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量監督檢驗中心(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，也是車輛轉向架防共振設計的技術參數。傳遞率是彈性元件位移響應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，越容易產生共振，減振效果越差，傳遞率峰值對應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呈現良好的彈性，溫度過低，橡膠分子鏈凍結，完全失去彈性，彈性元件變硬、發脆。為此以某企業送檢的某型轉向架用6種橡膠彈性元件為研究對象，不僅設計一種受迫振動試驗方案，還研究了不同低溫對不同結構彈性元件傳遞和固有頻率的影響，通過大量的試驗和數據總結，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律，有利于設計人員根據其性能合理設置相關參數，為改善車輛的動力學性能提供理論依據。

1 彈性元件低溫效應

彈性元件廣泛應用于軌道交通領域，工作的環境溫度范圍較大，在高寒地區彈性元件的工作溫度可達到-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，彈性模量隨應變水平的不同而不同，環境溫度對橡膠材料的力學性能影響，主要表現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，在微觀上呈現出不同的分子運動形式，在宏觀上表現為玻璃態、橡膠態和黏流態，玻璃態和橡膠態之間稱為玻璃化轉變區。

圖1 在高寒地區運行的動車組

2 轉向架及彈性元件

橡膠彈性元件一般安裝于軌道車輛轉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，分別從轉向架一系懸掛和二系懸掛中選取不同結構的彈性元件進行試驗。

1-一系懸掛；2-二系懸掛。圖2 轉向架結構

一系懸掛橡膠彈性元件：軸箱彈簧、轉臂節點、橡膠關節，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 試驗標準

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標準TB/T 2843-2015 《機車車輛用橡膠彈性元件通用技術條件》、南車企業標準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范》，CB 1359-2002歐洲標準，BS EN 13913-2003 《鐵路用橡膠彈性元件-基于彈性體的機械部件》、日本工業標準JIS E 4710-1995《鐵道機車車輛橡膠隔振器通則》，具體試驗按《橡膠彈性元件動態性能試驗大綱》執行。

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：主要由響應位移傳感器、機架、質量塊、導柱、響應載荷傳感器、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兩套載荷和位移測試系統。通過計算上置響應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量塊，模擬車體和載重產生的載荷，通過油缸從下向上施加動態載荷，模擬輪軌間因沖擊產生的載荷對彈性元件進行動態性能試驗。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量塊，試驗安裝、操作不便，見圖5。

1-響應位移傳感器；2-機架；3-質量塊；4-導柱；5-響應載荷傳感器；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，響應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。這種方式結構簡單，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

溫度調節：試驗前先將彈性元件分別在23 ℃、0 ℃、-20 ℃、-40 ℃停放72 h，待產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試驗，獲得頻率與傳遞率曲線。

4 結果與討論

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試驗機加載平臺，徑向預加載30 kN，振幅±1 mm， 頻率(2～30) Hz，每種頻率工況循環30次，記錄頻率與傳遞率試驗數據。

4.1.2試驗數據(見圖8及表1)

圖8 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃傳遞率/%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結果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值6.68下降到1.8，對應的固有頻率由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，工作頻率區間與共振頻率區間不相同，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，同時共振區間也開始右移，雖然傳率變小，但承載性能變差，產生共振的風險遞變高。

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，共振頻率區間為2～4 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結構彈性元件高頻減振效果優于低頻率區，(見圖9)。

圖9 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

4.2 轉臂節點

4.2.1試驗方法

將冷凍后的轉臂節點安裝于動態試驗機加載平臺，徑向預加載110 kN，振幅±0.5 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環30次，記錄頻率與傳遞率試驗數據。

4.2.2試驗數據(見圖10及表2)

圖10 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃傳遞率/%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結果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值10.02下降到5.62，對應的固有頻率由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，這表明該結構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，共振頻率區間為12～18 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結構彈性元件高頻減振效果優于低頻率區。

圖11 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

4.3 橡膠關節

4.3.1試驗方法

將冷凍后的橡膠關節安裝于動態試驗機加載平臺，徑向預加載10 kN，振幅±1 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環30次，記錄頻率與傳遞率試驗數據。

4.3.2試驗數據(見圖12及表3)

4.3.3結果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值7.7%下降到6.5%，對應的固有頻率由18 Hz增加到19 Hz，傳遞率峰值向右偏移較小，這表明該結構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，共振頻率區間為18～20 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結構彈性元件高頻減振效果優于低頻率區，(見圖13)。

圖12 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃傳遞率/%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試驗機加載平臺，徑向預加載140 kN，振幅±0.5 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環30次，記錄頻率與傳遞率試驗數據。

4.4.2試驗數據(見圖14及表4)

4.4.3結果分析

隨著溫度降低，傳遞率峰值14.02下降到2.34，對應的固有頻率由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，這表明該結構彈性元件剛度在-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，共振頻率區間為5～7 Hz，高頻段傳遞小于低頻段，因此該結構彈性元件高頻減振效果優于低頻率區，(見圖15)。

圖14 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃傳遞率/%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試驗機加載平臺，徑向預加載20 kN，振幅±1 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環30次，記錄頻率與傳遞率試驗數據。

4.5.2試驗數據(見圖16及表5)

圖16 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃傳遞率/%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結果分析

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

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

圖17 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

4.6 彈性節點

4.6.1試驗方法

將冷凍后的彈性節點安裝于動態試驗機加載平臺，徑向預加載15 kN，振幅±1 mm， 頻率2～30 Hz，每種頻率工況循環30次，記錄頻率與傳遞率試驗數據。

4.6.2試驗數據(見圖18及表6)

圖18 不同溫度下頻率與傳遞率曲線

溫度/℃傳遞率/%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結果分析

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

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

圖19 溫度與傳遞率、固有頻率曲線

5 結束語

(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，峰值對應的的固有頻率及共振區變大，導致高頻區共振的風險越大。

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