CN115384567A - 一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点，可实现转向架一系纵向定位刚度的可控变化和状态监测功能。所述节点包含硬磁磁流变弹性体、芯轴、外壳、钢环、电磁线圈等部件，硬磁磁流变弹性体在内部剩磁与电磁场的作用下，可以实现节点的刚度可控，从而满足列车的高速直线稳定性与曲线通过性的矛盾性刚度需求。弹性体中加入了液态金属，呈现出明显的压阻效应，可用于橡胶节点内应力的监测和位移反馈。此外多层结构的设计使节点具有带隙特性，能够对轮轨激振通过转向架传向车体的振动进行抑制，从而进一步提升列车舒适性。本发明设计节点可与当前橡胶节点进行替换，对于提升高铁列车动力学性能和安全性具有重要价值。

Description

一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件

技术领域

本发明属于高速列车用橡胶节点件技术领域，具体涉及一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件。

背景技术

随着列车速度的提升，对于高铁列车转向架也提出了更高的要求。列车在直线和曲线运行时对于转向架一系纵向定位刚度有着矛盾性的需求。当前，用来实现转向架纵向定位的转臂橡胶节点件，一般由芯轴、橡胶层和外壳组成，橡胶的参数安装后不可变化，难以满足这一矛盾性刚度需求，一定程度上限制了列车的最大运行速度和运输效率，也增加了轮轨磨耗和维护成本，难以发挥出更优的动力学性能。此外，橡胶节点件的受力和损坏情况往往依赖人工检查，工作量大且无法做到使用期间的自主状态监控，对于列车的安全运行形成一定影响。橡胶节点作为连接轮对与转向架的关键器件，轮轨激振也会直接通过橡胶节点件传向车体，如果能够针对轮轨的主要影响激振频率进行振动抑制，也将能够进一步提升列车的舒适性。

磁流变技术是一种典型的半主动控制技术，其中硬磁磁流变弹性体是一种新型的智能材料，在内部剩磁的作用下可以保持较大的弹性模量，当施加相反方向的电磁场时，弹性模量将会降低，从而实现磁场下刚度可控的特性，这一特性使得硬磁磁流变弹性体可以用来替换现有转臂橡胶节点件的橡胶层，在复合磁场下实现一系纵向定位节点的刚度可控变化；液态金属是一种常温下为液态的智能金属材料，与硬磁颗粒和硅胶进行一定的混合可以表现出较好的压阻效应，也即在不同变形下具有不同的阻值；带隙特性是一种在特定频率区间的声波传递受到抑制，在带隙频率区间以外声波自由传播的现象，带隙特性可以利用不同材料的周期排列来实现，有研究表明轮轨的激振频率往往是在特定频率处具有较大能量，因此通过带隙特性对于隔绝轮对激振提升列车舒适性意义重大。

经过检索，找到相关的国内专利文献如下：

1、公告号为CN 113958660 A，公布日为2022年1月21日的中国发明专利公开了一种整体式液体橡胶复合节点的径向变刚度调节结构及方法。其特征在于止挡块与径向橡胶层之间留有间距，刚度变化可以通过调节止挡块与径向橡胶层的间距，以及调节径向橡胶层的厚度，来实现液体橡胶复合节点的两次径向变刚度调节。但是该方案刚度调整需要对于橡胶层进行重装，不能实时调整。

2、公告号为CN 109455191 A，公布日为2019年3月12日的中国发明专利公开了一种变刚度转臂节点。其特征在于在芯轴上设置有缠绕的油液管道，刚度调节机制在于在节点低频运动时，液体可以自由流动，从而产生较小的刚度；在节点高频运动时，液体来不及流过管道，从而产生较大的动刚度。不足之处在于，节点的刚度为外界激励控制，不能自主调整，同时缺乏状态监测功能。

3、公告号为CN 113489371 A，公布日为2021年10月8日的中国发明专利公开了一种馈能型橡胶节点。其特征在于在橡胶层的下方布有压电元件，可将橡胶节点的挤压变形转变为电能，再供外部的监控元件使用，从而实现对于橡胶节点的状态监测。该节点较好地实现了状态监测功能，但是刚度不可变化。

发明内容

为了解决转臂节点件实时刚度可调和自感知状态监测的问题，实现列车高速稳定运行，在转弯时能通电减小刚度，提高列车的弯道通过性，本发明提供一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件。

一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件包括节点芯轴1、电磁线圈2、钢环3、磁流变弹性体4和外壳5，改进在于：可变刚度转臂橡胶节点件中的磁流变弹性体具有压阻效应能够对于节点的变形进行状态监测与反馈，并且特定的周期结构排布具有带隙特性，能进一步抑制振动和噪声通过转向架传向车体。具体改进结构如下：

所述节点芯轴1的中部径向开设有线圈环槽，所述电磁线圈2固定套设在线圈环槽内；

一对钢环3固定对称套设在电磁线圈2两侧的节点芯轴1上；

所述钢环3由七个同轴的钢圈组成；所述磁流变弹性体4为硬磁磁流变弹性体，以64:16:20的质量比将钕铁硼硬磁粉末、硅胶和液态金属混合均匀，浇注在相邻钢圈的间隙之间，在强磁场下固化，强磁场的方向沿钢圈的径向对钕铁硼硬磁颗粒进行充磁；

所述外壳5过盈配合套设在一对钢环3上；

当电磁线圈2通电时，通过所述节点芯轴1、一对钢环3和外壳5上形成闭合磁路，电磁线圈2将产生与硬磁磁流变弹性体内部剩磁相反的电磁场，使得穿过硬磁磁流变弹性体的磁场强度减小。

进一步的技术方案如下：

所述节点芯轴1上线圈环槽的槽宽大于电磁线圈2的宽度，槽深为节点芯轴1半径的三分之一。

所述电磁线圈2的漆包线为直径0.51 mm的铜漆包线，电磁线圈2的匝数为1700匝。

所述钢环3由七个宽度相同、直径逐渐增大同轴的钢圈组成，材质为10号钢，钢圈的壁厚从内到外逐渐减小，钢圈的最大壁厚为2.25 mm，最小钢圈的最大壁厚为1.5 mm。

在径向截面中，所述钢环3内相邻钢圈之间的硬磁磁流变弹性体的厚度相同，每层的轴向宽度从内到外逐渐减小，最大轴向宽度为20 mm，最小轴向宽度为14 mm。

所述钕铁硼硬磁粉末的粒径为100 μm。

所述液态金属为液态镓铟合金，其中镓与铟的质量分数分别为75%和25%。

所述硅胶为聚二甲基硅氧烷（PDMS），其主剂与固化剂的质量比按7:1制成。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1.本发明硬磁磁流变弹性体中永磁颗粒的引入，内部剩磁使得节点能够在不需外界供能的情况下表现出大刚度特性，甚至在节点控制失效的情况下依然保持大刚度，维持列车高速稳定性。使用硬磁颗粒与液态金属混合的硬磁磁流变弹性体层制成的可变刚度转臂橡胶节点件，在硬磁颗粒内部剩磁与电磁场复合励磁下，能够在直线运行时，无需通电即可表现为较大的刚度，保证直线稳定性，在经过曲线时施加电流来减小节点的刚度，从而提升曲线通过性能，为直线和曲线行驶时的不同刚度需求提供解决方案。

2.液态金属的引入使得硬磁磁流变弹性体具备巨压阻效应，从而准确地测量节点件在列车运行过程中所承受的内部动应力实现自感知功能，为其动应力控制和状态实时监测提供依据，保证列车安全运行。

3.本发明节点采用磁流变弹性体环-铁环周期结构设计，使其具备带隙特性，从而能够抑制轮轨激励振动向转向架和车体的传播，提升列车的乘坐舒适性。

附图说明

图1为本发明的结构剖视图。

图2为硬磁磁流变弹性体层与钢环层的局部视图。

图3为本发明转臂橡胶节点的安装位置图。

图4为本发明转臂橡胶节点刚度不同工况的使用状态图。

上图中序号：节点芯轴1、电磁线圈2、钢环3、磁流变弹性体4、外壳5、车轮6、轴箱7、转臂8、构架9。转臂橡胶节点件为轴对称结构，箭头表示硬磁磁流变弹性体预结构化后内部剩磁产生的初始磁路的方向。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明的技术方案作详细介绍。

参见图1，一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件包括节点芯轴1、电磁线圈2、钢环3、磁流变弹性体4和外壳5，改进如下：磁流变弹性体4中混有液态金属，表现出压阻效应从而可以实现节点变形的感知与监测，特定变宽度排列的磁流变弹性体与钢环组成的周期结构，呈现带隙特性，能够一定程度阻断轮轨激振通过转向架传向车体的传播路径。

具体结构改进如下：

节点芯轴1的中部径向开设有线圈环槽，线圈环槽的槽宽大于电磁线圈2的宽度，槽深为节点芯轴1半径的三分之一；电磁线圈2固定套装在线圈环槽内。电磁线圈2的漆包线为直径0.51 mm的铜漆包线，电磁线圈2的匝数为1700匝。

参见图2，钢环3由七个宽度相同、直径逐渐增大同轴的钢圈组成，材质为10号钢，钢圈的壁厚从内到外逐渐减小，钢圈的最大壁厚为2.25 mm，最小钢圈的最大壁厚为1.5mm。磁流变弹性体4为硬磁磁流变弹性体，以64:16:20的质量比将钕铁硼硬磁粉末、硅胶和液态金属混合均匀，浇注在相邻钢圈的间隙之间，六层硬磁磁流变弹性体的厚度相同，均为1.5 mm；在1 T强磁场下固化，强磁场的方向沿钢圈的径向对钕铁硼硬磁颗粒进行充磁。一对钢环3固定对称安装在电磁线圈2两侧的节点芯轴1上，其中最小直径的钢圈和节点芯轴1过盈配合。为保证带隙特性，六层硬磁磁流变弹性体应具有相同的承载面积，在径向截面中，在厚度相同的情况下，每层硬磁磁流变弹性体的轴向宽度从内到外逐渐减小，最大轴向宽度为20 mm，最小轴向宽度为14 mm。为实现宽度渐变，浇注时需要在钢圈间隙处加入不同宽度的圆环支撑件，从而浇注出每层弹性体所需的轴向宽度。

钕铁硼硬磁粉末的粒径为100 μm。液态金属为液态镓铟合金，其中镓与铟的质量分数分别为75%和25%。硅胶为聚二甲基硅氧烷（PDMS），其主剂与固化剂的质量比按7:1制成。

外壳5为管状结构，材料为10号钢，过盈配合套装在一对钢环3的最大直径的钢圈上。

当电磁线圈2通电时，通过节点芯轴1、一对钢环3和外壳5上形成闭合磁路，电磁线圈2将产生与硬磁磁流变弹性体内部剩磁相反的电磁场，使得穿过硬磁磁流变弹性体的磁场强度减小。

自感知的可变刚度转臂橡胶节点件的安装位置如图3所示，其中节点芯轴1的两端分别连接着转向架构架9的叉形结构，外壳5与转臂8的抱箍进行配合，可变刚度转臂橡胶节点件的主要受力为火车轮对纵向和横向的力，主要刚度变化体现在纵向上对火车轮对进行弹性定位。其使用状态如图4所示，本发明可变刚度转臂橡胶节点件为弹性结构，在纵向和横向上的定位刚度分别以两个弹簧进行示意，在直线轨道运行时，可变刚度转臂橡胶节点件需要为较大的纵向定位刚度，从而保证轮对能够抑制列车蛇形运动，降低轮对在横向上的晃动，从而实现较好的直线稳定性和舒适性；在弯道上运行时，可变刚度转臂橡胶节点件需要为较小的纵向定位刚度，从而保证轮对能够实现良好的导向功能适应线路曲率的变化，以及减小轮对横向力和磨耗，实现较好的弯道通过性。在不同路段，进行刚度的可控调节，从而保障列车的安全性和舒适性。

可变刚度转臂橡胶节点件的工作原理详细说明如下：

硬磁磁流变弹性体具有弹性模量随外界磁场变化的特性，同时硬磁磁流变弹性体在强磁场下固化完成，在内部剩磁与电磁场的复合励磁下，可变刚度转臂橡胶节点件能产生可控的外界磁场。具体而言，无需通电在硬磁颗粒内部剩磁的作用下，可变刚度转臂橡胶节点件表现为大刚度，能满足列车的直线稳定性要求；在经过曲线时，通过电磁线圈2产生相反的磁场，减小通过硬磁磁流变弹性体的磁场强度，使可变刚度转臂橡胶节点件表现为小刚度，能提升列车的曲线通过性。

自感知功能的原理在于：硬磁磁流变弹性体中还混合了液体金属，使硬磁磁流变弹性体在受到外力挤压时，呈现出电阻值明显减小的现象。在挤压变形过程中，液态金属将被挤入硬磁颗粒和基体间的间隙中，从而大幅增加颗粒间的电接触数量引起电阻减小。结合外部电路，能对可变刚度转臂橡胶节点件的内部受力情况进行实时监测，进而能够在可变刚度转臂橡胶节点件内部出现异常应力变化时对可变刚度转臂橡胶节点件进行控制或更换，从而保障高铁的运行安全性。除此以外，本发明可变刚度转臂橡胶节点件对其内部动应力的自感知能力还将为节点刚度控制提供依据，保证高铁在直线高速行驶时的稳定性以及弯道行驶时的通过性。

利用带隙特性能够提升列车舒适性的原理在于：利用硬磁磁流变弹性体与钢环3形成的多层结构，能实现抑制特定频率区间振动的带隙特性，轮轨激振也呈现出特定频率振动剧烈的特性，而可变刚度转臂橡胶节点件是直接连接轮对与列车的转向架的关键部件，通过参数设计使得可变刚度转臂橡胶节点件刚好产生对应频率的带隙区间，抑制轮轨激振通过转向架传向车体，从而进一步提升列车的舒适性。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件，包括节点芯轴（1）、电磁线圈（2）、钢环（3）、磁流变弹性体（4）和外壳（5），其特征在于：

所述节点芯轴（1）的中部径向开设有线圈环槽，所述电磁线圈（2）固定套设在线圈环槽内；

一对钢环（3）固定对称套设在电磁线圈（2）两侧的节点芯轴（1）上；

所述钢环（3）由七个同轴的钢圈组成；所述磁流变弹性体（4）为硬磁磁流变弹性体，将钕铁硼硬磁粉末、硅胶和液态金属按质量比为64:16:20混合均匀，浇注在相邻钢圈的间隙之间，在强磁场下固化，强磁场的方向沿钢圈的径向对钕铁硼硬磁颗粒进行充磁；

所述外壳（5）过盈配合套设在一对钢环（3）上；

当电磁线圈（2）通电时，通过所述节点芯轴（1）、一对钢环（3）和外壳（5）上形成闭合磁路，电磁线圈（2）将产生与硬磁磁流变弹性体内部剩磁相反的电磁场，使得穿过硬磁磁流变弹性体的磁场强度减小。

2.根据权利要求1所述一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述节点芯轴（1）上线圈环槽的槽宽大于电磁线圈（2）的宽度，槽深为节点芯轴（1）半径的三分之一。

3.根据权利要求1所述一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述电磁线圈（2）的漆包线为直径0.51 mm的铜漆包线，电磁线圈（2）的匝数为1700匝。

4.根据权利要求1所述一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述钢环（3）由七个宽度相同、直径逐渐增大同轴的钢圈组成，材质为10号钢，钢圈的壁厚从内到外逐渐减小，钢圈的最大壁厚为2.25 mm，最小钢圈的最大壁厚为1.5mm。

5.根据权利要求1所述一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：在径向截面中，所述钢环（3）内相邻钢圈之间的硬磁磁流变弹性体的厚度相同，每层的轴向宽度从内到外逐渐减小，最大轴向宽度为20 mm，最小轴向宽度为14 mm。

6.根据权利要求1所述一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述钕铁硼硬磁粉末的粒径为100 μm。

7.根据权利要求1所述一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述液态金属为液态镓铟合金，其中镓与铟的质量分数分别为75%和25%。

8.根据权利要求1所述一种具有自感知功能与带隙特性的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述硅胶为聚二甲基硅氧烷。

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