崔樹(shù)坤 ，王亞洲 ，周堯，劉長(zhǎng)溪，張鵬瑤

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.北京鐵科首鋼軌道技術(shù)股份有限公司 研發(fā)中心，北京 102206；3.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

磁流變彈性體(MRE)是一種新型的功能材料，一般由軟磁性顆粒與聚合物彈性體復(fù)合制備而成，其重要特性是力學(xué)性能參數(shù)可通過(guò)外加磁場(chǎng)實(shí)時(shí)、可逆、迅速控制[1-2]。其彈性模量可以通過(guò)外置電磁體精確調(diào)節(jié)，控制響應(yīng)時(shí)間僅為幾毫秒。在振動(dòng)控制領(lǐng)域，一些傳統(tǒng)器件都可采用磁流變彈性體進(jìn)行替代以提高其減振性能。例如，將磁流變彈性體應(yīng)用于彈性軸承，制成可變剛度的火車軸箱定位節(jié)點(diǎn)，可對(duì)不同線路狀態(tài)提供相應(yīng)的減振降噪效果[3]。又如將磁流變彈性體用于軌道車輛車體吸振器，可使其滿足車輛在不同工況下的減振需求，對(duì)車體寬頻振動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)[4-5]。對(duì)于無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，扣件及其彈性墊板作為軌道彈性的主要來(lái)源，是軌道減振降噪的關(guān)鍵部件，其材料及結(jié)構(gòu)屬性影響了鋼軌在大部分頻域范圍內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)[6-8]，尤其是扣件彈性墊板的剛度特性對(duì)車輛-軌道耦合動(dòng)力作用、軌道結(jié)構(gòu)荷載分布特征、鐵路系統(tǒng)振動(dòng)噪聲控制等關(guān)鍵問(wèn)題均會(huì)產(chǎn)生較大影響[9-10]。但是，既有的扣件彈性墊板均采用單一剛度的布置方式，亟需一種剛度特征可調(diào)的扣件彈性墊板，從而根據(jù)線路區(qū)段的運(yùn)行條件對(duì)不同墊板剛度的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。因此，可用磁流變彈性體材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠材料制作彈性墊板，以期實(shí)現(xiàn)軌道墊板的剛度阻尼的實(shí)時(shí)調(diào)整。然而，一般磁流變彈性采用硅橡膠作為彈性基體材料，雖然可以得到很高的磁流變效應(yīng)，但其機(jī)械強(qiáng)度及疲勞性能無(wú)法滿足軌道墊板的實(shí)際使用需求[2,11]?；谲壍缐|板使用特點(diǎn)，本文采用天然橡膠與順丁橡膠作為橡膠基體，研制一種磁流變彈性體材料，并根據(jù)材料力學(xué)特性設(shè)計(jì)制造了磁流變彈性墊板。將磁流變彈性體材料與軌道墊板應(yīng)用相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)軌道墊板剛度的實(shí)時(shí)調(diào)整，并輔助提出適配于不同線路區(qū)段的合理墊板剛度取值。

1 原材料與制備方法

1.1 原材料

磁流變彈性體材料及磁流變彈性體軌道墊板制備所用材料主要由橡膠基體、磁性粉末、無(wú)機(jī)添加劑、有機(jī)助劑和硫化劑。其中，橡膠基體為天然橡膠(RSS3#)及順丁橡膠(BR9000)；無(wú)機(jī)添加劑包括炭黑(N550)、氧化鋅及硬脂酸；有機(jī)助劑包括防老劑(RD)、流動(dòng)助劑(KL608)及防焦劑(CTP)；硫化劑包括促進(jìn)劑(CZ)、促進(jìn)劑(DTDM)、促進(jìn)劑(TMTD)及硫磺；磁性粉末為羰基鐵粉。以重量比計(jì)，羰基鐵粉含量占磁流變彈性體材料總重的50%。

羰基鐵粉原料的尺寸差異會(huì)影響其在基體中的分布，從而影響其磁流變效應(yīng)。目前磁流變彈性體的制備領(lǐng)域廣泛選用德國(guó)BASF 公司生產(chǎn)羰基鐵粉作為制備磁流變彈性體的磁性粉末。為優(yōu)化磁流變彈性體材料制備配方，基于羰基鐵粉的顆粒與性能，試驗(yàn)選用BASF公司生產(chǎn)的牌號(hào)為CN，CD，SM 和SQ 的羰基鐵粉制備磁流變彈性體，分別記為MRE-CN，MRE-CD，MRE-SQ 與MRESM。不同牌號(hào)羰基鐵粉的規(guī)格如表1所示。

表1 不同牌號(hào)羰基鐵粉的規(guī)格Table 1 Properties of different carbonyl iron powder

1.2 樣品制備方法

磁流變彈性體以天然橡膠及順丁橡膠作為基體材料，其制備方法與傳統(tǒng)天然橡膠制造工藝基本一致，整個(gè)制備流程可分為密煉、混煉及硫化。其中，天然橡膠在加工前需要塑煉，降低其相對(duì)分子質(zhì)量。磁流變彈性體材料及墊板制備具體流程如下。

1) 密煉：先將天然橡膠塑煉膠和順丁橡膠投入到密煉機(jī)中，密煉60 s；然后依次加入氧化鋅、硬脂酸、防老劑、流動(dòng)助劑、炭黑和羰基鐵粉，進(jìn)行一段混煉，排膠溫度105 ℃。

2) 混煉：將一段混煉膠、硫磺、促進(jìn)劑、防焦劑在開(kāi)煉機(jī)上進(jìn)行二段混煉，左右割膠各3 次，打3個(gè)三角包，再打6個(gè)膠卷，下片，停放8 h。

3) 硫化：將混煉膠放入模具中，在平板硫化機(jī)上進(jìn)行硫化，硫化溫度為160 ℃，硫化時(shí)間12 min，壓力為12 MPa。

2 磁流變彈性體磁致力學(xué)性能研究

2.1 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

采用美國(guó)TA 公司Q800 型動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)并設(shè)計(jì)了磁場(chǎng)發(fā)生裝置以測(cè)試磁流變彈性體試樣在壓縮模式下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，如圖1 所示。該測(cè)試裝置主要由導(dǎo)磁框架、端蓋、線圈、中軸、上軸組成。其中，端蓋與框架通過(guò)螺栓連接，中軸與框架通過(guò)焊接連接，上軸為貫穿于端蓋中心孔的活動(dòng)軸，承受測(cè)試載荷。線圈采用自粘式無(wú)骨架線圈方便更換與裝卸?？紤]到漏磁，與動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試儀所連接處均采用鋁合金材料。通過(guò)調(diào)節(jié)線圈電流改變施加在樣品上的磁場(chǎng)大小，并測(cè)量磁流變彈性體的磁流變特性。測(cè)試樣品裁剪為直徑9 mm 高2 mm 圓柱，測(cè)試溫度為室溫，靜態(tài)載荷為2 N，動(dòng)態(tài)振蕩幅值為2 μm應(yīng)變，頻率為1～200 Hz，電流加載為0～2 A，每0.2 A 采集一次。記錄樣品的儲(chǔ)能模量E1，損耗模量E2，與損耗因子η。

2.2 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試結(jié)果

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀是用來(lái)測(cè)試材料或者測(cè)試裝置在循環(huán)應(yīng)力的作用下的力學(xué)性能，當(dāng)理想線黏彈性材料受到正弦波應(yīng)力作用時(shí)，應(yīng)力響應(yīng)介于理想彈性固體與理想黏性液體之間，應(yīng)力應(yīng)變的相位差介于0～π/2 之間，其應(yīng)力應(yīng)變加載頻率關(guān)系為：

式中：ε0為應(yīng)變幅值；ω為圓頻率；σ0為應(yīng)力幅值。其中，引入儲(chǔ)能模量E1=σ0/ε0cos(δ)，耗能模量E2=σ0/ε0cos(δ)及損耗因子，用于描述材料黏彈特性，即[8]：

圖2為的磁流變彈性體樣品的儲(chǔ)能模量對(duì)應(yīng)不同振蕩頻率及外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線，其中振蕩頻率從1 Hz加載到200 Hz，外加磁場(chǎng)從0 T加載至1.8 T。從圖中可以看出，外加磁場(chǎng)為0 T時(shí)，所得的天然橡膠基磁流變彈性體材料的儲(chǔ)能模量隨著加載頻率的增大而增大，并在0～10 Hz 以內(nèi)變化率較高，之后仍呈增大趨勢(shì)，但增速放緩。此外，樣品的儲(chǔ)能模量曲線在130 Hz 左右出現(xiàn)了陡降，這是橡膠基材料共有的內(nèi)耗峰，在此頻域范圍內(nèi)，橡膠材料分子運(yùn)動(dòng)將不能完全跟上外應(yīng)力的變化，將外力做功部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

MRE-CN，MRE-CD，MRE-SQ 與MRE-SM 樣品都有比較明顯的磁流變效應(yīng)，即隨著外加磁場(chǎng)的增加，其儲(chǔ)能模量也相應(yīng)增加。根據(jù)磁流變彈性體樣品的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能曲線可以計(jì)算出不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的磁流變效率：

式中：estorage與elosstangent分別為儲(chǔ)能模量與損耗系數(shù)的磁流變效率；G與G0分別為樣品在有外加磁場(chǎng)和無(wú)外加磁場(chǎng)下的儲(chǔ)能模量；tanθ′與tanθ分別為樣品在有外加磁場(chǎng)和無(wú)外加磁場(chǎng)下的損耗系數(shù)。如圖3所示，在不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度下，磁流變彈性體的儲(chǔ)能模量隨著外加磁場(chǎng)的增高而增大，而損耗系數(shù)隨著外加磁場(chǎng)的增高而降低。值得注意的是，當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.8 T 后，儲(chǔ)能模量及損耗系數(shù)的變化量逐漸變小。直到外加磁感應(yīng)強(qiáng)度大于1 T 后，其儲(chǔ)能模量及損耗系數(shù)幾乎不變。這是由于磁流變彈性體內(nèi)部羰基鐵粉作為一種磁性顆粒被外加磁場(chǎng)磁化后，產(chǎn)生了一定的相互作用力，引起樣品的模量增大，而隨著外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度增大，所產(chǎn)生的相互作用力越大，引起的模量增大。但是，隨著磁場(chǎng)的進(jìn)一步增高，其內(nèi)部磁性顆粒達(dá)到飽和狀態(tài)，磁性顆粒之間的相互作用就不再隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，樣品的模量增加趨勢(shì)逐漸減緩直至不再變化。

圖3 磁流變彈性體試樣在25Hz振蕩載荷下的磁流變效率與磁感應(yīng)強(qiáng)度的相關(guān)性曲線Fig.3 Magnetorheological efficiency of MRE specimens under different magnetic flux density at 25 Hz oscillating load

在25 Hz 振蕩載荷下，MRE-CN，MRE-CD，MRE-SQ 與MRE-SM 樣品的儲(chǔ)能模量的最大磁流變效率分別為48%，69%，55%及31%，其損耗系數(shù)最大磁流變效率分別為46%，59%，54%與8%。結(jié)果表明，羰基鐵粉的粒徑對(duì)磁流變效應(yīng)有顯著的影響。粒徑較小或較大時(shí)，磁流變彈性體的磁流變效應(yīng)比較小。采用粒徑D50值為5 μm 的CD 牌號(hào)的羰基鐵粉時(shí)，其磁流變效率最大。因此，磁流變彈性墊板采用CD 牌號(hào)的羰基鐵粉作為磁性填充顆粒，以提高墊板剛度可調(diào)性能。

3 磁流變彈性墊板剛度可調(diào)性能

3.1 墊板結(jié)構(gòu)選型

磁流變彈性墊板結(jié)構(gòu)選型采用雙層的半球狀凸點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。半球直徑為10 mm，相鄰半球的中心距為11.8 mm，每列之間呈錯(cuò)列式排布。中間層厚度為3 mm，兩側(cè)的半球狀凸點(diǎn)相對(duì)于中間層對(duì)稱布置，墊板總厚度為13 mm。采用該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)半球狀凸點(diǎn)受壓狀態(tài)下的側(cè)向自由形變，減少尺寸效應(yīng)對(duì)磁流變彈性體材料磁化狀態(tài)造成的影響。

圖4 磁流變彈性體彈性墊板結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structures of magnetorheological elastomer rail pad

3.2 磁控測(cè)試工裝

考慮到磁流變彈性調(diào)節(jié)需要在存在外加磁場(chǎng)的情況下進(jìn)行，設(shè)計(jì)了用于墊板剛度性能測(cè)試的磁控工裝，如圖5所示。采用有限元分析方法計(jì)算磁控工裝產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)分布情況。仿真分析中將磁控工裝分為導(dǎo)磁骨架、蓋板、磁流變彈性墊板、空氣和線圈共5個(gè)組件，其中導(dǎo)磁骨架、蓋板材料為10 號(hào)低碳鋼，采用solid96 單元模擬。磁流變彈性墊板的相對(duì)磁導(dǎo)率為3，空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，包裹在磁控工裝周圍，用于計(jì)算漏磁情況。跑道型線圈電流源由RACE宏定義，線圈參數(shù)如表2所示。

圖5 磁流變彈性墊板測(cè)試Fig.5 Test of magnetorheological elastomer railway pad

表2 磁控工裝參數(shù)Table 2 Magnetic control element parameters

線圈電流為5 A 時(shí)，磁控工裝的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量圖與彈性墊板區(qū)域磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖如圖6 所示，彈性墊板及空氣處磁感應(yīng)強(qiáng)度見(jiàn)表3。根據(jù)仿真結(jié)果可知，空氣層中有輕微漏磁現(xiàn)象，但磁感應(yīng)強(qiáng)度僅為彈性墊板處的0.27%～1.45%，該磁控工裝設(shè)計(jì)較為合理。處于磁極區(qū)域的彈性墊板磁感應(yīng)強(qiáng)度分布均勻，僅在邊緣處稍高，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值約為平均值的1.65 倍。隨著線圈電流由1 A 增長(zhǎng)到5 A，彈性墊板處磁感應(yīng)強(qiáng)度平均值由0.11 T 增大至0.53 T，可通過(guò)增大電流實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)磁場(chǎng)的目的。

圖6 測(cè)試工裝磁場(chǎng)數(shù)值模擬Fig.6 Magnetic field simulation of the test equipment

表3 墊板位置磁場(chǎng)參數(shù)Table 3 Magnetic control element parameters

3.3 墊板靜剛度性能研究

墊板靜剛度測(cè)試方法參考TB/T 3395.1―2015《高速鐵路扣件 第1 部分：通用技術(shù)條件》規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行，即以60 kN/min±10 kN/min 的速度由0 kN至80 kN連續(xù)加載3次，每次卸載至0 kN時(shí)停留1 min，以最后一次加載結(jié)果曲線上取割線剛度作為墊板的靜剛度[12]。測(cè)試時(shí)將磁流變彈性墊板與磁控工裝組合，分別測(cè)試線圈電流為0，1，2，3，4 和5 A 時(shí)的墊板靜剛度，加載過(guò)程中的荷載-位移曲線如圖7 所示。由圖7 可知，隨著施加磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，同等荷載下墊板發(fā)生的垂向變形減小，墊板靜剛度隨之增大。

此外，由于橡膠材料超彈性本構(gòu)特征的影響，墊板在受壓過(guò)程中表現(xiàn)出了顯著的非線性，因此割線剛度取值的荷載范圍對(duì)墊板靜剛度同樣有較大的影響。TB/T 3395.1―2015《高速鐵路扣件 第1 部分：通用技術(shù)條件》中規(guī)定的高鐵扣件彈性墊板靜剛度取值荷載范圍為20～70 kN，制定依據(jù)主要參考TJ-CL342―2014《中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組暫行技術(shù)條件》中要求的動(dòng)車組最大軸重不超過(guò)17 t。由于列車型號(hào)眾多，如CRH2，CRH380 和CR400 等動(dòng)車組和A 型、B 型和C 型等地鐵列車，列車軸重也不盡相同，故彈性墊板靜剛度取值荷載范圍需同步調(diào)整[13-14]。不同磁感應(yīng)強(qiáng)度、不同荷載范圍條件下磁流變彈性墊板的靜剛度如表4和圖8所示。

圖8 不同荷載范圍時(shí)墊板靜剛度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線Fig.8 Static Stiffness of rail pad with magnetic flux density under different load range

表4 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度和荷載范圍時(shí)墊板靜剛度Table 4 Static stiffness of rail pad under different magnetic flux density and load range

由測(cè)試結(jié)果可知，磁流變彈性墊板靜剛度與磁感應(yīng)強(qiáng)度均呈正相關(guān)關(guān)系。線圈電流為5 A 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.53 T，相比無(wú)磁場(chǎng)條件，不同荷載范圍內(nèi)的墊板靜剛度增幅均達(dá)到40%以上，磁場(chǎng)對(duì)磁流變彈性墊板靜剛度影響較為顯著。相比于磁感應(yīng)強(qiáng)度較小時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.2 T 后墊板靜剛度基本呈線性增長(zhǎng)。

我國(guó)高速鐵路扣件系統(tǒng)中WJ7-B 型彈性墊板選用橡膠材料，其初始靜剛度為(25±5) kN/mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽測(cè)調(diào)研結(jié)果可知，服役5～6 a后WJ7-B型墊板靜剛度增幅約為40%[15]。因此，采用磁流變彈性體材料制作扣件彈性墊板可模擬現(xiàn)場(chǎng)服役5～6 a的墊板靜剛度特征，并實(shí)現(xiàn)靜剛度的實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.4 墊板動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果

由于高分子材料的變形滯后性，墊板動(dòng)剛度測(cè)試與荷載區(qū)間有較大的相關(guān)性，針對(duì)不同荷載范圍內(nèi)墊板動(dòng)剛度需分別開(kāi)展測(cè)試。動(dòng)剛度測(cè)試以4 Hz 頻率加載動(dòng)載荷，連續(xù)加載1 000 次，取后100次種任意連續(xù)10次加載結(jié)果中平均值作為墊板的動(dòng)剛度。圖9 為荷載范圍20～70 kN 區(qū)間情況下，電流分別為0，1，2，3，4 和5 A 時(shí)動(dòng)剛度測(cè)試的荷載-位移曲線，每條曲線在荷載為20 kN 時(shí)對(duì)位移做了歸零處理。由圖9可知，隨著施加磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大，同等荷載下墊板發(fā)生的垂向變形減小，墊板動(dòng)剛度隨之增大。

不同磁感應(yīng)強(qiáng)度、不同荷載范圍條件下磁流變彈性墊板的動(dòng)剛度測(cè)試結(jié)果如表5 和圖10 所示。由測(cè)試結(jié)果可知，磁流變彈性墊板動(dòng)剛度與磁感應(yīng)強(qiáng)度同樣呈正相關(guān)關(guān)系。線圈電流為5 A 時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.53 T，相比無(wú)磁場(chǎng)條件，不同荷載范圍內(nèi)的墊板靜剛度增幅均可達(dá)到50%左右，磁場(chǎng)對(duì)磁流變彈性墊板動(dòng)剛度的影響高于靜剛度。相比于磁感應(yīng)強(qiáng)度較小時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.2 T 后墊板動(dòng)剛度基本成線性增加。

圖10 不同荷載范圍時(shí)墊板動(dòng)剛度隨磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線Fig.10 Dynamic stiffness of rail pad with magnetic flux density under different load range

表5 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度和荷載范圍時(shí)墊板動(dòng)剛度Table 5 Dynamic stiffness of rail pad under different magnetic flux density and load range

WJ7-B型彈性墊板初始動(dòng)剛度一般為40 kN/mm左右，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽測(cè)調(diào)研結(jié)果可知，服役6 a 后WJ7-B型墊板動(dòng)剛度增幅約為50%，與靜剛度變化規(guī)律基本一致。因此，采用磁流變彈性體材料制作扣件彈性墊板可同時(shí)模擬現(xiàn)場(chǎng)服役5～6 a的墊板動(dòng)剛度特征，并實(shí)現(xiàn)剛度的實(shí)時(shí)調(diào)整。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)鐵路墊板的使用要求，探索一種天然橡膠基磁流變彈性體的制備方法與配方。在壓縮載荷條件下，所得樣品的儲(chǔ)能模量隨著外加磁場(chǎng)的增高而增大，而損耗系數(shù)隨外加磁場(chǎng)的增加而減少，具有明顯的磁流變效應(yīng)。

2) 在配方重量比不變的情況下，研究了不同羰基鐵粉前驅(qū)體粒徑對(duì)制備的磁流變彈性體磁致力學(xué)性能的影響。羰基鐵粉粒徑不同時(shí)，磁流變彈性體磁致力學(xué)差異非常明顯，粒徑較大或較小時(shí)，磁流變效率較差。這可能是由于粒徑較小時(shí)，粒子間的磁力較小，而顆粒較大時(shí)，由于團(tuán)聚導(dǎo)致在基體內(nèi)分布的均勻性較差。當(dāng)采用粒徑D50為5 μm 的羰基鐵粉時(shí)，其磁流變效率最大，可以達(dá)到69%。

3) 磁流變彈性墊板實(shí)現(xiàn)了剛度實(shí)時(shí)調(diào)整，其動(dòng)、靜剛度隨著外加磁場(chǎng)的增大而增大，且在磁感應(yīng)強(qiáng)度大于0.2 T 后成線性增長(zhǎng)。在20～70 kN的載荷下，其靜剛度可從26.1 kN/mm 增加至36.6 kN/mm，增幅達(dá)到40%，而其動(dòng)剛度從54.3 kN/mm增大至83.5 kN/mm，最大增幅達(dá)50%。

4) 根據(jù)彈性墊板現(xiàn)場(chǎng)的服役性能，WJ7-B 型墊板的初始靜動(dòng)剛度分別為25 kN/mm與40 kN/mm，當(dāng)持續(xù)服役5～6 a 后，其墊板剛度增大約50%左右。因此，本文設(shè)計(jì)的磁流變彈性墊板可用于模擬現(xiàn)場(chǎng)服役5～6 a的墊板剛度特征。