一種具有自感知功能與帶隙特性的可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件
1.本發(fā)明屬于高速列車用橡膠節(jié)點件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有自感知功能與帶隙特性的可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件。
背景技術(shù)：
2.隨著列車速度的提升，對于高鐵列車轉(zhuǎn)向架也提出了更高的要求。列車在直線和曲線運行時對于轉(zhuǎn)向架一系縱向定位剛度有著矛盾性的需求。當(dāng)前，用來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架縱向定位的轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件，一般由芯軸、橡膠層和外殼組成，橡膠的參數(shù)安裝后不可變化，難以滿足這一矛盾性剛度需求，一定程度上限制了列車的最大運行速度和運輸效率，也增加了輪軌磨耗和維護(hù)成本，難以發(fā)揮出更優(yōu)的動力學(xué)性能。此外，橡膠節(jié)點件的受力和損壞情況往往依賴人工檢查，工作量大且無法做到使用期間的自主狀態(tài)監(jiān)控，對于列車的安全運行形成一定影響。橡膠節(jié)點作為連接輪對與轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵器件，輪軌激振也會直接通過橡膠節(jié)點件傳向車體，如果能夠針對輪軌的主要影響激振頻率進(jìn)行振動抑制，也將能夠進(jìn)一步提升列車的舒適性。
3.磁流變技術(shù)是一種典型的半主動控制技術(shù)，其中硬磁磁流變彈性體是一種新型的智能材料，在內(nèi)部剩磁的作用下可以保持較大的彈性模量，當(dāng)施加相反方向的電磁場時，彈性模量將會降低，從而實現(xiàn)磁場下剛度可控的特性，這一特性使得硬磁磁流變彈性體可以用來替換現(xiàn)有轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件的橡膠層，在復(fù)合磁場下實現(xiàn)一系縱向定位節(jié)點的剛度可控變化；液態(tài)金屬是一種常溫下為液態(tài)的智能金屬材料，與硬磁顆粒和硅膠進(jìn)行一定的混合可以表現(xiàn)出較好的壓阻效應(yīng)，也即在不同變形下具有不同的阻值；帶隙特性是一種在特定頻率區(qū)間的聲波傳遞受到抑制，在帶隙頻率區(qū)間以外聲波自由傳播的現(xiàn)象，帶隙特性可以利用不同材料的周期排列來實現(xiàn)，有研究表明輪軌的激振頻率往往是在特定頻率處具有較大能量，因此通過帶隙特性對于隔絕輪對激振提升列車舒適性意義重大。
4.經(jīng)過檢索，到相關(guān)的國內(nèi)專利文獻(xiàn)如下：1、公告號為cn 113958660 a，公布日為2022年1月21日的中國發(fā)明專利公開了一種整體式液體橡膠復(fù)合節(jié)點的徑向變剛度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)及方法。其特征在于止擋塊與徑向橡膠層之間留有間距，剛度變化可以通過調(diào)節(jié)止擋塊與徑向橡膠層的間距，以及調(diào)節(jié)徑向橡膠層的厚度，來實現(xiàn)液體橡膠復(fù)合節(jié)點的兩次徑向變剛度調(diào)節(jié)。但是該方案剛度調(diào)整需要對于橡膠層進(jìn)行重裝，不能實時調(diào)整。
5.2、公告號為cn 109455191 a，公布日為2019年3月12日的中國發(fā)明專利公開了一種變剛度轉(zhuǎn)臂節(jié)點。其特征在于在芯軸上設(shè)置有纏繞的油液管道，剛度調(diào)節(jié)機(jī)制在于在節(jié)點低頻運動時，液體可以自由流動，從而產(chǎn)生較小的剛度；在節(jié)點高頻運動時，液體來不及流過管道，從而產(chǎn)生較大的動剛度。不足之處在于，節(jié)點的剛度為外界激勵控制，不能自主調(diào)整，同時缺乏狀態(tài)監(jiān)測功能。
6.3、公告號為cn 113489371 a，公布日為2021年10月8日的中國發(fā)明專利公開了一種饋能型橡膠節(jié)點。其特征在于在橡膠層的下方布有壓電元件，可將橡膠節(jié)點的擠壓變形
轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽俟┩獠康谋O(jiān)控元件使用，從而實現(xiàn)對于橡膠節(jié)點的狀態(tài)監(jiān)測。該節(jié)點較好地實現(xiàn)了狀態(tài)監(jiān)測功能，但是剛度不可變化。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
7.為了解決轉(zhuǎn)臂節(jié)點件實時剛度可調(diào)和自感知狀態(tài)監(jiān)測的問題，實現(xiàn)列車高速穩(wěn)定運行，在轉(zhuǎn)彎時能通電減小剛度，提高列車的彎道通過性，本發(fā)明提供一種具有自感知功能與帶隙特性的可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件。
8.一種具有自感知功能與帶隙特性的可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件包括節(jié)點芯軸1、電磁線圈2、鋼環(huán)3、磁流變彈性體4和外殼5，改進(jìn)在于：可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件中的磁流變彈性體具有壓阻效應(yīng)能夠?qū)τ诠?jié)點的變形進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與反饋，并且特定的周期結(jié)構(gòu)排布具有帶隙特性，能進(jìn)一步抑制振動和噪聲通過轉(zhuǎn)向架傳向車體。具體改進(jìn)結(jié)構(gòu)如下：所述節(jié)點芯軸1的中部徑向開設(shè)有線圈環(huán)槽，所述電磁線圈2固定套設(shè)在線圈環(huán)槽內(nèi)；一對鋼環(huán)3固定對稱套設(shè)在電磁線圈2兩側(cè)的節(jié)點芯軸1上；所述鋼環(huán)3由七個同軸的鋼圈組成；所述磁流變彈性體4為硬磁磁流變彈性體，以64:16:20的質(zhì)量比將釹鐵硼硬磁粉末、硅膠和液態(tài)金屬混合均勻，澆注在相鄰鋼圈的間隙之間，在強(qiáng)磁場下固化，強(qiáng)磁場的方向沿鋼圈的徑向?qū)︹S鐵硼硬磁顆粒進(jìn)行充磁；所述外殼5過盈配合套設(shè)在一對鋼環(huán)3上；當(dāng)電磁線圈2通電時，通過所述節(jié)點芯軸1、一對鋼環(huán)3和外殼5上形成閉合磁路，電磁線圈2將產(chǎn)生與硬磁磁流變彈性體內(nèi)部剩磁相反的電磁場，使得穿過硬磁磁流變彈性體的磁場強(qiáng)度減小。
9.進(jìn)一步的技術(shù)方案如下：所述節(jié)點芯軸1上線圈環(huán)槽的槽寬大于電磁線圈2的寬度，槽深為節(jié)點芯軸1半徑的三分之一。
10.所述電磁線圈2的漆包線為直徑0.51 mm的銅漆包線，電磁線圈2的匝數(shù)為1700匝。
11.所述鋼環(huán)3由七個寬度相同、直徑逐漸增大同軸的鋼圈組成，材質(zhì)為10號鋼，鋼圈的壁厚從內(nèi)到外逐漸減小，鋼圈的最大壁厚為2.25 mm，最小鋼圈的最大壁厚為1.5 mm。
12.在徑向截面中，所述鋼環(huán)3內(nèi)相鄰鋼圈之間的硬磁磁流變彈性體的厚度相同，每層的軸向?qū)挾葟膬?nèi)到外逐漸減小，最大軸向?qū)挾葹?0 mm，最小軸向?qū)挾葹?4 mm。
13.所述釹鐵硼硬磁粉末的粒徑為100 μm。
14.所述液態(tài)金屬為液態(tài)鎵銦合金，其中鎵與銦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為75%和25%。
15.所述硅膠為聚二甲基硅氧烷（pdms），其主劑與固化劑的質(zhì)量比按7:1制成。
16.本發(fā)明的有益技術(shù)效果體現(xiàn)在以下方面：1.本發(fā)明硬磁磁流變彈性體中永磁顆粒的引入，內(nèi)部剩磁使得節(jié)點能夠在不需外界供能的情況下表現(xiàn)出大剛度特性，甚至在節(jié)點控制失效的情況下依然保持大剛度，維持列車高速穩(wěn)定性。使用硬磁顆粒與液態(tài)金屬混合的硬磁磁流變彈性體層制成的可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件，在硬磁顆粒內(nèi)部剩磁與電磁場復(fù)合勵磁下，能夠在直線運行時，無需通電即可表現(xiàn)為較大的剛度，保證直線穩(wěn)定性，在經(jīng)過曲線時施加電流來減小節(jié)點的剛度，從而提升曲線通過性能，為直線和曲線行駛時的不同剛度需求提供解決方案。
17.2.液態(tài)金屬的引入使得硬磁磁流變彈性體具備巨壓阻效應(yīng)，從而準(zhǔn)確地測量節(jié)點件在列車運行過程中所承受的內(nèi)部動應(yīng)力實現(xiàn)自感知功能，為其動應(yīng)力控制和狀態(tài)實時監(jiān)測提供依據(jù)，保證列車安全運行。
18.3.本發(fā)明節(jié)點采用磁流變彈性體環(huán)-鐵環(huán)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其具備帶隙特性，從而能夠抑制輪軌激勵振動向轉(zhuǎn)向架和車體的傳播，提升列車的乘坐舒適性。
附圖說明
19.圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖視圖。
20.圖2為硬磁磁流變彈性體層與鋼環(huán)層的局部視圖。
21.圖3為本發(fā)明轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點的安裝位置圖。
22.圖4為本發(fā)明轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點剛度不同工況的使用狀態(tài)圖。
23.上圖中序號：節(jié)點芯軸1、電磁線圈2、鋼環(huán)3、磁流變彈性體4、外殼5、車輪6、軸箱7、轉(zhuǎn)臂8、構(gòu)架9。轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件為軸對稱結(jié)構(gòu)，箭頭表示硬磁磁流變彈性體預(yù)結(jié)構(gòu)化后內(nèi)部剩磁產(chǎn)生的初始磁路的方向。
具體實施方式
24.下面結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作詳細(xì)介紹。
25.參見圖1，一種具有自感知功能與帶隙特性的可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件包括節(jié)點芯軸1、電磁線圈2、鋼環(huán)3、磁流變彈性體4和外殼5，改進(jìn)如下：磁流變彈性體4中混有液態(tài)金屬，表現(xiàn)出壓阻效應(yīng)從而可以實現(xiàn)節(jié)點變形的感知與監(jiān)測，特定變寬度排列的磁流變彈性體與鋼環(huán)組成的周期結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)帶隙特性，能夠一定程度阻斷輪軌激振通過轉(zhuǎn)向架傳向車體的傳播路徑。
26.具體結(jié)構(gòu)改進(jìn)如下：節(jié)點芯軸1的中部徑向開設(shè)有線圈環(huán)槽，線圈環(huán)槽的槽寬大于電磁線圈2的寬度，槽深為節(jié)點芯軸1半徑的三分之一；電磁線圈2固定套裝在線圈環(huán)槽內(nèi)。電磁線圈2的漆包線為直徑0.51 mm的銅漆包線，電磁線圈2的匝數(shù)為1700匝。
27.參見圖2，鋼環(huán)3由七個寬度相同、直徑逐漸增大同軸的鋼圈組成，材質(zhì)為10號鋼，鋼圈的壁厚從內(nèi)到外逐漸減小，鋼圈的最大壁厚為2.25 mm，最小鋼圈的最大壁厚為1.5 mm。磁流變彈性體4為硬磁磁流變彈性體，以64:16:20的質(zhì)量比將釹鐵硼硬磁粉末、硅膠和液態(tài)金屬混合均勻，澆注在相鄰鋼圈的間隙之間，六層硬磁磁流變彈性體的厚度相同，均為1.5 mm；在1 t強(qiáng)磁場下固化，強(qiáng)磁場的方向沿鋼圈的徑向?qū)︹S鐵硼硬磁顆粒進(jìn)行充磁。一對鋼環(huán)3固定對稱安裝在電磁線圈2兩側(cè)的節(jié)點芯軸1上，其中最小直徑的鋼圈和節(jié)點芯軸1過盈配合。為保證帶隙特性，六層硬磁磁流變彈性體應(yīng)具有相同的承載面積，在徑向截面中，在厚度相同的情況下，每層硬磁磁流變彈性體的軸向?qū)挾葟膬?nèi)到外逐漸減小，最大軸向?qū)挾葹?0 mm，最小軸向?qū)挾葹?4 mm。為實現(xiàn)寬度漸變，澆注時需要在鋼圈間隙處加入不同寬度的圓環(huán)支撐件，從而澆注出每層彈性體所需的軸向?qū)挾取?br>28.釹鐵硼硬磁粉末的粒徑為100 μm。液態(tài)金屬為液態(tài)鎵銦合金，其中鎵與銦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為75%和25%。硅膠為聚二甲基硅氧烷（pdms），其主劑與固化劑的質(zhì)量比按7:1制成。
29.外殼5為管狀結(jié)構(gòu)，材料為10號鋼，過盈配合套裝在一對鋼環(huán)3的最大直徑的鋼圈上。
30.當(dāng)電磁線圈2通電時，通過節(jié)點芯軸1、一對鋼環(huán)3和外殼5上形成閉合磁路，電磁線圈2將產(chǎn)生與硬磁磁流變彈性體內(nèi)部剩磁相反的電磁場，使得穿過硬磁磁流變彈性體的磁場強(qiáng)度減小。
31.自感知的可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件的安裝位置如圖3所示，其中節(jié)點芯軸1的兩端分別連接著轉(zhuǎn)向架構(gòu)架9的叉形結(jié)構(gòu)，外殼5與轉(zhuǎn)臂8的抱箍進(jìn)行配合，可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件的主要受力為火車輪對縱向和橫向的力，主要剛度變化體現(xiàn)在縱向上對火車輪對進(jìn)行彈性定位。其使用狀態(tài)如圖4所示，本發(fā)明可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件為彈性結(jié)構(gòu)，在縱向和橫向上的定位剛度分別以兩個彈簧進(jìn)行示意，在直線軌道運行時，可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件需要為較大的縱向定位剛度，從而保證輪對能夠抑制列車蛇形運動，降低輪對在橫向上的晃動，從而實現(xiàn)較好的直線穩(wěn)定性和舒適性；在彎道上運行時，可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件需要為較小的縱向定位剛度，從而保證輪對能夠?qū)崿F(xiàn)良好的導(dǎo)向功能適應(yīng)線路曲率的變化，以及減小輪對橫向力和磨耗，實現(xiàn)較好的彎道通過性。在不同路段，進(jìn)行剛度的可控調(diào)節(jié)，從而保障列車的安全性和舒適性。
32.可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件的工作原理詳細(xì)說明如下：硬磁磁流變彈性體具有彈性模量隨外界磁場變化的特性，同時硬磁磁流變彈性體在強(qiáng)磁場下固化完成，在內(nèi)部剩磁與電磁場的復(fù)合勵磁下，可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件能產(chǎn)生可控的外界磁場。具體而言，無需通電在硬磁顆粒內(nèi)部剩磁的作用下，可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件表現(xiàn)為大剛度，能滿足列車的直線穩(wěn)定性要求；在經(jīng)過曲線時，通過電磁線圈2產(chǎn)生相反的磁場，減小通過硬磁磁流變彈性體的磁場強(qiáng)度，使可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件表現(xiàn)為小剛度，能提升列車的曲線通過性。
33.自感知功能的原理在于：硬磁磁流變彈性體中還混合了液體金屬，使硬磁磁流變彈性體在受到外力擠壓時，呈現(xiàn)出電阻值明顯減小的現(xiàn)象。在擠壓變形過程中，液態(tài)金屬將被擠入硬磁顆粒和基體間的間隙中，從而大幅增加顆粒間的電接觸數(shù)量引起電阻減小。結(jié)合外部電路，能對可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件的內(nèi)部受力情況進(jìn)行實時監(jiān)測，進(jìn)而能夠在可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件內(nèi)部出現(xiàn)異常應(yīng)力變化時對可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件進(jìn)行控制或更換，從而保障高鐵的運行安全性。除此以外，本發(fā)明可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件對其內(nèi)部動應(yīng)力的自感知能力還將為節(jié)點剛度控制提供依據(jù)，保證高鐵在直線高速行駛時的穩(wěn)定性以及彎道行駛時的通過性。
34.利用帶隙特性能夠提升列車舒適性的原理在于：利用硬磁磁流變彈性體與鋼環(huán)3形成的多層結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)抑制特定頻率區(qū)間振動的帶隙特性，輪軌激振也呈現(xiàn)出特定頻率振動劇烈的特性，而可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件是直接連接輪對與列車的轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵部件，通過參數(shù)設(shè)計使得可變剛度轉(zhuǎn)臂橡膠節(jié)點件剛好產(chǎn)生對應(yīng)頻率的帶隙區(qū)間，抑制輪軌激振通過轉(zhuǎn)向架傳向車體，從而進(jìn)一步提升列車的舒適性。
35.本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
