CN107989953A - 基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，火车在弯道行驶时要求轮对纵向定位刚度较小利于转向，而行驶在直道时要求轮对纵向定位刚度较大来保证运行稳定性。利用刚度可控的轮对纵向定位橡胶节点来解决上述矛盾。本发明提出两种技术方案，主要包括磁流变液，励磁线圈，节点弹性体，节点外套和节点芯轴。节点芯轴经过特殊设计来实现控制流经其内部的磁流变液。励磁线圈控制磁流变液所处间隙的磁场强度，从而控制橡胶节点的纵向刚度。节点弹性体的外表面经过硫化处理和节点外套内壁连接，其内表面和节点芯轴的外表面连接。此橡胶节点属半主动控制，具有耗能少，结构紧凑简单，安全性高，易于替换现有被动式火车橡胶节点等特点。
Description
技术领域
本发明涉及火车用变刚度装置的技术领域，具体涉及一种基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点。
背景技术
随着高速铁路的快速发展，高铁的稳定性，舒适性和安全性等问题变得越来越重要。火车在直道和弯道上行驶时对于转向架的要求是不一样。在直道上特别是直道高速行驶时要求转向架具有较大刚度和阻尼来保证列车的稳定性和安全性。而当列车行驶在弯道时，要求转向架刚度，特别是纵向刚度较小以提高铁路机车的弯道通过性能。而上述对于转向架参数可调的要求，被动的转向架很难达到。因此亟需寻求刚度参数可调，易于控制，稳定性好的控制方法来提升火车的整体性能，为此本发明提出了一种基于磁流变液的新型刚度可控轮对定位橡胶节点。橡胶节点是用来连接转向架构架和轮对的装置。这一橡胶节点的使用能够限制轴箱和构架之间纵向和横向的相对位移同时实现弹性定位，决定了轮对纵向定位刚度。而这一刚度数值对火车弯道通过性和高速稳定性有这至关重要的影响。
磁流变技术是一种典型的半主动控制技术。它利用磁流变这一智能材料其自身物理性质由外界磁场可控的特性开发而成。磁流变液作为一种典型的磁流变材料，具有可逆性好(撤去磁场后又恢复初始状态)，响应速度快(ms量级)，控制参数简单(调节电流)等优点。磁流变器件可以分为两种状态，被动状态和激励状态。在被动状态时，没有外加电流，磁流变器件与普通的被动式减振器件相似。而在激励状态，磁流变材料的流变性发生改变，其自身粘度随磁场的变化而发生变化，经过设计与优化，磁流变器件的阻尼特性或刚度特性也随着外加电流的变化而变化。综上所述磁流变技术是用来开发刚度可变火车轮对定位节点最为理想的技术。
具体来说，在列车设计过程中，橡胶节点的刚度对于列车的高速稳定性和曲线通过性能的影响完全是相反的，在设计中也是相互矛盾的。一方面，较小的轮对纵向刚度能使列车获得良好的弯道通过性能，同时能够大幅度降低列车的轮轨力，轮轨磨耗和轮轨噪声。这样一来，当列车在曲线上行驶时，利用自导向效应，轮对可以径向调整，从而减小轮缘对轨道的冲角提高车辆的曲线通过性能。另一方面。现代行走机构必须达到200km/h或者更高的高速运行速度。这样一来，就需要保证列车在高速行驶时的稳定性。高速行驶的稳定性就需要尽可能的提高轮对的纵向定位刚度。综上所述，橡胶节点刚度的设计至关重要，同时刚度不可变的被动橡胶节点又很难同时满足弯道行驶和直线行驶对于橡胶节点刚度的不同要求。所以开发一种智能的，刚度可调的橡胶节点来满足列车的高速稳定性和曲线通过性的不同刚度需求至关重要。为解决这一问题，本发明提出了一种基于磁流变技术的刚度可调的列车用弹性橡胶节点。这一新型轮对定位节点能够为直道和弯道对橡胶节点的不同刚度需求提供的完美的解决方案。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：列车行驶在弯道和直道铁轨上时对于转向架的参数要求差异较大，具体来说列车需要较大的纵向定位刚度来确保列车在直道上高速行驶时的稳定性，同时列车又需要较小的纵向刚度来提高列车的弯道通过性能。现有的被动式橡胶节点无法满足这一相互矛盾的刚度需求。为克服现有被动式橡胶节点的缺点，本发明提出了一种基于磁流变液的刚度可控的橡胶节点。这一节点可在车辆高速行驶时提供较大的定位刚度来保证车辆的行驶稳定性和安全性，当车辆低速通过弯道时，提供较小的轮对定位刚度来提高火车的弯道通过性能，从而降低轮对和铁轨磨损降低维护成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，包括磁流变液，节点弹性体，励磁线圈，还包括节点芯轴一，励磁线圈绕在节点芯轴一的两端凹槽内，节点芯轴一中部开有中心口保证磁流变液可以流过，磁流变液的流变特性由励磁线圈控制，磁流变液流变特性的改变会引起节点刚度的改变。
其中，节点芯轴一中间位置开有通孔供磁流变液流经使用，节点芯轴一本身为非导磁性材料，节点芯轴一内部开有通孔，通孔中装有两根导磁性轴，在安装过程中，两根导磁性轴中部留有间隙供磁流变液流经使用，此间隙在励磁线圈通电时会产生磁场从而控制磁流变液的流变特性，从而控制节点刚度。
其中，节点弹性体的中间部位内侧开有凹槽，节点在励磁线圈未通电状态下工作时凹槽侧面和上部弹性体都被压缩，整体刚度较低，当励磁线圈通电时，磁流变液会转变成半固体状态，凹槽侧面弹性体不会被压缩，只有凹槽上部的弹性体被压缩，表现出来大刚度。
一种基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，包括磁流变液，节点弹性体，励磁线圈，还包括磁流变阻尼器，节点芯轴二和节点弹性体，节点芯轴二中部开有大孔，磁流变阻尼器安装在节点芯轴二中部的大孔内，磁流变阻尼器的出杆两端分别和节点弹性体的凹槽底部表面连接，磁流变阻尼器的阻尼力受外加电流控制，从而控制节点刚度。
其中，所述的磁流变阻尼器可以是各种类型的磁流变阻尼器如单出杆式磁流变阻尼器、双出杆式磁流变阻尼器、内通道式磁流变阻尼器、旁通式磁流变阻尼器等。
其中，节点弹性体的中间部位内侧开有凹槽，节点在励磁线圈未通电状态下工作时凹槽侧面和上部弹性体都被压缩，整体刚度较低，当励磁线圈通电时，磁流变液会转变成半固体状态，凹槽侧面弹性体不会被压缩，只有凹槽上部的弹性体被压缩，表现出来大刚度。
本发明的有益效果是：
本发明针对普通的橡胶节点无法满足火车行驶在弯道和直道上时对轮对定位刚度的不同要求，提出了基于磁流变液的新型刚度可控橡胶节点。这一设计能够在火车行驶在弯道时提供小刚度满足弯道通过性的需求，同时可以在火车在直道上高速行驶时提供大刚度保证火车的稳定性。除此以外，本发明提出的新型变刚度橡胶节点的外形尺寸和安装尺寸和火车原有的定位节点相同，易于替换火车原有橡胶节点，实用性强。同时，本发明属于半主动控制，运行安全性好，能量消耗小。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图。
图2为利用万能材料拉伸机(MTS)对节点a进行拉伸测试结果图。
图3为本发明实施例2结构示意图。
图4为利用万能材料拉伸机(MTS)对节点b进行拉伸测试结果图。
其中，1为磁流变液，2为节点弹性体，3A为节点芯轴一，3B为节点芯轴二，4为励磁线圈，5为第一端盖，6为第一导磁性杆，7为间隙，8为第一紧固螺丝，9为第二导磁性杆，10为第一侧面板，11为节点外套，12为磁流变阻尼器杆和节点弹性体间连接件，13为磁流变阻尼器，14为第二紧固螺丝，15为第二端盖，16为第二侧面板。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，本发明所述基于磁流变液的变刚度火车用橡胶节点主要由磁流变液1，节点弹性体2，励磁线圈4组成，励磁线圈4安装在节点芯轴一3A的两端凹槽内，节点芯轴一3A中部开有中心口保证磁流变液1可在两个凹槽间流动。节点芯轴一3A本身为非导磁性材料，节点芯轴一3A内部开有通孔，通孔中装有两根导磁性轴即第一导磁性杆6和第二导磁性杆9，安装方式为过盈配合。在安装过程中，两根导磁性轴中部留有间隙7供磁流变液流经使用。在励磁线圈4通电时，会产生如图1中所示的封闭磁场，磁场通过两轴间的间隙7从而控制磁流变液的流变特性。在图1中的节点弹性体2中间部位内侧开有凹槽，节点在励磁线圈4未通电状态下工作时磁流变液1可以在节点芯轴一3A两端的凹槽间随意流动，凹槽侧面弹性体和凹槽上部弹性体都会被压缩，整体刚度较低。当励磁线圈4通电时，两轴间间隙7内的磁流变液会转变成半固体状态从而将节点芯轴一3A中间孔阻塞。中间孔阻塞将导致磁流变液1无法在两个凹槽间来回流动，从而导致在橡胶节点工作时凹槽侧面弹性体不会被压缩，只有凹槽上部的弹性体被压缩，这时橡胶节点整体表现出大刚度。所述轴箱定位节点的节点芯轴一3A长度大于节点外套11长度。节点芯轴一3A两端伸出到节点外套11外，通过铰接和转向架构架连接。定位节点的节点外套11通过焊接等方式和转臂或者拉杆等连接。
图2为利用万能材料拉伸机(MTS)对节点a进行拉伸测试结果图，实验时控制节点a轴向位移为±1.5mm、振动频率为0.5Hz。观察实验结果，通入1A励磁电流的节点刚度要比通入0A励磁电流的节点刚度大，这说明励磁电流较大时，节点刚度较大。
实施例2
如图3所示，变刚度橡胶节点主要包括磁流变阻尼器13，节点芯轴二3B和节点弹性体2。节点芯轴二3B中部开有大孔，磁流变阻尼器13安装在节点芯轴二3B中部的大孔内，磁流变阻尼器13出杆两端的磁流变阻尼器杆和节点弹性体间连接件12分别和节点弹性体2连接。实施例2中的节点弹性体2内部同样开有凹槽，磁流变阻尼器13的两端和凹槽的底部连接。在橡胶节点未通电状态下工作时，磁流变阻尼器13阻尼力较小，这是凹槽侧面及上部的弹性体都将被压缩，整体表现出小刚度。当磁流变阻尼器13通电时阻尼力较大，此时较大的阻尼力将限制磁流变阻尼器杆的运动，从而在橡胶节点工作时，凹槽两侧的弹性体不会被压缩而只有凹槽上部的弹性体被压缩。在此工作状态下，橡胶节点的整体刚度较大。所述轴箱定位节点的节点芯轴二3B长度大于节点外套11长度。节点芯轴二3B两端伸出到节点外套11外。通过铰接和转向架构架连接。定位节点的节点外套11通过焊接等方式和转臂或者拉杆等连接。
图4为利用万能材料拉伸机(MTS)对节点b进行拉伸测试结果图，实验时控制节点b轴向位移为±1.5mm、振动频率为1Hz。观察实验结果，通入1.6A励磁电流的节点刚度要比通入0A励磁电流的节点刚度大，这说明励磁电流较大时，节点刚度较大。
Claims (6)
1.一种基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，包括磁流变液(1)，节点弹性体(2)，励磁线圈(4)，其特征在于：还包括节点芯轴一(3A)，励磁线圈(4)绕在节点芯轴一(3A)的两端凹槽内，节点芯轴一(3A)中部开有中心口保证磁流变液(1)可以流过，磁流变液(1)的流变特性由励磁线圈(4)控制，磁流变液(1)流变特性的改变会引起节点刚度的改变。
2.根据权利要求1所述的基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，其特征在于：节点芯轴一(3A)中间位置开有通孔供磁流变液(1)流经使用，节点芯轴一(3A)本身为非导磁性材料，节点芯轴一(3A)内部开有通孔，通孔中装有两根导磁性轴，在安装过程中，两根导磁性轴中部留有间隙(7)供磁流变液(1)流经使用，此间隙(7)在励磁线圈(4)通电时会产生磁场从而控制磁流变液(1)的流变特性，从而控制节点刚度。
3.根据权利要求1所述的基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，其特征在于：节点弹性体(2)的中间部位内侧开有凹槽，节点在励磁线圈(4)未通电状态下工作时凹槽侧面和上部弹性体都被压缩，整体刚度较低，当励磁线圈(4)通电时，磁流变液(1)会转变成半固体状态，凹槽侧面弹性体不会被压缩，只有凹槽上部的弹性体被压缩，表现出来大刚度。
4.一种基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，包括磁流变液(1)，节点弹性体(2)，励磁线圈(4)，其特征在于：还包括磁流变阻尼器(13)，节点芯轴二(3B)和节点弹性体(2)，节点芯轴二(3B)中部开有大孔，磁流变阻尼器(13)安装在节点芯轴二(3B)中部的大孔内，磁流变阻尼器(13)的出杆两端分别和节点弹性体(2)的凹槽底部表面连接，磁流变阻尼器(13)的阻尼力受外加电流控制，从而控制节点刚度。
5.根据权利要求4所述的基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，其特征在于：所述的磁流变阻尼器(13)可以是各种类型的磁流变阻尼器如单出杆式磁流变阻尼器、双出杆式磁流变阻尼器、内通道式磁流变阻尼器、旁通式磁流变阻尼器等。
6.根据权利要求4所述的基于磁流变液的火车用变刚度橡胶节点，其特征在于：节点弹性体(2)的中间部位内侧开有凹槽，节点在励磁线圈(4)未通电状态下工作时凹槽侧面和上部弹性体都被压缩，整体刚度较低，当励磁线圈(4)通电时，磁流变液会转变成半固体状态，凹槽侧面弹性体不会被压缩，只有凹槽上部的弹性体被压缩，表现出来大刚度。
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