【正文】 各種形狀，利用硫化橡膠的彈性來(lái)達(dá)到緩沖、減振目的。硫化后的橡膠其體積是不可壓縮的；由于硫化橡膠在使用過(guò)程中受到的疲勞破壞、永久變形、老化等原因，其使用壽命也有限。再這種情況下，上述幾種緩沖器產(chǎn)品由于都存在著致命的缺點(diǎn)，所以都很難得到推廣。為了克服這些傳統(tǒng)緩沖器的缺點(diǎn)，我們采用了一種新型緩沖器 —— 膠泥緩沖器。膠泥緩沖器克服了液壓緩沖器、剛彈簧緩沖器和硫化橡膠緩沖器的缺點(diǎn)，集合了它們的 優(yōu)點(diǎn)，具有特殊的減振緩沖性能和理想的使用壽命。 彈性膠泥緩沖器國(guó)內(nèi)外的研究動(dòng)態(tài) 國(guó)外對(duì)膠泥及其緩沖器的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代 ,法國(guó) DomangeJarret 公 司率先推出了以膠泥為主體材料的緩沖產(chǎn)品， JARRET 公司的產(chǎn)品容量（所吸收的沖擊能量）從 kJ 到 3000 kJ，行程從 1 mm 到 200 mm。并很快在建筑上、鐵路上得到應(yīng)用，如線路端或維修站的起保護(hù)作用的車擋緩沖器、車輛間連接緩沖的車鉤緩沖器等。到 80 年代初，波蘭華沙工學(xué)院試制出新型的膠泥材料，加快了膠泥緩沖器在鐵路車輛上的應(yīng)用， 波蘭的 KAMAKC 公司利用這種材料技術(shù)中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 44 頁(yè) 并開(kāi)發(fā)出系列緩沖器產(chǎn)品應(yīng)用于鐵路車輛的緩沖。國(guó)際鐵路聯(lián)盟 (UIC)在 1981 年制定了 UIC 526－ 1 標(biāo)準(zhǔn)，并在 1985 年進(jìn)行了修訂，規(guī)范和批準(zhǔn)了用于貨車的 A、B、 C 三級(jí)膠泥緩沖餅產(chǎn)品， A 級(jí)容量為 30 KJ， B 級(jí)容量為 50 KJ， C 級(jí)容量為70 KJ，緩沖器的行程為 105 mm。國(guó)際鐵路聯(lián)盟 (UIC)1992 年 7 月又通過(guò)了行程為 130 mm和 150 mm 的貨車用緩沖餅的生產(chǎn)，并制定了 UIC526－ 3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。該系列標(biāo)準(zhǔn)的制定為膠泥緩沖器更廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，推動(dòng)了緩沖 器在其它車輛的上的應(yīng)用。 圖 11 貨車的彈性膠泥緩沖器 圖 12 73ZW 型彈性膠泥緩沖器 法國(guó)的 Dange－ Jarret公司為法國(guó)先進(jìn)的高速列車代 TGV開(kāi)發(fā)兩種型號(hào)的膠 泥緩沖器，型號(hào)分別是 BC20S－ 60B 和 L7A－ M3，其容量分別達(dá)到了 和58 KJ。德國(guó)的 ICE 高速列車也使用了膠泥緩沖器，其容量不小于 20 KJ。在俄羅斯，全俄鐵道科學(xué)院牽頭進(jìn)行了膠泥緩沖器的應(yīng)用研究，并于 20 世紀(jì) 90 年代初開(kāi)發(fā)了應(yīng)用于 100 t 貨車的膠泥緩沖 器，其容量達(dá)到 60 KJ，阻抗達(dá) 2020 kN，能滿足車輛 15 km/h 的調(diào)車連掛速度。全俄鐵道科學(xué)研究院與波蘭 KAMAKC 公司合作開(kāi)發(fā)了用于罐車的 73ZW 型膠泥緩沖器，容量達(dá)到 70 KJ，行程 90 mm。膠泥緩沖器在美國(guó)、日本、南非、澳大利亞等國(guó)鐵路部門也進(jìn)行了應(yīng)用研究。膠泥緩沖器以其容量大、阻抗低、結(jié)構(gòu)輕巧、檢修周期長(zhǎng)以及其特殊的特性曲線特點(diǎn)在鐵路車輛上得到重視和推廣應(yīng)用，目前在歐洲鐵路使用的膠泥緩沖器產(chǎn)品在50 萬(wàn)套以上，檢修周期一般在 10 年以上 [5]。 歐洲國(guó)家的膠泥緩沖器生產(chǎn)技術(shù)已相當(dāng)成熟 ,且膠泥緩沖器已在航空、橋梁、 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 共 44 頁(yè) 鐵路機(jī)車車輛、軍事和工程機(jī)械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 我國(guó)最早在上個(gè)世紀(jì) 80 年代進(jìn)口的軍艦上發(fā)現(xiàn)膠泥緩沖器，用來(lái)緩和艦炮 的沖擊，后來(lái)在進(jìn)口汽車上也發(fā)現(xiàn)這種膠泥緩沖器。 1988 年機(jī)電部上海材料研究所受機(jī)電部一重廠委托承擔(dān)了膠泥緩沖器這種新技術(shù)產(chǎn)品的消化吸收，并開(kāi)發(fā)出了型號(hào) 52 52 307 等幾個(gè)型號(hào)的緩沖器產(chǎn)品，其中最大的容量已達(dá)到 20 KJ，阻抗力僅 670 KN，行程僅 45 mm。后來(lái)該單位還陸續(xù)研制了用于雷達(dá)和坦克的膠泥緩沖器，取得了較好的應(yīng)用效果 [4][5]。在冶金行業(yè)目前批 量使用著膠泥的緩沖器和緩沖餅產(chǎn)品，北京的冶金自動(dòng)化研究院批量的生產(chǎn)用于冶金機(jī)械的各類緩沖產(chǎn)品，在膠泥緩沖器技術(shù)上有一定的積累。鐵道部從上個(gè)世紀(jì)的 80 年代末開(kāi)始關(guān)注該項(xiàng)技術(shù)，并對(duì)該技術(shù)研究提供了專項(xiàng)技術(shù)資金資助， 1989 年鐵道部科技司以資助性開(kāi)發(fā)課題形式下達(dá)任務(wù)，由原鐵道部四方車輛研究所承擔(dān)客車膠泥緩沖器研制。到 1994 年 10 月，四方所開(kāi)始與波蘭的 KAMAKC 公司以及波蘭的華沙鐵道科學(xué)院進(jìn)行膠泥緩沖器方面的技術(shù)交流，上世紀(jì) 90 年代末四方所與KAMAKC 公司加強(qiáng)了技術(shù)合作并成立合資公司，專門開(kāi)發(fā)鐵路用車鉤緩沖器 ，推出了幾個(gè)型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)和試用，目前仍在裝車試用和效果考核中，由于核心技術(shù)仍然由外方掌握，并未進(jìn)行轉(zhuǎn)讓，所以致使膠泥產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)的進(jìn)展較慢 [8]。 研究的目的與意義 運(yùn)輸作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，其中車輛的作用是必不可少的，在車輛重載時(shí)，物資可能會(huì)受到多個(gè)方向的沖擊。這些沖擊會(huì)對(duì)車輛上的物品造成一定得損失，同時(shí)也會(huì)對(duì)車輛的一定重要部件造成沖擊，使得車輛運(yùn)輸中的安全問(wèn)題捉襟見(jiàn)肘。這些都使得增強(qiáng)車輛的緩沖性能成為一個(gè)迫切、困難的任務(wù)。為了解決這一難題，我們?cè)O(shè)計(jì)了新型的膠泥緩沖器。而膠泥緩沖器正是一 種對(duì)速度反應(yīng)比較靈敏的設(shè)備，能夠吸收、衰減振動(dòng)和沖擊的能量，從而減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，減弱節(jié)點(diǎn)的局部受力，達(dá)到保護(hù)受力設(shè)備的目的。因此，膠泥緩沖器是機(jī)械工程和空間結(jié)構(gòu)中很有應(yīng)用價(jià)值的緩沖元器件之一。所以本論文從膠泥緩沖器的工作原理和結(jié)構(gòu)開(kāi)始研究，在 ANYSY 軟件平臺(tái)上對(duì)彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析，分析結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證校核，進(jìn)而優(yōu)化緩沖器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出更加理想的緩沖器產(chǎn)品。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 44 頁(yè) 彈性膠泥緩沖器 膠泥緩沖器的工作特性研究 波蘭的 KAMAKC 公司將其膠 泥緩沖餅和傳統(tǒng)性緩沖餅裝在重 80t的車輛上左沖撞試驗(yàn)（ 80t 對(duì) 80t），試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在 5～ 8 km/h 的速度下，傳統(tǒng)性的緩沖餅的行程已到極限，而彈性膠泥緩沖餅大約在 15 km/h 的速度下才到極限，顯然彈性膠泥緩沖餅對(duì)車輛的保護(hù)會(huì)比傳統(tǒng)性的緩沖餅好。修理廠的資料表明： 95％的車輛端梁破壞事故發(fā)生在裝有傳統(tǒng)性的緩沖餅的車輛上，只有 5％發(fā)生在裝有彈性膠泥緩沖餅的車輛上。并且試驗(yàn)表明在 40℃和 +50℃范圍內(nèi)，彈性膠泥緩沖餅作用可靠。同時(shí)還檢驗(yàn)了彈性膠泥緩沖餅的耐久性，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)緩沖餅的接受容量至少達(dá)到容量的 80％。 俄 羅斯鐵道部門對(duì) KZE5C 型膠泥緩沖器進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究。在車輛以 不同方式?jīng)_撞，車輛上以不同方式配置膠泥緩沖器的情況下，試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú) 論在平穩(wěn)性和吸收能量方面，還是在沖擊力和加速度的大量減小方面，彈性膠泥 緩沖器均優(yōu)于摩擦式緩沖器。 1991 年俄羅斯研制了一種膠泥緩沖器，該緩沖器 1015 年免修，總的使用壽 命 3032 年。試驗(yàn)時(shí)用總重 100t 的車輛以 15 km/h 以下的速度沖撞時(shí)，車輛和其 運(yùn)送的貨車均能受到保護(hù) [5]。 膠泥緩沖器的模型 膠泥緩沖器是將具有粘彈性、流動(dòng)性和體積可壓 縮性的膠泥置于密閉容器中，用一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)其減震、平衡、緩沖功能。緩沖器采用不同的結(jié)構(gòu) 和材料，可以滿足不同的工作需要。既可以設(shè)計(jì)成粘彈型的緩沖器，也可以設(shè)計(jì) 成粘滯型的緩沖器，還可以設(shè)計(jì)成彈性緩沖器。 膠泥緩沖器工作原理是：將彈性膠泥材料裝進(jìn)一個(gè)能夠承受一定壓力的緩沖器活塞缸體內(nèi)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要增加一定的預(yù)壓縮力，當(dāng)彈性膠泥緩沖器活塞柱受到一定的壓力 (靜壓力或沖擊力 )時(shí)，活塞利用活塞缸內(nèi)節(jié)流孔或節(jié)流間隙以及彈性膠泥材料本身體積被壓縮后反作用力產(chǎn)生一定的阻抗力。當(dāng)彈性膠泥材料受到的預(yù)壓縮力越大和活 塞的運(yùn)動(dòng)速度越快，則產(chǎn)生的阻抗力也越大，這有利于提高緩沖器在大沖擊下的容量。當(dāng)緩沖器的活塞被壓縮后，緩沖器體內(nèi)的彈性膠泥處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)作用在活塞柱上外力撤消后，彈性膠泥的體積則會(huì)自行產(chǎn)中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 44 頁(yè) 生膨脹，將活塞推回到原始位置，在這個(gè)過(guò)程中彈性膠泥材料以較慢的速度通過(guò)節(jié)流孔或節(jié)流間隙流回原位，這樣就實(shí)現(xiàn)了緩沖器的回程運(yùn)作。 圖 13單出桿式膠泥緩沖器 圖 14雙出桿式膠泥緩沖器 根據(jù)不同配方配制的膠泥，所具有的黏性、彈性、蠕變與松弛等特性均不同。 由于膠泥 材料的多變性，以及膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)的多樣性 (通常是單出桿和雙出桿兩種，見(jiàn)圖 13和圖 14)，膠泥緩沖器的工作特性就不同。單出桿式的膠泥緩沖器大多是粘彈型緩沖器，雙出桿式緩沖器多是粘滯性的緩沖器。 有限元法與 ANSYS 軟件概述 有限元方法概述 有限元法（ Finite Element Method）簡(jiǎn)稱 FEM，作為求解數(shù)學(xué)物理問(wèn)題的一種數(shù)值方法，已經(jīng)歷了 60 余年的發(fā)展。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展， FEM 已從彈性力學(xué)平面問(wèn)題、板殼問(wèn)題，從靜力學(xué)問(wèn)題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問(wèn)題、穩(wěn)定問(wèn)題和波動(dòng)問(wèn)題，從線性問(wèn) 題擴(kuò)展到非線性問(wèn)題；從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域；從物理場(chǎng)計(jì)算擴(kuò)展到物理場(chǎng)的耦合計(jì)算。 它經(jīng)歷了從低級(jí)到高級(jí)、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的發(fā)展過(guò)程，目前已成為工程計(jì)算的最有效的方法之一。有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)為：物理概念清晰；可以從不同的水平建立對(duì)該法的理解；適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣；已經(jīng)出現(xiàn)了許多大型的結(jié)構(gòu)分析通用程序，可以直接應(yīng)用。 FEM 的研究熱點(diǎn)目前表現(xiàn)在兩個(gè)方面：超收斂應(yīng)力計(jì)算和有限元模型修正技術(shù)。 有限元方法的實(shí)質(zhì)是用有限個(gè)單元體的組合代替連續(xù)體，化無(wú)限自由度問(wèn)題為有限自由度問(wèn)題；是用有限 子域的組合代替一個(gè)連續(xù)體，化連續(xù)場(chǎng)函數(shù)的微分方程求解問(wèn)題為有限個(gè)參數(shù)的代數(shù)方程求解問(wèn)題。對(duì)于大多數(shù)形狀和邊界條件復(fù)雜的工程問(wèn)題，要想獲得問(wèn)題的解析解答是不可能的，只能尋求各種近似的數(shù)值中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 44 頁(yè) 方法，而有限元方法是一種行之有效的數(shù)值分析方法。 在使用有限元方法對(duì)所要研究的連續(xù)體進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，要將研究的連續(xù)體劃分為若干個(gè)有限個(gè)大小的子區(qū)域，即有限元。在對(duì)單元進(jìn)行分析時(shí)，首先架訂單員內(nèi)部唯一為節(jié)點(diǎn)位移的簡(jiǎn)單函數(shù)。建立單元節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)之間力的關(guān)系，其次將這些單元組合成為整體。引入邊界條件，通過(guò)求解整體節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移關(guān) 系的代數(shù)方程組，最終得到連續(xù)體咋離散點(diǎn)處未知量的解答。 ANSYS 概述 ANSYS 軟件是大型通用有限元分析軟件。由于有限元法具有精度高，適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算機(jī)格式規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)，股在短短的 50 多年時(shí)間已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)械、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具。特別是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和軟、硬件件環(huán)境的不斷完善以及計(jì)算機(jī)及和計(jì)算機(jī)工作站的逐步普及，為 ANSYS 的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了更為良好的條件，并展示出更為廣闊的工程應(yīng)用前景。 ANSYS 分析過(guò)程 中包含三個(gè)主要的步驟： (1)創(chuàng)建有限元模型，其中包括創(chuàng)建或讀入幾何模型、定義材料屬性和劃分網(wǎng)格。 (2)施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件并求解。 (3)察看分析結(jié)果及檢驗(yàn)結(jié)果。具體如圖所示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 44 頁(yè) 論文主要工作 本文主要研究的是用于某車輛的膠泥緩沖器，主要是運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)緩沖器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，并對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)的計(jì)進(jìn)行校核。 2. 膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)和工