緩沖器的剛度特性。緩沖器的彈性力大小是由彈性膠泥的體積壓縮率決定的，但是兩者并不是簡單的線性關系，本文通過試驗得出了兩者的關系曲線，通過曲線進行擬合，推導出了彈性力與體積壓縮率的計算關系式。利用該公式對某型號的緩沖器進行了驗算，彈性力的計算結果與實際測試較為一致，說明該計算公式可以作為緩沖器剛度特性研究的理論依據。