高速动车组转向架用牵引拉杆节点的温度—硬度—静态刚度特性试验及分析研究

高速动车组转向架用牵引拉杆节点的温度—硬度—静态刚度特性试验及分析研究

汤轶

南京鉴正质量技术服务有限公司 210000

摘要：高速动车组转向架用牵引拉杆节点是关键部件“牵引拉杆组成”的重要部分，起支撑、牵引、减振作用，它的刚度特性决定减振性能，静态刚度是刚度的关键特性之一，随着材料的硬度及环境温度的变化，刚度也随之改变，本文为了给减振设计和应用提供参考，通过试验、数据分析及模型建立，研究了温度—硬度—静态刚度特性关系，并得到相关结论。

关键词：温度；硬度；刚度；橡胶减振

铁路高速CRH（China Railway High-speed）动车组是中国交通战略发展的关键装备，在经过技术引进消化吸收后，拥有了核心自主知识产权，并保持了国际先进水平，为了深入掌握核心技术并持续改进、提高、发展，各重要部件的技术研究一直在持续开展中。

动车组运行特点是运行加速度快、时速高（运行时速500km/h动车组已在试验运行中）、经纬度跨越大、环境温度变化大（-40℃~+40℃）、平稳性要求高，因此减振部件的减振性能对各系统的稳定性、运行平顺性、旅客的舒适感格外重要。

高速动车组转向架用牵引拉杆节点是关键部件“牵引拉杆组成”的重要部分，在车辆运行过程中实现支撑、牵引、减振作用。静态刚度是拉杆节点的基本性能参数，也是关键参数，目前主要技术要求是常温下刚度指标及极低温下的刚度最大变化率，对于相对高温及整体温度、材料硬度、与刚度的特性研究还在开展中，该研究对于减振部件的设计及应用有着重要意义。本文拟通过对CRH某型转向架用牵引拉杆节点开展静刚度综合试验及影响分析来得到相关结论。

1. 拉杆节点结构及试验设备

拉杆节点由金属外套、阻尼性能优良的天然橡胶内层与金属芯棒经硫化结合而成，其安装于转向架与车体间的牵引拉杆中，连接转向架与车体，如下图1-1。

1—拉杆节点与牵引拉杆组装实物图 2—拉杆节点实物图 3—拉杆节点剖面图

图1-1 拉杆节点实物及剖面图

试验设备包括万能试验机、高低温试验箱、邵氏A硬度计等，静态刚度试验装置如下图1-2.

图1-2 拉杆节点静态刚度试验装置

2. 温度—硬度—静态刚度通用模型建立

（1）拉杆节点的金属芯棒刚度相对很大，刚度试验时受载变形可以看做是橡胶层的变形，所以需要掌握橡胶硬度—温度特性，通过试验对NR50、NR70型号橡胶在一系列高低温状态下的硬度进行了测试，测试数据如下表1：

表1 橡胶硬度—温度特性数据表

通过表1数据得到如下关系图2-1：

图2-1 硬度—温度特性曲线图

通过图形可以看出，大约在253.15K温度左右分别呈线性关系，左右斜率有明显差异，在极低温时橡胶分子与炭黑的刚性链段大量增加，分子力增加明显，橡胶硬度相对温度变化增大。分段建立硬度—温度线性模型：

（2-1）

（2-2）

式中， 为橡胶硬度， 为试验温度， 为常数。

2. 在结构已定，通过试验对NR70型号橡胶材料作为内层的拉杆节点在一系列高低温状态下的刚度进行了测试，测试数据如下表2：

表2 橡胶温度—刚度特性数据表

通过表2数据得到如下关系图2-2：

图
2-2 刚度—温度特性曲线图

通过图形可以看出，大约在253.15K温度左右分别呈线性关系，左右斜率有明显差异，在极低温时刚度相对温度变化增大。分段建立刚度—温度线性模型：

（2-3）

（2-4）

式中， 为刚度， 为常数。

2. 建立温度—硬度—静态刚度特性通用模型

用（2-1）+（2-3）式得到二元线性回归通用模型：

（2-5）

式中， 为常数。

用（2-2）+（2-4）式得到二元线性回归通用模型：

（2-6）

式中， 为常数。

3. 温度—硬度—静态刚度特性试验并求解回归方程

（1）试验设计

根据设备状况、设计经验，对（2-5）模型的硬度、温度、刚度试验设计4个水平，正交2因素水平表如下表3：

表3 刚度正交试验水平表（1）

对（2-6）模型的硬度、温度、刚度试验设计4个水平，正交2因素水平表如下表4：

表4 刚度正交试验水平表（2）

（2）试验并求解回归方程

对表3选用正交表L₁₆(4²)进行试验，试验结果如下表5所示：

表5 ，L₁₆(4²)正交试验结果

对表4选用正交表L₁₆(4²)进行试验，试验结果如下表6所示：

表6 ，L₁₆(4²)正交试验结果

通过表5及表6数据分别求解回归方程（2-5）、（2-6），得到计算模型：

（3-1）

计算上式（3-1）统计值P值为0.005，小于0.01，说明模型显著有意义。

（3-2）

计算上式（3-2）统计值P值为0.006，小于0.01，说明模型显著有意义。

4. 数据分析

绘制（3-1）、（3-2）图形，分别得到结果如图4.1、4.2：

图4.1 ，温度—硬度—静态刚度特性图

图4.2 ，温度—硬度—静态刚度特性图

根据图形结合计算模型，可以看出橡胶材料本身硬度的影响要大于温度，同时在极低温条件下，温度影响变大，刚度增加明显。

5. 结论

1. 牵引拉杆节点的温度—硬度—静态刚度特性具有线性关系，其中橡胶材料本身的特性影响要大于温度，在极低温情况下，环境温度对刚度的影响明显增大，在设计时，需首要考虑材料的特性，并结合低温环境要求。

2. 在减振结构确定的情况下，可以通过计算模型预测满足刚度要求的最佳材料特性值，为设计提供重要参考。

3. 可以通过计算模型预测某一材料全环境温度条件下的刚度曲线范围，为应用提供重要参考。

参考文献

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