【正文】 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。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。 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。 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。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。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]。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。為了解決這一難題，我們?cè)O(shè)計(jì)了新型的膠泥緩沖器。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。 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。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。 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。 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。 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。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。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。 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。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。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。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。 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。 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。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。 ANSYS 概述 ANSYS 軟件是大型通用有限元分析軟件。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。 (2)施加載荷及載荷選項(xiàng)、設(shè)定約束條件并求解。具體如圖所示。 2. 膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)和工作原理 膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu) 膠泥緩沖器是一種優(yōu)化的粘滯流體阻尼器 ，是將粘性阻尼材料用粘彈性可壓 縮的膠泥替代，一般有缸體、活塞、阻尼孔、阻尼材料和活塞桿等部分組成，活 塞在缸體內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，缸體內(nèi)裝滿阻尼材料，當(dāng)活塞與缸體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 時(shí)，由于活塞前后的壓力差使阻尼材料從阻尼孔（環(huán)）中通過(guò)，從而產(chǎn)生阻尼力。已有的阻尼器的構(gòu)造形式很多，不同的 工程需求有不同的結(jié)構(gòu)。根據(jù)項(xiàng)目的需要，這里僅研究平動(dòng)阻尼器。 1. 單出桿式 粘滯流體阻尼器的構(gòu)造形式通常有單出桿式和雙出桿式。第一種是在缸體上附加一個(gè)容腔，如圖 21 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 共 44 頁(yè) 所示，活塞與缸體內(nèi)壁簡(jiǎn)密封，在缸體與附加容腔之間以小阻尼孔相連，附加容 腔內(nèi)的阻尼介質(zhì)不可充滿 (留有適當(dāng)?shù)目臻g )，當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，阻尼介質(zhì)流過(guò)兩個(gè) 小阻尼孔，提供非線性阻尼，兩腔間的容積差有附加容腔的剩余空間來(lái)調(diào)節(jié)。 1阻尼孔 2主容腔 3活塞 4缸壁 5附加容腔 圖 21加容腔式阻尼器 第二種是在單出桿大阻尼器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)活塞密封性的要求也不 高，直接將膠泥裝入缸體內(nèi)部，通過(guò)對(duì)膠泥的擠壓吸收或釋放彈性勢(shì)能，并且這種阻尼器在一定的行程范圍內(nèi)提供較大的阻尼，由于此類型的阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工批量生產(chǎn)，合適我們所研究得車輛使用。 圖 22單出桿孔隙式阻 尼器 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 23單出桿間隙式阻尼器 圖 24單出桿組合式阻尼器 2. 雙出桿式 雙出桿式和單出桿式的結(jié)構(gòu)和原理基本相同，唯一不同的是：雙出桿式的工作方向是雙向的，雙出桿式占用的工作空間要比較大。 對(duì)于單出桿式阻尼器，根據(jù)產(chǎn)生阻尼的方式不同，可將其分為間隙式、 空隙式和組合式三種形式。 當(dāng)活塞相對(duì)于缸體運(yùn)動(dòng)時(shí)，由通過(guò)間 隙的阻尼介質(zhì)的流動(dòng)阻尼產(chǎn)生阻 尼。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 44 頁(yè) 圖 25雙出桿間隙式阻尼器 (2)孔隙式：活塞和缸壁之間密封，活塞上開(kāi)有一定尺寸和數(shù)量的小孔。如圖 26。這樣使得緩沖器的阻尼作用大大降低，如果采用間隙式緩沖器則在回程過(guò)程中膠泥不能比較快的流回，其適用性也大大降低 ，所以膠泥緩沖器的阻尼形式通常采用組合式。由于考慮到車輛上所用的膠泥緩沖器所受到的力是單方向的，同時(shí)為了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，緩沖器所占用的空間盡量小，所以，我們選用的膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)為單出桿式組合式阻尼器。 膠泥緩沖器的參數(shù) 阻尼力的確定 阻尼力的大小，不僅與緩沖器結(jié)構(gòu)和工作原理有關(guān)，而且直接關(guān)系到車輛的裝備質(zhì)量、車輛及零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命、整車的穩(wěn)定性和安全性。因此設(shè)計(jì)合理的緩沖器參數(shù)是很有必要的。其一，緩沖器額定阻尼力強(qiáng)度通常比撞擊物略低的原則；其二，緩沖器阻尼力以某速度沖擊時(shí)不低于規(guī)定阻尼力的原則 [14]。 沖擊速度的確定 隨著車輛的提速、載荷的增加以及行駛路面的更加復(fù)雜，緩沖器工作的機(jī)會(huì)越來(lái)越多，對(duì)可靠性越來(lái)越高，沖擊速度是影響可靠性的重要指標(biāo)。 參考美國(guó)和俄羅斯的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，參照我國(guó)鐵路緩沖技術(shù)要求，結(jié)合《機(jī)車車輛緩沖器通用技術(shù)條件》與《機(jī)車車輛緩沖器落錘和沖擊試驗(yàn)方法》，普通貨車用膠泥緩沖器的沖擊速度不大于 。 行程的確定 緩沖器的行程既受到容量的影響，同時(shí)也受到在車體上安裝空間的限制。 能量吸收率的確定 粘彈性膠泥材料引入緩沖、減振設(shè)備的主要目的是利用粘彈性材料的損耗特性將輸入 的振動(dòng)能消耗掉一部分，減少輸出，從而達(dá)到良好地緩沖減振的目的。并且膠泥屬于粘彈性非牛頓流體，配方不同，材料的粘彈性就不同 [12]。緩沖器的吸收率為阻尼耗能和彈性耗能之和與總能量的比值。 膠泥緩沖器參數(shù)要求： 緩沖器行程： 50 mm 最大動(dòng)阻尼 力： 7500 N 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 共 44 頁(yè) 沖擊速度： ～ 2 m/s 能量吸收率： 70～ 80% 所以，根據(jù)單向緩沖器行程為 50 mm 的要求，選擇單出桿式的結(jié)構(gòu)形式。 圖 27膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)形式 膠泥緩沖器的工作原理 膠泥緩沖器主要由活塞和活塞桿、缸蓋、缸體、充料閥等組成，將彈性膠泥裝入密閉容器中，根據(jù)需要使之產(chǎn)生一定的預(yù)壓力。在恢復(fù)階段中，彈性體組成將所吸收的能量釋放出來(lái)，其中一部分又以中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 44 頁(yè) 摩擦熱和彈性體組成阻尼耗能的形式散失掉，當(dāng)外力減小或撤消后，彈性膠泥自行體積膨脹，將活塞推回原位。緩沖器性能是否優(yōu)良，主要看性能參數(shù)是否與車輛的使用要求相匹配，能否最大限度地降低車輛垂直方向上的加速度和動(dòng)行程 [1]。 打開(kāi) ANSYS 軟件，新建文件并將其命名為 。 定義材料常數(shù) 材料特性設(shè)置： GUI： Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Model,在定義材料特性對(duì)話框的 Material Model Avaliable 欄內(nèi)先后雙擊“ Strutural”、中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 44 頁(yè) “ Linear”、“ Elastic”、“ Iisotropic”，彈出輸入框。 圖 劃分單元 （ 1） 定義單元類型 GUI： Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 選取 Add，增加單元類型。 圖 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 44 頁(yè) （ 2）劃分網(wǎng)格 GUI： Main MenuPreprocessorMesh Tool，彈出的對(duì)話框如圖 所示。在隨后的拾取對(duì)話框中按“ Pick All”選擇要?jiǎng)澐值拿?。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖 。 由于薄壁圓筒受內(nèi)壓時(shí)，環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，所以用環(huán)向應(yīng)力檢驗(yàn) 緩沖器缸壁的強(qiáng)度。 （ 1）在缸體底部施加位移約束（ UZ=0） GUI： Main MenuSolutionApplyStructuralDisplacementAreas 鼠標(biāo)拾取缸體底表面，單擊“ OK” ,在彈出的對(duì)話框中選取“ UZ”如 圖 。 圖 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)