磁流变弹性体扣件弹性垫板制备及弹性可调性能研究.pdf
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1、第 20 卷 第 10 期2023 年 10 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 10October 2023磁流变弹性体扣件弹性垫板制备及弹性可调性能研究崔树坤1,3,王亚洲1,2,周尧2,刘长溪2,张鹏瑶2(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所,北京 100081;2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司 研发中心,北京 102206;3.高速铁路轨道技术国家重点实验室,北京 100081)摘要:由于轨道扣件弹性垫板的刚度特性对车辆轨道耦合动力作用等关键问题均会产生较大影响,其刚
2、度指标的适配性问题一直是轨道结构方面的研究重点。亟需一种刚度特征可调的扣件弹性垫板,从而根据线路区段的运行条件对不同刚度的适应性进行评估。为实现垫板刚度的实时调整,结合磁流变弹性体材料的弹性可变特性,以天然橡胶及顺丁橡胶作为基体,设计并研制了刚度可调的扣件磁流变弹性垫板。同时,通过动、静力学性能试验研究不同配方的磁流变弹性体材料磁致力学性能,及磁流变弹性垫板在外加不同强度磁场下的动、静刚度调整量。研究结果表明:在压缩交变载荷下,所制备的天然橡胶基磁流变弹性体材料的储能模量随着外加磁场的增高而增大,而损耗系数随外加磁场的增高而减小,具有明显的磁流变效应。其磁致力学性能与羰基铁粉的粒径有关,当采用
3、粒径D50为5 m的羰基铁粉时,其磁流变效率可以达到69%。通过施加磁场,磁流变弹性垫板的动、静刚度显著增大,且在磁感应强度大于0.2 T后成线性增长。在20 kN至70 kN的垂向载荷下,其静刚度可从 26.1 kN/mm 增加至 36.6 kN/mm,增幅达到 40%,而其动刚度从 54.3k N/mm 增大至83.5 kN/mm,增幅达到50%。根据WJ7橡胶弹性垫板现场的服役情况,磁流变弹性垫板可用于模拟现场服役至56 a的垫板刚度劣化特征。关键词:高速铁路;轨下垫板;试验研究;磁流变弹性体;刚度可变垫板中图分类号:U213.5 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文
4、章编号:1672-7029(2023)10-3759-09Preparation and elastic-adjustable performance of magnetorheological elastomer rail pad for fastening systemCUI Shukun1,3,WANG Yazhou1,2,ZHOU Yao2,LIU Changxi2,ZHANG Pengyao2(1.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,B
5、eijing 100081,China;2.Research Center,Beijing Tieke Shougang Railway-Tech Co.,Ltd.,Beijing 102206,China;3.State Key Laboratory of Track Technology of High-speed Railway,Beijing 100081,China)Abstract:The stiffness adapting capability of railway pads is the research focus of railway science,as their 收
6、稿日期:2022-10-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(52178441);中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(N2021G050);中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(2020YJ095)通信作者:王亚洲(1988),男,河北阜城人,助理研究员,博士,从事轨道扣件系统研发及制造技术研究;Email:yazhou_DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20222047铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月performance significantly impacts key aspects of wheel/rail interaction
7、s and railway structures.Therefore,a railway pad with the tunable stiffness is required for evaluating the adapting performance of track stiffness under different operating condition.Based on the natural rubber and polybutadiene rubber as matrix,a magnetorheological elastomer railway pad was designe
8、d and fabricated to deliver the stiffness-controllable properties.Meanwhile,the magnetorheological efficiency of the magnetorheological elastomer materials as well as the stiffness-adjusting capability of the magnetorheological railway pad were evaluated under different magnetic field.As a result,th
9、e prepared magnetorheological elastomer specimens illustrate an obvious magnetorheological effect during cycling compression.When a magnetic field is applied,the storage modulus increases while the loss factor decreases.The magnetorheological efficiency is affected by the particle size of carbonyl i
10、ron powders.When the particle size(D50)reaches 5 m,the magnetorheological elastomer materials illustrate the peak magnetorheological efficiency of 69%.By controlling the external magnetic field,the static stiffness of the magnetorheological railway pad is significantly increased,and there is a linea
11、r relationship observed between the stiffness of magnetorheological railway pad and the magnetic field strength exceeding 0.2 T.Under vertical loads ranging from 20 kN to 70 kN,its static stiffness could increase from 26.1 kN/mm to 36.6 kN/mm,representing a 40%growth,while the dynamic stiffness incr
12、eases from 54.3 kN/mm to 83.5 kN/mm,with a 50%growth.According to the previous reports,the obtained magnetorheological railway pad could be applied to investigate the deterioration of WJ7 railway fastener after using 56 years.Key words:high speed railway;railway pad;experimental research;magnetorheo
13、logical elastomer;controllable stiffness railway pad 磁流变弹性体(MRE)是一种新型的功能材料,一般由软磁性颗粒与聚合物弹性体复合制备而成,其重要特性是力学性能参数可通过外加磁场实时、可逆、迅速控制12。其弹性模量可以通过外置电磁体精确调节,控制响应时间仅为几毫秒。在振动控制领域,一些传统器件都可采用磁流变弹性体进行替代以提高其减振性能。例如,将磁流变弹性体应用于弹性轴承,制成可变刚度的火车轴箱定位节点,可对不同线路状态提供相应的减振降噪效果3。又如将磁流变弹性体用于轨道车辆车体吸振器,可使其满足车辆在不同工况下的减振需求,对车体宽频振动适
14、应性强45。对于无砟轨道结构,扣件及其弹性垫板作为轨道弹性的主要来源,是轨道减振降噪的关键部件,其材料及结构属性影响了钢轨在大部分频域范围内的振动响应68,尤其是扣件弹性垫板的刚度特性对车辆轨道耦合动力作用、轨道结构荷载分布特征、铁路系统振动噪声控制等关键问题均会产生较大影响910。但是,既有的扣件弹性垫板均采用单一刚度的布置方式,亟需一种刚度特征可调的扣件弹性垫板,从而根据线路区段的运行条件对不同垫板刚度的适应性进行评估。因此,可用磁流变弹性体材料代替传统橡胶材料制作弹性垫板,以期实现轨道垫板的刚度阻尼的实时调整。然而,一般磁流变弹性采用硅橡胶作为弹性基体材料,虽然可以得到很高的磁流变效应,
15、但其机械强度及疲劳性能无法满足轨道垫板的实际使用需求2,11。基于轨道垫板使用特点,本文采用天然橡胶与顺丁橡胶作为橡胶基体,研制一种磁流变弹性体材料,并根据材料力学特性设计制造了磁流变弹性垫板。将磁流变弹性体材料与轨道垫板应用相结合,可以实现轨道垫板刚度的实时调整,并辅助提出适配于不同线路区段的合理垫板刚度取值。1 原材料与制备方法1.1原材料磁流变弹性体材料及磁流变弹性体轨道垫板制备所用材料主要由橡胶基体、磁性粉末、无机添加剂、有机助剂和硫化剂。其中,橡胶基体为天然橡胶(RSS3#)及顺丁橡胶(BR9000);无机添加3760第 10 期崔树坤,等:磁流变弹性体扣件弹性垫板制备及弹性可调性能
16、研究剂包括炭黑(N550)、氧化锌及硬脂酸;有机助剂包括防老剂(RD)、流动助剂(KL608)及防焦剂(CTP);硫化剂包括促进剂(CZ)、促进剂(DTDM)、促进剂(TMTD)及硫磺;磁性粉末为羰基铁粉。以重量比计,羰基铁粉含量占磁流变弹性体材料总重的50%。羰基铁粉原料的尺寸差异会影响其在基体中的分布,从而影响其磁流变效应。目前磁流变弹性体的制备领域广泛选用德国BASF公司生产羰基铁粉作为制备磁流变弹性体的磁性粉末。为优化磁流变弹性体材料制备配方,基于羰基铁粉的颗粒与性能,试验选用BASF公司生产的牌号为CN,CD,SM和SQ的羰基铁粉制备磁流变弹性体,分别 记 为 MRE-CN,MRE-
17、CD,MRE-SQ 与 MRE-SM。不同牌号羰基铁粉的规格如表1所示。1.2样品制备方法磁流变弹性体以天然橡胶及顺丁橡胶作为基体材料,其制备方法与传统天然橡胶制造工艺基本一致,整个制备流程可分为密炼、混炼及硫化。其中,天然橡胶在加工前需要塑炼,降低其相对分子质量。磁流变弹性体材料及垫板制备具体流程如下。1)密炼:先将天然橡胶塑炼胶和顺丁橡胶投入到密炼机中,密炼60 s;然后依次加入氧化锌、硬脂酸、防老剂、流动助剂、炭黑和羰基铁粉,进行一段混炼,排胶温度105。2)混炼:将一段混炼胶、硫磺、促进剂、防焦剂在开炼机上进行二段混炼,左右割胶各3次,打3个三角包,再打6个胶卷,下片,停放8 h。3)
18、硫化:将混炼胶放入模具中,在平板硫化机上进行硫化,硫化温度为 160,硫化时间12 min,压力为12 MPa。2 磁流变弹性体磁致力学性能研究2.1动态特性测试采用美国 TA 公司 Q800 型动态力学分析仪(DMA)并设计了磁场发生装置以测试磁流变弹性体试样在压缩模式下的动态力学性能,如图 1所示。该测试装置主要由导磁框架、端盖、线圈、中轴、上轴组成。其中,端盖与框架通过螺栓连接,中轴与框架通过焊接连接,上轴为贯穿于端盖中心孔的活动轴,承受测试载荷。线圈采用自粘式无骨架线圈方便更换与装卸。考虑到漏磁,与动态力学测试仪所连接处均采用铝合金材料。通过调节线圈电流改变施加在样品上的磁场大小,并测
19、量磁流变弹性体的磁流变特性。测试样品裁剪为直径 9 mm 高 2 mm 圆柱,测试温度为室温,静态载荷为2 N,动态振荡幅值为2 m应变,频率为 1200 Hz,电流加载为 02 A,每 0.2 A 采集一次。记录样品的储能模量 E1,损耗模量 E2,与损耗因子。2.2动态特性测试结果动态力学分析仪是用来测试材料或者测试装置在循环应力的作用下的力学性能,当理想线黏弹性材料受到正弦波应力作用时,应力响应介于理想弹性固体与理想黏性液体之间,应力应变的相位差介于0/2之间,其应力应变加载频率关系为:=0sin(t)(1)=0sin(t)cos()+0cos(t)sin()(2)式中:0为应变幅值;为
20、圆频率;0为应力幅值。其中,引入储能模量E1=0/0cos(),耗能模量E2=0/0cos()及损耗因子,用于描述材料黏弹特性,即8:=E2/E1=tan()=E1+E2(3)图2为的磁流变弹性体样品的储能模量对应不同振荡频率及外加磁场强度的变化曲线,其中振荡频率从1 Hz加载到200 Hz,外加磁场从0 T加载至1.8 T。从图中可以看出,外加磁场为0 T时,所得的天然橡胶基磁流变弹性体材料的储能模量随表1不同牌号羰基铁粉的规格Table 1Properties of different carbonyl iron powder牌号成分组成/%粒径D50/mFeCNOCN99.50.0399
21、.50.0599.00.10.199.50.050.010.33.53761铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 10月着加载频率的增大而增大,并在010 Hz以内变化率较高,之后仍呈增大趋势,但增速放缓。此外,样品的储能模量曲线在130 Hz左右出现了陡降,这是橡胶基材料共有的内耗峰,在此频域范围内,橡胶材料分子运动将不能完全跟上外应力的变化,将外力做功部分转变为热能。MRE-CN,MRE-CD,MRE-SQ与MRE-SM样品都有比较明显的磁流变效应,即随着外加磁场的增加,其储能模量也相应增加。根据磁流变弹性体样品的动态力学性能曲线可以计算出不同磁(a)测试工装;(b)工装结构图图
22、1磁流变弹性体材料动态力学性能测试Fig.1DMA measurement of magnetorheological elastomer materials(a)MRE-CN;(b)MRE-CD;(c)MRE-SQ;(d)MRE-SM图2磁流变弹性体试样储能模量与激振频率和磁感应强度的相关性曲线Fig.2Storage modulus of MRE specimens with different types of carbonyl iron powders at different frequency and magnetic flux density3762第 10 期崔树坤,等:磁流变
23、弹性体扣件弹性垫板制备及弹性可调性能研究感应强度下的磁流变效率:estorage=G-G0G0100%(4)eloss tangent=tan-tantan100%(5)式中:estorage与eloss tangent分别为储能模量与损耗系数的磁流变效率;G与G0分别为样品在有外加磁场和无外加磁场下的储能模量;tan与tan分别为样品在有外加磁场和无外加磁场下的损耗系数。如图3所示,在不同的磁感应强度下,磁流变弹性体的储能模量随着外加磁场的增高而增大,而损耗系数随着外加磁场的增高而降低。值得注意的是,当外加磁感应强度大于0.8 T后,储能模量及损耗系数的变化量逐渐变小。直到外加磁感应强度大于
24、1 T后,其储能模量及损耗系数几乎不变。这是由于磁流变弹性体内部羰基铁粉作为一种磁性颗粒被外加磁场磁化后,产生了一定的相互作用力,引起样品的模量增大,而随着外加磁场的强度增大,所产生的相互作用力越大,引起的模量增大。但是,随着磁场的进一步增高,其内部磁性颗粒达到饱和状态,磁性颗粒之间的相互作用就不再随磁感应强度增加,样品的模量增加趋势逐渐减缓直至不再变化。在 25 Hz 振荡载荷下,MRE-CN,MRE-CD,MRE-SQ 与 MRE-SM 样品的储能模量的最大磁流变效率分别为48%,69%,55%及31%,其损耗系数最大磁流变效率分别为46%,59%,54%与8%。结果表明,羰基铁粉的粒径对
25、磁流变效应有显著的影响。粒径较小或较大时,磁流变弹性体的磁流变效应比较小。采用粒径D50值为5 m的CD牌号的羰基铁粉时,其磁流变效率最大。因此,磁流变弹性垫板采用CD牌号的羰基铁粉作为磁性填充颗粒,以提高垫板刚度可调性能。3 磁流变弹性垫板刚度可调性能3.1垫板结构选型磁流变弹性垫板结构选型采用双层的半球状凸点式结构,如图4所示。半球直径为10 mm,相邻半球的中心距为11.8 mm,每列之间呈错列式排布。中间层厚度为3 mm,两侧的半球状凸点相对于中间层对称布置,垫板总厚度为13 mm。采用该结构可实现半球状凸点受压状态下的侧向自由形变,减少尺寸效应对磁流变弹性体材料磁化状态造成的影响。(
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