弹性胶泥缓冲器刚度特性分析

周元辉，戴谋军，于海航，廖学官，黄 兴，院 磊

(1.湖南联诚轨道装备有限公司，湖南 株洲 412001；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引言

车钩缓冲器是一种实现轨道车辆之间的彼此连接、传递和缓和列车纵向作用力的装置，广泛应用于各种轨道车辆，包括机车、客车、城铁、轨道工程车和高速动车组等。缓冲器可以吸收车辆之间的冲击和振动，从而减轻对车体结构和装载货物的破坏。

车钩缓冲器的种类很多，按采用的缓冲材料不同可分为弹簧缓冲器、摩擦缓冲器、橡胶缓冲器、聚氨酯缓冲器、液压缓冲器和弹性胶泥缓冲器等。从性能比较而言，弹性胶泥缓冲器具有容量大、体积小、阻抗力小、质量轻和吸收率高等优点，其以独特的优势在市场上占据一席之地。本文在分析弹性胶泥缓冲器原理的基础上，对缓冲器的刚度特性进行研究。

1 弹性胶泥缓冲器原理

1.1 弹性胶泥材料

弹性胶泥材料是一种介于固体和液体之间的有机硅高分子化合物，其主体材料为聚硅氧烷，此外还有阻燃剂、抗压剂、增塑剂和着色剂等化学成分。聚硅氧烷的分子链由硅原子和氧原子交替组成，呈螺旋型结构，在外力作用下，胶泥体积会缩小，并将部分压缩能量转换成弹性势能储存起来，当外力作用消失后，在弹性力的驱动下胶泥体积重新胀大。由于弹性胶泥具备可压缩性和高弹性，因此是用作缓冲器的理想介质。

1.2 弹性胶泥缓冲器工作原理

弹性胶泥缓冲器主要由活塞杆(包括活塞和单向阀)、缸筒、上下端盖和导向套等组成，缸筒内部(包括腔体Ⅰ、Ⅱ)全部充满了胶泥，其结构如图1所示。

图1 弹性胶泥缓冲器结构示意图

当缓冲器受到外部压力时，活塞杆受压向缸内移动，挤压胶泥，腔体Ⅱ的胶泥通过活塞和缸筒之间的间隙流动至腔体Ⅰ中，由于间隙较小，并且胶泥的黏度非常大，因此，在这个过程中会产生很大的黏滞阻尼力。与此同时，活塞杆的侵入会使得缸体内部的体积变小，因此胶泥体积也会变小，产生一定的压缩量，胶泥体积变小产生弹性力。当外力消失时，被压缩的弹性胶泥膨胀，驱动活塞杆回弹，在这个过程中，腔体Ⅰ中的胶泥通过活塞上的单向阀快速进入腔体Ⅱ中，由于单向阀的通径较大，不会产生很大的阻尼力，因此，活塞杆会快速回复到原位。弹性胶泥缓冲器就是借助于压缩弹性胶泥来缓和冲击作用力，同时通过在胶泥变形过程中产生的阻尼吸收冲击能量。

2 弹性胶泥缓冲器刚度特性

由弹性胶泥缓冲器的工作原理可知，其既有阻尼的特性，又有弹性特性，通过阻尼消耗碰撞时的能量，当外力消失时，又能够自复位。因此，可以将缓冲器理解为一个变刚度弹性元件和一个阻尼力随速度变化的阻尼元件的并联模型(开尔文模型)。

设FK为弹性元件的弹性回复力，FC为阻尼元件的阻尼力，则缓冲器总的受力F为：

F=FK+FC.

(1)

本文的研究对象是缓冲器的刚度特性，因此，仅对弹性力进行分析计算。对于刚度基本恒定的弹簧，其弹性力等于刚度k与位移x的乘积，即：

FK=k·x.

(2)

但对于弹性胶泥缓冲器而言，其刚度不是一个恒定值，是一个动态的刚度，因此不能简单地套用弹簧的弹性力计算公式。

由于弹性胶泥结构的特殊性，其具备一定的体积压缩性，在体积受到外部压力而变小的情况下，其内部会产生一个与外力方向相反的弹性回复力,因此，缓冲器弹性力主要是由胶泥的体积压缩产生的。当胶泥缓冲器活塞杆进入缸筒内时，缸筒内体积减小，胶泥被压缩产生压强pδ，则胶泥作用在活塞杆端面产生弹性回复力，其大小为：

(3)

其中：s为活塞杆端面面积；d为活塞杆直径。

胶泥体积压缩率δ与压强pδ是存在一定函数关系的，即：

pδ=f(δ).

(4)

为了使得胶泥缓冲器具有足够大的弹性力，并且能够迅速回弹，活塞杆需要有个初始回复力，即缸筒中的胶泥需要有预压缩。设胶泥的预压缩率为δ0，则缓冲器受压缩时，胶泥体积总压缩率等于预压缩率加上实时压缩率，即：

(5)

其中：V为缸筒内胶泥初始体积；x为活塞杆行程。

由式(3)～式(5)可得到弹性回复力为：

(6)

因此，弹性胶泥缓冲器的刚度特性表现为胶泥体积压缩率δ与压强pδ的关系。要计算出弹性力，必须推导出pδ=f(δ)的具体关系式。由于胶泥是一种高分子材料，其压缩性能与压强的关系通过理论计算很难得出，因此，只能通过试验的方法推导出两者的关系。

3 胶泥压缩率与压强的关系试验

3.1 试验方案

为了测试胶泥的弹性压缩性能，设计了一套胶泥体积压缩性测试工装，由活塞杆、筒体、上下端盖、排气螺钉和密封件等部分组成，如图2所示。

图2 胶泥体积压缩性测试工装

该测试工装内部为空腔，可以储存胶泥，进行试验时，先准确测量内部空腔的体积V0，然后灌满胶泥，锁紧螺盖，待多余的胶泥从排气螺钉处溢出后拧紧排气螺钉，记录活塞杆的初始位置。在电子万能试验机上以1 mm/s的速度施加载荷，同时测量并记录活塞杆的位移x与压缩力Fs。

由内部空腔的初始体积V、活塞杆位移x和活塞杆直径d可以等效计算出胶泥体积压缩率δ：

(7)

由活塞杆的直径d和压缩力Fs可以得到内部胶泥的压强p：

(8)

根据公式(7)和公式(8)，位移x与压缩力Fs的关系可以转化为胶泥体积压缩率δ与压强p的关系。

3.2 试验结果

对弹性胶泥按照3.1所述试验方法和步骤进行试验，记录活塞杆位移与压缩力的数值，并通过公式(7)和公式(8)转化为胶泥压缩率δ和压强p，并拟合出胶泥体积压缩率和压强的关系曲线，如图3所示。

图3 弹性胶泥体积压缩率与压强关的系曲线

从图3中可以看出：弹性胶泥压强建立初始阶段无死区，且弹性胶泥的压强是随着体积压缩率的增加而变大的，但是二者的变化并不是类似弹簧的线性变化，因此要得到两者的关系式，需要对试验数据进行拟合计算。

4 缓冲器弹性力计算

根据试验得到的胶泥体积压缩率与压强的关系曲线，可以利用多项式拟合的方法得到函数关系式，为了尽量还原测试结果，我们采用4次多项式拟合，其表达式为：

pδ=f(δ)=A0δ4+A1δ3+A2δ2+A3δ+A4.

(9)

其中：A0～A4为4次多项式拟合的拟合系数。

对图3中胶泥的试验数据进行拟合计算，得到以下结果：

pδ=f(δ)=

0.002 3δ4-0.027δ3+1.31δ2+9.62δ-1.765.

(10)

由式(6)和式(10)可得弹性力大小为：

(11)

5 试验验证

为了验证公式(11)的正确性，我们选取某型号缓冲器进行验算。将预压缩率δ0=4.5%、初始体积V=2.2 L、活塞杆直径d=54 mm代入公式(11)中，计算出缓冲器在任意行程下的弹性力，并在电子万能试验机上以1 mm/s的速度对缓冲器进行静压试验，测试其在任意行程下的弹性力。得到的缓冲器活塞杆位移与弹性力曲线如图4所示。

由图4可以看出，理论计算与实际测试的结果具有一致性，但两者之间也存在区别，这主要是因为：

图4 缓冲器活塞杆位移与弹性力曲线

(1) 在缓冲器的静压试验中，虽然速度较慢，但是仍然存在一定的阻尼力，影响了最终的测试结果。

(2) 静压试验起步阶段，压缩力从0开始到初始预压力有个很短的建立过程，这个也是正常的。实际情况不可能与理论计算完全一样，起步就是初始预压力。

6 结论

通过本文的分析可以看出，由于弹性胶泥材料的特殊性能，当其体积压缩时，会对外产生弹性力，因此体现出了弹性胶泥缓冲器的刚度特性。缓冲器的弹性力大小是由弹性胶泥的体积压缩率决定的，但是两者并不是简单的线性关系，本文通过试验得出了两者的关系曲线，通过曲线进行拟合，推导出了弹性力与体积压缩率的计算关系式。利用该公式对某型号的缓冲器进行了验算，弹性力的计算结果与实际测试较为一致，说明该计算公式可以作为缓冲器刚度特性研究的理论依据。