低温和频率对橡胶弹性元件刚度性能的影响

摘要：介绍橡胶弹性元件静刚度和动刚度的测试原理，设计一种新型低温刚度试验工装以对橡胶弹性元件进行静态和模态试验，研究温度对橡胶弹性元件静刚度和动刚度的影响，以及频率对橡胶弹性元件动刚度的影响。结果表明：本试验工装结构合理，满足试验要求，随着温度的降低，橡胶弹性元件静刚度和动刚度增大；随着频率的增大，橡胶弹性元件的动刚度在低频段增大，在一定频率后变小，最后趋于稳定；温度低于－40 ℃时橡胶弹性元件的动刚度-频率曲线的变化拐点前移。

关键词：橡胶弹性元件；低温；频率；静刚度；动刚度

橡胶弹性元件的研究

橡胶弹性元件作为高铁转向架重要的减振部件，其刚度不仅是影响车辆动力学性能的重要参数，而且是评价橡胶弹性元件减振效果的重要指标。随着“一带一路”战略实施，我国高铁机车大量出口，研究低温和频率对橡胶弹性元件刚度性能的影响不仅有利于提升产品质量，同时也有利于支撑贸易便利化的轨道交通关键设备认证。目前的研究大都集中在单一结构橡胶弹性元件静刚度或常温条件下动刚度试验，有关系统的、多结构橡胶弹性元件的研究甚少。

本研究以国内某企业送检的6种橡胶弹性元件为研究对象，通过大量试验和数据总结出其与静刚度和动刚度及动刚度与频率的变化规律。

实验

 1　测试原理

静刚度（k）是指在一定范围内，试样所受压缩或拉伸负荷（F）变化量与其位移（S）变化量的比值。变形采集按测量原理可分为系统测量、空白试验、百分表测量和外接位移传感器测量4种。

动刚度是指试样动态负荷振幅峰值与位移峰值之比。其负荷控制方式分为中值加振幅值和峰谷值2种，加载方式分为纯压式、纯拉式、预压式和预拉式4种。动刚度试验的三要素分别是频率、振幅和循环次数，其中频率分为单频和多频扫描，振幅可以是负荷也可是变形，循环次数规定为100，待试样负荷与变形稳定后取最后3个循环数据平均值为测试值。计算方法分为直接频率响应法和模态频率响应法2种。

弹性元件动刚度的测量方法分直接法、间接法和驱动点法3种。驱动点法是目前最常用的弹性元件动刚度测试方法，其分为原点测试和跨点测试2种，两者最大的区别是负荷传感器的安装位置，分别如图1（a）和（b）所示。

2　试验设计

以橡胶节点为例，其刚度试验工装结构如图2所示，其由上接头、锁紧外套、芯轴、支撑块、底板和螺栓组成。其中橡胶节点通过芯轴和支撑块固定于试验平台，通过对外套施加拉压负荷进行刚度试验。

有限元分析主要是采用Abaqus软件对工装关键承载件芯轴和外套的强度、刚度（弹性变形）、模态固有频率进行分析计算。工装选用的材料是45号钢，密度为7.8 毫克/立方米，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，抗拉强度为600 MPa，屈服强度为355 MPa。计算得出芯轴最大应力为88.9 MPa，产生在两端倒角处，最大变形为0.002 mm，产生在芯轴中间位置，详见图3；外套最大应力为24.2 MPa，产生在内圆底部，最大变形为0.02 mm，产生在下端中间位置，详见图4。

根据IEC 61373—2016《铁路应用铁道车辆设备冲击和振动试验标准》要求，对工装承载件外套进行模态分析，结果如图5所示，外套四阶自振频率分别为503，627，728和846 Hz。

结果与讨论

1　橡胶节点 

橡胶节点在不同温度下的静刚度特性曲线如图6所示，曲线的斜率表示静刚度，包络面积表示加卸载过程中消耗的能量。橡胶节点23，0和－20 ℃下的静刚度分别为68.17，70.92和74.32 kN/mm。

橡胶节点在不同温度下动刚度-频率曲线如图7所示。随着温度的降低，橡胶节点的动刚度增大，这与其静刚度变化规律一致。

2　弹性球铰

弹性球铰在不同温度下的静刚度特性曲线如图8所示。弹性球铰23，0和－20 ℃下的静刚度分别为2.91，3.17和3.39 kN/mm。

弹性球铰在不同温度下的动刚度-频率曲线如图9所示。随着温度的降低，弹性球铰的动刚度增大。

3　弹性支承

弹性支承在不同温度下的静刚度曲线如图10所示。在23，0和－25 ℃下的静刚度分别为1.51，1.62和1.82 kN/mm。

弹性支承在不同温度下的动刚度-频率曲线如图11所示。弹性支承的动刚度随着温度和频率的变化规律与橡胶节点和弹性球铰基本一致；在高于－40 ℃时，在低频段弹性支承的动刚度变化更明显。

4　橡胶弹簧

橡胶弹簧在不同温度下的静刚度特性曲线如图12所示。橡胶弹簧23，0和－20 ℃下的静刚度分别为15.01，15.3和15.7 kN/mm。

橡胶弹簧在不同温度下的动刚度-频率曲线如图13所示。

5　连杆球铰

连杆球铰在不同温度下的静刚度特性曲线如图14所示。在23，0和－20 ℃下的静刚度分别为18.12，21.22和22.16 kN/mm。

连杆球铰在不同温度下的动刚度-频率曲线如图15所示。

6　圆锥弹簧

圆锥弹簧是一种典型的圆锥形大位移压剪类结构弹性元件，静刚度特性曲线是典型的大变形非线性变形曲线，其在不同温度下的静刚度特性曲线如图16所示。圆锥弹簧23，0和－20 ℃下的静刚度分别为0.51，0.55和0.60 kN/mm。

圆锥弹簧在不同温度下的动刚度-频率曲线如图17所示。随着温度的降低，圆锥弹簧的动刚度增大，这与静刚度变化规律一致。

结 论

（1）温度对橡胶弹性元件静刚度的影响：随着温度的降低，橡胶弹性元件的静刚度增大，静刚度变化率与温度（低温）成正比，同时滞回曲线包络面积减小，加载同等变形消耗的能量减小，减振效果变差。
（2）温度对橡胶弹性元件动刚度的影响：随着温度的降低，橡胶弹性元件的动刚度增大，且不同结构的橡胶弹性元件动刚度受温度的影响不同。
（3）频率对橡胶弹性元件动刚度的影响：橡胶弹性元件的动刚度随着频率的增大呈非线性增大趋势，通常在低频段，动刚度随频率的增大而增大，在达到一定频率后，动刚度减小，然后趋于稳定。

作者：潘锋1；彭立群2，3；林达文2，3；王叶青2， 3

作者单位：[1.中国合格评定国家认可中心 认可四处；2.株洲时代新材料科技股份有限公司；3.国家轨道交通高分子材料及制品质量监督检验中心（湖南）]

来源：橡胶工业

【免责声明】本文来自网络，版权归原作者所有，仅用于学习等，对文中观点判断均保持中立，若您认为文中来源标注与事实不符，若有涉及版权等请告知，将及时修订删除，谢谢大家的关注！