一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件

1.本发明属于火车用橡胶节点件技术领域，具体涉及一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件。

背景技术：

2.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。列车在经过直线和曲线不同路况的轨道区间时，对于转向架的一系纵向定位刚度有着完全相反的刚度需求。在直线区间运行时，高速动车组列车往往需要以300 km/h 及以上的速度运行，此时列车容易产生剧烈的蛇形运动，此时转向架定位就需要较大的刚度来抵抗蛇形运动，从而保证列车的稳定性；而在经过曲线路段时，需要较小的刚度，使轮对能够实现径向调整，利用自导向提高曲线通过能力，并且可以有效减少列车的轮轨磨耗和轮轨噪声，从而具有良好的曲线通过性能。在实际应用中，当前，用来实现转向架纵向定位的转臂橡胶节点，一般由芯轴、橡胶层和外壳组成，橡胶的参数在制作完成后就不再变化使得定位刚度不可调，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。
3.综上所述，当前刚度固定的转臂橡胶节点难以满足列车直线和曲线运行时的矛盾性刚度要求。因此开发一种刚度可调的弹性橡胶节点来满足列车在不同运行路段需要不同刚度的需求十分关键。为解决这一问题，本发明提出了一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点。这一新型橡胶节点能够在直线运行时，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。同时无电状态下的大刚度设计，也具有一定的故障安全特性，在节点意外断电时仍能保证列车的稳定。

技术实现要素：

4.为了解决被动式橡胶节点不能兼具两种刚度需求的问题，实现在列车正常运行在直线轨道时保持大刚度保证列车高速稳定性，当列车需要转弯时降低刚度从而改善轮轨的磨损来减少运维成本，本发明提供一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件。
5.一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件包括节点芯轴1、一对电磁线圈2、钢环3、磁流变弹性体4和外壳5；所述节点芯轴1的中部径向开设有一对线圈槽，一对电磁线圈2固定设于一对线圈槽内；所述钢环3包含三组圆环，每组圆环又包含四个以上宽度相同、直径逐渐增大的同轴圆环，所述磁流变弹性体4均匀设于相邻圆环之间，最小直径的圆环过盈套设在节点芯轴1上；所述外壳5为管状，过盈套设在钢环3的最大直径的圆环上；一组圆环位于一对电磁线圈2之间的节点芯轴1上，另两组圆环分别位于一对电磁
线圈2两侧的节点芯轴1上；当电磁线圈2断电时，由磁流变弹性体4的内部剩磁提供初始磁场，可变刚度转臂橡胶节点件内部形成一个闭合磁路，实现的大刚度为7.5 mn/m；当电磁线圈2通电时，可变刚度转臂橡胶节点件内部产生与磁流变弹性体4内部剩磁相反方向的电磁场，实现的小刚度为5 mn/m；通过调控电磁线圈2的断电或通电，实现以毫秒级响应速度实现大刚度与小刚度之间的转变。
6.进一步的技术方案如下：所述节点芯轴1上线圈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。
7.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1250匝。
8.所述每组圆环包含六个宽度相同、直径逐渐增大的同轴圆环。
9.所述磁流变弹性体4为硬磁磁流变弹性体，按质量比8:2将未固化的聚二甲基硅氧烷（pdms）和钕铁硼粉末混合均匀，将搅拌均匀的混合液体浇注在相邻所述圆环之间，常温下24小时凝固为硬磁磁流变弹性体。
10.所述钕铁硼粉末的粒径为100 μm。
11.本发明的有益技术效果体现在以下方面：1.本发明针对现有被动转臂橡胶节点难以兼顾火车在直线与曲线路段矛盾的一系纵向定位刚度需求，提出了一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点。该设计在列车直线高速行驶时可以提供数值为7.5 mn/m的较大刚度，保证列车的高速稳定性，而在曲线轨道运行时降低刚度满足曲线通过性的要求，可提供数值为5 mn/m的较小刚度。与此同时，本发明提出的硬磁磁流变弹性体可变刚度橡胶节点，外形尺寸可与火车现有橡胶节点实现互换，实用性强。
12.2.本发明所提出的可变刚度转臂橡胶节点，基于硬磁磁流变弹性体的设计，使节点在无电状态下即可表现出大刚度，能够实现节点意外断电或者控制系统故障的情况下依然保证列车的高速稳定性，从而具备故障安全特性。磁流变技术是一种典型的半主动控制技术，其中磁流变弹性体得到广泛的研究与应用，其中硬磁磁流变弹性体是一种新型的智能材料，采用诸如钕铁硼等硬磁材料与硅胶混合而成，具有随外界磁场弹性模量可控、毫秒级响应迅速、变化可逆、无需考虑沉降和密封等优点。此外硬磁材料具有矫顽力大、剩磁明显等特点，在磁化后能够保持稳定的磁性，与磁流变弹性体相结合，能够避免磁铁易碎的特点，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。
附图说明
13.图1为本发明结构剖视图。
14.图2为本发明使用状态图。
15.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。
具体实施方式
16.下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
17.实施例1参见图1，一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件包括节点芯轴1、一对电磁线圈2、钢环3、磁流变弹性体4和外壳5。
18.节点芯轴1的中部径向开设有一对线圈槽，线圈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。一对电磁线圈2固定安装于一对线圈槽内。每只电磁线圈2的漆包线为直径0.51 mm的铜漆包线，匝数为1250匝。
19.钢环3包含三组圆环，每组圆环又包含六个宽度相同、直径逐渐增大的同轴圆环。所述磁流变弹性体4均匀设于相邻圆环之间；磁流变弹性体4为硬磁磁流变弹性体，按质量比8:2将未固化的聚二甲基硅氧烷（pdms）和钕铁硼粉末混合均匀，将搅拌均匀的混合液体浇注在相邻所述圆环之间，常温下24小时凝固为硬磁磁流变弹性体。所使用的钕铁硼粉末的粒径为100 μm。
20.最小直径的圆环过盈套装在节点芯轴1上；外壳5为管状，过盈套装在钢环3的最大直径的圆环上。
21.一组圆环位于一对电磁线圈2之间的节点芯轴1上，另两组圆环分别位于一对电磁线圈2两侧的节点芯轴1上。
22.本实施例1的可变刚度转臂橡胶节点件的工作原理详细说明如下：磁流变弹性体4与电磁线圈2产生的复合磁场，磁流变弹性体4内部剩磁可以提供初始磁场，使得可变刚度转臂橡胶节点件在无电状态下即表现出7.5 mn/m的径向大刚度，从而满足列车的直线高速稳定性要求。
23.当电磁线圈2通电时，产生与磁流变弹性体4内部磁场相反的磁场方向，减小穿过其中的磁场强度，从而实现通电减小可变刚度转臂橡胶节点件表现出5 mn/m的径向小刚度，实现节点件刚度通电负向变化的特点，以满足列车的弯道通过性需求。
24.具体实现如下：当列车运行在直线轨道时，电磁线圈2无需通电，磁流变弹性体4的内部剩磁可以提供初始径向磁场，剖平面内磁场回路如图1中下方箭头方向所示，剖平面内形成一个经过钢环3、磁流变弹性体4、节点芯轴1、外壳5等组件的闭合磁路。磁流变弹性体4在内部磁场的作用下具有较大的弹性模量，整体可变刚度转臂橡胶节点件表现出7.5 mn/m的径向大刚度。当列车运行在曲线轨道时，此时给电磁线圈2通电，产生与磁流变弹性体4内部磁场相反方向的电磁场，使得经过磁流变弹性体4的磁场强度减弱，弹性模量降低，整体可变刚度转臂橡胶节点件表现出5 mn/m的径向小刚度，满足列车弯道通过性要求。
25.实施例2参见图2，本发明的刚度可控磁流变橡胶节点件是转向架一系纵向定位的关键部件。使用时，其中外壳5通过转臂8与车轮6固定连接，节点芯轴1的两端与构架9的叉形结构固定连接。可控磁流变橡胶节点件可以承受列车行驶过程中轮轨接触产生的纵向力、横向力和部分垂向力。当列车在直线行驶时无需通电，利用硬磁流变弹性体4的内部剩磁，使可
控磁流变橡胶节点件表现出7.5 mn/m的径向大刚度；当列车经过曲线时施加电流，来抵消磁流变弹性体4的内部磁场，最小使可控磁流变橡胶节点件表现出5 mn/m的径向小刚度。对于时速350 km/h的高速铁路，其曲线半径一般在5500 m~9000 m，当经过曲线半径为7000~9000 m的路段时，控制径向刚度在5.6 ~6.4 mn/m区间变化；当经过曲线半径为5500~7000 m的路段时，控制径向刚度在5~5.6 mn/m区间变化。
26.本领域的技术人员容易理解，以上实施例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。

技术特征：

1.一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：包括节点芯轴（1）、一对电磁线圈（2）、钢环（3）、磁流变弹性体（4）和外壳（5）；所述节点芯轴（1）的中部径向开设有一对线圈槽，一对电磁线圈（2）固定设于一对线圈槽内；所述钢环（3）包含三组圆环，每组圆环又包含四个以上宽度相同、直径逐渐增大的同轴圆环，所述磁流变弹性体（4）均匀设于相邻圆环之间，最小直径的圆环过盈套设在节点芯轴（1）上；所述外壳（5）为管状，过盈套设在钢环（3）的最大直径的圆环上；一组圆环位于一对电磁线圈（2）之间的节点芯轴（1）上，另两组圆环分别位于一对电磁线圈（2）两侧的节点芯轴（1）上；当电磁线圈（2）断电时，由磁流变弹性体（4）的内部剩磁提供初始磁场，可变刚度转臂橡胶节点件内部形成一个闭合磁路，实现的径向大刚度为7.5 mn/m；当电磁线圈（2）通电时，可变刚度转臂橡胶节点件内部产生与磁流变弹性体（4）内部剩磁相反方向的电磁场，实现的径向小刚度为5 mn/m；通过调控电磁线圈（2）的断电或通电，实现以毫秒级响应速度实现大刚度与小刚度之间的转变。2.根据权利要求1所述的一种基于硬磁磁流变弹性体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所述的一种基于硬磁磁流变弹性体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1250匝。4.根据权利要求1所述的一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述每组圆环包含六个宽度相同、直径逐渐增大的同轴圆环。5.根据权利要求1所述的一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述磁流变弹性体（4）为硬磁磁流变弹性体；按质量比8:2将未固化的聚二甲基硅氧烷（pdms）和钕铁硼粉末混合均匀，将搅拌均匀的混合液体浇注在相邻所述圆环之间，常温下24小时凝固为硬磁磁流变弹性体。6.根据权利要求5所述的一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点件，其特征在于：所述钕铁硼粉末的粒径为100 μm。

技术总结

本发明涉及一种基于硬磁磁流变弹性体的可变刚度转臂橡胶节点，属于火车用橡胶节点技术领域。包括节点芯轴、一对电磁线圈、钢环、磁流变弹性体和外壳；节点芯轴的中部径向设于一对线圈槽内；钢环包含两组以上圆环，磁流变弹性体浇注在相邻圆环之间，钢环过盈套设在节点芯轴上，且避开一对电磁线圈；外壳过盈套设在钢环上；不通电时，由磁流变弹性体的内部剩磁提供初始磁场，可变刚度转臂橡胶节点内部形成一个闭合磁路，径向刚度为7.5 MN/m；给电磁线圈施加电流，使可变刚度转臂橡胶节点内部产生与磁流变弹性体内部剩磁相反方向的电磁场，径向刚度为5 MN/m。本发明通过复合磁场的励磁方式，满足列车在不同路段的刚度需求，提升动力学性能。学性能。学性能。