橡膠減振器在軌道車輛上的應(yīng)用

李令義，王冰松

中車四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心

橡膠減振器在軌道車輛上的應(yīng)用

李令義，王冰松

中車四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心

針對(duì)軌道車輛高速發(fā)展，對(duì)減振器要求不斷提高。以減振理論為基礎(chǔ)，并結(jié)合橡膠的特性，選擇了車下設(shè)備自振頻率范圍，確定合理的橡膠剛度值及阻尼參數(shù)，為減振方案選擇提供了依據(jù)。

橡膠減振器；橡膠參數(shù)；車下設(shè)備

引言

近年來(lái)，隨著軌道交通的蓬勃發(fā)展，車輛行車安全、可靠性、舒適性問(wèn)題備受重視。

在車輛運(yùn)行時(shí)，由于路軌的不平順性輸入及輪軌強(qiáng)烈的相互作用會(huì)導(dǎo)致車體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，與車體相連的車下電器設(shè)備因?yàn)樽陨戆l(fā)熱需要風(fēng)機(jī)冷卻，風(fēng)機(jī)自身產(chǎn)生振動(dòng)，容易與車體產(chǎn)生諧振。振動(dòng)的疊加不僅影響乘客舒適性，甚至造成設(shè)備受損和連接件的疲勞斷裂。

為了避免和減小振動(dòng)的影響，常用措施是風(fēng)機(jī)支座安裝減震器。其中由于橡膠減振器具有高彈及耐沖擊，重量輕，體積小便于安裝等特點(diǎn)，被優(yōu)先選用。但如何選用合適的減震器從而提高隔振率是一個(gè)急需研究的問(wèn)題。

本文結(jié)合橡膠減振器的特性，以減振理論為基礎(chǔ)，經(jīng)仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，論述如何根據(jù)某車下設(shè)備風(fēng)機(jī)參數(shù)確定減振方案。

1 橡膠減振器特性

橡膠減振器主要由橡膠及金屬基座構(gòu)成，根據(jù)其使用的環(huán)境及性能要求，其結(jié)構(gòu)和膠料也會(huì)作相應(yīng)的調(diào)整。

1.1 膠料的選擇

隨著橡膠材料的發(fā)展，用在減振方面的膠料有多種。在選擇減振器時(shí)，要根據(jù)其使用溫度范圍要求，防火要求、耐油及耐紫外線等要求來(lái)選擇膠料。因?yàn)樘烊荒z具有優(yōu)良的耐疲勞性，所以減振器的膠料以天然膠為主；如果有高溫要求的可以使用硅膠；軌道車輛轉(zhuǎn)向架上的空氣彈簧，因?yàn)槠涫褂眉碍h(huán)境要求使用氯丁橡膠。

同一系的膠料，其動(dòng)剛度與靜剛度的比值Kd∕Ks和阻尼比隨著膠料硬度增加而變大。表1舉了某系列膠料動(dòng)剛度與靜剛度比值Kd∕Ks，及阻尼比：

表1 某系橡膠膠料動(dòng)靜剛度比及阻尼比特性

另外，橡膠的蠕變性能也是重要的參數(shù)。尤其較長(zhǎng)生命周期的減震器上，需要選擇具有低蠕變性能的膠料。常用膠料與某低蠕變膠料蠕變曲線對(duì)比如下圖：

蠕變性能曲線對(duì)比

1.2 減振器結(jié)構(gòu)的選用

在選用減振器時(shí)，根據(jù)使用的用途，需要要考慮減震器是否有失效保護(hù)的結(jié)構(gòu)。設(shè)備固定在靜止的地方，諸如陸用發(fā)電機(jī)組，因?yàn)闆](méi)有外部沖擊，可以使用無(wú)失效保護(hù)結(jié)構(gòu)的減振器；設(shè)備裝在軌道車輛上的，諸如逆變器設(shè)備上冷卻風(fēng)機(jī)用減震器，要考慮失效保護(hù)及額外沖擊；軍用設(shè)備上的減震器，要考慮受到襲擊爆炸時(shí)的沖擊載荷，需要單獨(dú)安裝失效保護(hù)裝置。

1.3 橡膠減振器的安裝要求

因?yàn)橄鹉z的獨(dú)特特性，橡膠可以承受剪切力及壓力，但不能承受拉力。因此在安裝橡膠減振器時(shí)，要特別注意。

2 減震原理

減震理論中，當(dāng)固有頻率=激擾頻率時(shí)，激擾頻率與固有頻率比值Z=1，此時(shí)產(chǎn)生共振。當(dāng)Z＞2時(shí)，振動(dòng)傳遞率為40%，即隔振率達(dá)60%，具有良好的減震效果。因此在選擇減振器剛度值時(shí)，目標(biāo)是Z＞2的減震器。考慮到橡膠的阻尼比，在減振區(qū)域阻尼比越小，系統(tǒng)的減震效果越好。但是選用阻尼比小的膠料，系統(tǒng)共振時(shí)其放大系數(shù)也就越大。

3 軌道車輛車某車下設(shè)備風(fēng)機(jī)參數(shù)確定減振方案制定

3.1 數(shù)據(jù)輸入及計(jì)算

實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備具有六個(gè)自由度：X方向，Y方向，Z方向，繞X旋轉(zhuǎn)方向（Roll），繞Y旋轉(zhuǎn)方向（Pitch），繞Z旋轉(zhuǎn)方向（Yaw）。如下圖所示：

以該風(fēng)機(jī)減振選型為例，需要輸入風(fēng)機(jī)的質(zhì)量，質(zhì)心位置，繞X、Y、Z各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、葉片數(shù)量，及減震器安裝點(diǎn)的位置。

根據(jù)質(zhì)量、質(zhì)心位置及減震器位置，初步算定減震器的剛度值；

利用ISOMAG軟件建立力學(xué)模型，根據(jù)車輛運(yùn)行情況，在各個(gè)方向上加載沖擊載荷，輸入該減振器的靜態(tài)剛度、動(dòng)靜剛度比和阻尼系數(shù)，軟件計(jì)算出系統(tǒng)固有頻率，在沖擊載荷下減振器最大位移及沖擊力。

計(jì)算出固有頻率：

3.2 振動(dòng)測(cè)試

利用SKF兩通道的手持振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)試支撐點(diǎn)的振動(dòng)狀況。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1750轉(zhuǎn)∕分鐘下，在1#、2#位置附近，同時(shí)在風(fēng)機(jī)支架和底板處采集數(shù)據(jù)，測(cè)試方向?yàn)榇瓜颉?/p>

測(cè)試結(jié)果：風(fēng)機(jī)在一種轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下顯示振動(dòng)加速度譜線。風(fēng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速1750RPM時(shí)，#1位置一階振動(dòng)有97.7%的隔振率，二階振動(dòng)有85.5%的隔振率；#2位置一階振動(dòng)有99%的隔振率，二階振動(dòng)有98%的隔振率。

4 結(jié)論

本文以軌道車輛某車下風(fēng)機(jī)為例，通過(guò)力學(xué)計(jì)算并結(jié)合減振理論，選定減振器的阻尼比為0.023，動(dòng)靜剛度比為1.15，經(jīng)仿真計(jì)算論述了橡膠減振器選型過(guò)程。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。從而提高了車輛的可靠性和舒適性。

[1]梁威.減震橡膠材料的研究.陜西.西北工業(yè)大學(xué)，2006

[2]丁文鏡.減振理論.北京.清華大學(xué)出版社，1988

[3]潘孝勇.橡膠隔振器動(dòng)態(tài)計(jì)算與建模方法的研究.浙江.浙江工業(yè)大學(xué)，2009