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![一种高强度高阻尼的Fe-Cr-Mo-Cu减振合金及其制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/a96784f9c5da50e2534d7f1c.png)
专利名称：一种高强度高阻尼的Fe-Cr-Mo-Cu减振合金及其制备方法
专利类型：发明专利
发明人：胡小锋,闫德胜,戎利建,韩仲景,姜海昌,赵明久
申请号：CN201510070010.7
申请日：20150210
公开号：CN104726776A
公开日：
20150624
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及减振合金，具体说就是一种高强度高阻尼的Fe-Cr-Mo-Cu减振合金及其制备方法。
按质量百分数计，该减振合金的成分为：Cr 14.5～17.0、Mo 2.3～2.7、Cu 0.45～1.10、
C<0.010、S≤0.010、P≤0.010，Fe余量。
采用真空感应炉熔炼，铸锭经锻造后，热轧成型，最后进行退火热处理。
采用的热处理方法为：850～1050℃保温1h，冷却方法为空冷。
热处理后的Fe-Cr-Mo-Cu减振合金阻尼性能最大值为0.035～0.050(Q值：品质因数的倒数)，拉伸强度为430～
480MPa，延伸率约为35％，常温夏比V口冲击功约为350J。
与Fe-Cr-Mo减振合金相比，本发明高强度高阻尼Fe-Cr-Mo-Cu减振合金的强度、韧性和阻尼性能均得到一定程度的提高，尤其是阻尼性能提高明显。
由于其使用温度范围宽，不受频率影响，成本低，作为高阻尼的结构材料将得到广泛应用。
申请人：中国科学院金属研究所
地址：110016 辽宁省沈阳市沈河区文化路72号
国籍：CN
代理机构：沈阳优普达知识产权代理事务所(特殊普通合伙)
代理人：张志伟
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基于FE-SEA混合法的铝型材振动声辐射特性预测吴健;肖新标;张玉梅;圣小珍【摘要】The hybrid FE-SEA model was developed to predict the sound radiation of section aluminum of high-speed train’s car-body. The model was verified through the comparison of the results with those calculatedby using the FE-BEM model. The effect of the viscoelastic damping technique on the sound radiation suppression was analyzed with this model. The prediction results show that the sound radiation of the section aluminum with viscoelastic damping material attached to the top and the bottom and the inner surface of the section aluminum can significantly suppress the sound radiation in the medium-and-high frequency range above 500 Hz. While the acoustic radiation efficiency does not change a lot if the viscoelastic damping material is attached to the outer surface of the section aluminum. Comparing the types of the viscoelastic damping material attachment, it is concluded that the viscoelastic damping material attached to the bottom is more economic and feasible. It is beneficial for the light car-body design. This work may provide a theoretical guidancefor the design of the section aluminum for noise and vibration reduction of the car-bodies.%基于FE-SEA混合法建立高速列车车体铝型材振动声辐射预测模型，并与FE-BEM模型的预测结果进行对比分析，验证模型的有效性，进而运用该模型分析黏弹性阻尼减振降噪技术对于抑制铝型材振动声辐射的效果。
- 102 -CHINA RAILWAY 2019/010 引言中国标准动车组是贯彻落实国家创新驱动发展战略，根据我国铁路自身发展需求和“走出去”战略要求决定实施的一项铁路重大装备工程。
为此中国铁路总公司对中国标准动车组提出了全面自主化的要求，并从2012年开始组织我国有关企业、高校、科研单位等的优势力量，开展中国标准动车组的研制工作。
高速运行的动车组带来的噪声影响日益突出，为满足人民群众日益增长的环保意识和乘坐舒适度的要求，同时提升中国高铁品牌形象，亟需开展高速铁路噪声控制技术研究。
日本新干线试验研究表明：当列车速度低于240 km/h，轮轨噪声为主要声源，约占噪声能量的40%；列车速度在240 km/h 以上时，空气动力噪声和集电系统噪声大幅增大，与轮轨噪声共同成为主要的噪声源[1-2]。
在对比分析国内外车轮减振降噪措施的性能特点上[3-4]，选定约束阻尼的降噪方式。
1 既有降噪方式特点1.1 弹性车轮弹性车轮是在车轮轮心和轮箍之间采用橡胶弹性元件连接，目的是通过使用弹性体介质，把踏面振动响应从轮辐中分离出来（见图1）。
这个思想被广泛应用于城轨车辆[5-7]，效果很好，但由于德国ICE 列车1997年的事故影响，目前已不在高速铁路中应用。
中国标准动车组约束阻尼降噪板的研制与应用毛昆朋，杨延峰，张澎湃，徐超（中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081）摘 要：依据时速350 km 中国标准动车组顶层设计要求，在对比分析国内外车轮减振降噪措施的性能特点基础上，选定约束阻尼的降噪方式。
针对中国标准动车组车轮的外形尺寸设计了约束阻尼降噪板，其具有高阻尼特性、无需改造车轮结构、使用期间免维护的特点，并完成了降噪板的安全评估、室内降噪效果测试、现场噪声测试和60万km 的装车运用考核工作。
目前安装有国产降噪板的中国标准动车组最高运行里程120万km，降噪板服役期间性能良好。
关键词：中国标准动车组；降噪板；约束阻尼；安全评估；减振降噪中图分类号：U260.16 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2019）01-0102-08DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2019.01.102基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2015J009-C）； 中国铁道科学研究院科技研究开发计划项目（2015YJ024）第一作者：毛昆朋（1974—），男，副研究员。
高速铁路扣件的减振与降噪技术研究摘要：高速铁路的快速发展给交通运输行业带来了巨大的机遇与挑战。
然而，高速列车行驶时产生的振动和噪音问题成为制约运输效率以及乘客舒适度的重要因素。
本文针对高速铁路扣件的减振与降噪技术进行了研究，介绍了目前国内外相关研究的现状，并重点探讨了减振材料和减振结构在高速铁路扣件中的应用方法与效果。
研究发现，合理选择减振材料和设计减振结构可以有效降低高速铁路扣件的振动和噪音，提升列车的行驶安全性和乘客的乘坐舒适度。
关键词：高速铁路；振动；噪音；减振材料；减振结构一、引言高速铁路作为一种高效、快速、环保的交通工具，以其出色的性能和优良的乘客体验受到广泛关注。
然而，高速列车行驶时产生的振动和噪声给乘客和周边环境带来了一定程度的影响，因此减振与降噪技术的研究具有重要的实际意义。
二、高速铁路扣件的振动与噪音问题高速铁路扣件作为铁路系统中的重要组成部分，承载着列车轨道的固定功能和传递着列车轮对产生的力。
然而，扣件在高速行驶过程中会产生较大的振动和噪音。
振动给扣件结构带来了疲劳破坏和不稳定性的风险，噪音则对周边居民和乘客的生活质量产生了负面影响。
三、国内外相关研究现状针对高速铁路扣件的减振与降噪技术，国内外学者和工程师们进行了广泛的研究。
国外主要关注减振材料的应用和减振结构设计，如采用振动吸收材料和减振支撑结构等方法。
国内研究主要集中在减振材料的改性与合成以及减振装置的设计等方面。
四、减振材料的应用4.1聚合物材料聚合物材料具有良好的减振性能，其低频段的能量吸收比较高。
通过改变聚合物材料的结构和成分，可以进一步提高其减振性能。
4.2纳米材料纳米材料具有较大的比表面积和较高的弯曲模量，因此可以提供更好的减振效果。
纳米颗粒被加入到聚合物基体中，形成了复合材料，可以显著提高减振效果。
4.3橡胶材料橡胶材料具有较好的弹性和吸音性能，因此在高速铁路扣件中应用广泛。
橡胶的使用可以有效减轻振动和噪音的传递。
振 动 与 冲 击第27卷第3期JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCKVol .27No .32008 试验研究Fe -16Cr -2.5M o 合金构件减振降噪性能实验研究基金项目:上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室开放基金(VS N -2007-04)收稿日期:2007-00-00 修改稿收到日期:2007-10-16第一作者黄 云女,硕士,1983年生通讯作者李 宁男,教授,博导黄 云1, 李 宁1, 文玉华1, 黄姝珂1, 胥永刚2, 黄 勇1(1.四川大学制造科学与工程学院,成都 610065;2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海 200240) 摘 要:从某一实际工程应用背景出发,在20Hz ～400Hz 范围内,采用相同的实验方法研究了0Cr18N i9Ti 不锈钢与Fe -16Cr -2.5Mo 合金圆筒状构件在宽频带激励条件下的减振降噪性能。
结果表明,在20Hz ～400Hz 频带内Fe -16Cr -2.5Mo 阻尼合金使振动得到有效抑制,降噪效果也很明显。
关键词:阻尼合金;Fe -Cr -Mo;减振降噪;铁磁合金中图分类号:TG135.7 文献标识码:A 随着现代工业的迅速发展,构件设计逐渐转向轻型高强化、运行高速化和构件采用整体加工制造,这势必造成构件系统阻尼的下降,促使振源振动强度的增加,减少振动能在固体传递中的损耗,不可避免地给整体系统带来有害振动和噪声,降低了部件或整机的使用寿命和可靠性;振动、噪声还污染工作、生活环境,危害人的身心健康。
振动和噪声已列入人类三大公害之一。
减振防噪的研究已引起人们的重视。
使用减振合金是减振防噪最积极、最根本且简便的措施之一。
它优于以往的传统减振方法,它是直接应用于减小或消除振动源从而有效地控制声源,达到减振防噪的目的。
根据阻尼机制的不同,目前的阻尼合金主要可分为:铁磁型(Fe -Cr 、Fe -A l 等)[1]、孪晶型(Mn -Cu 、N i -Ti 、Cu -Zn -A l 等)[2,3]、复相型(灰铸铁、Zn -A l )[4]、位错型(Mg -Zr )[5]。
相对而言,复相型阻尼合金阻尼性能偏低,加工性能差;位错型阻尼合金机械性能太差,尤其是强度较低,使其应用受到限制;而孪晶型阻尼合金使用温度较低,成本太高。
铁磁型减振合金因具有极好的塑性加工性能、易于表面硬化、减振系数不受频率影响,特别是极限使用温度高,且有良好的机械性能和较高的减振性,以及价格较便宜,是目前发展最快、应用最广的减振合金。
它的阻尼机制是在受到外界的交变振动时,合金中的磁畴壁发生非可逆性移动,形成磁-机械静滞后作用,从而在应力和应变关系上出现滞后曲线,造成能量耗散。
对铁磁型阻尼合金的研究,目前主要是研究热处理工艺、合金成分、磁场、温度及不同应力振幅对合金阻尼特性的影响。
但在实际应用方面,很少见铁磁性阻尼合金制作的构件阻尼特性及其减振降噪性能方面的报道。
本文从某一实际工况出发(工作频率在20Hz ～400Hz 范围内的圆筒状零件),把目前所使用的0Cr18N i9Ti 不锈钢与Fe -16Cr -2.5Mo 铁磁型阻尼合金进行对比研究,采用同种实验方法来研究两种材料的圆筒状构件在宽频带激励条件下的减振降噪性能,这将有助于对Fe -Cr -Mo 系合金减振降噪性能的进一步掌握,从而促进该减振合金在工程技术领域的推广应用。
1 Fe -16Cr -2.5Mo 合金在宽频带激振下的减振降噪性能111 实验材料和尺寸 在前期阻尼特性研究的基础上[6,7],我们选定阻尼性能较好的Fe -16Cr -2.5Mo 合金为研究对象。
为了便于比较,把Fe -16Cr -2.5Mo 、0Cr18N i9Ti 不锈钢加工成相同几何尺寸的带底圆筒构件:<230mm ×200mm ×2mm (长度×高度×厚度)。
两种实验材料的化学成分及热处理工艺见表1。
表1 实验材料的化学成分与热处理工艺Ele mentFeCrMoN i热处理工艺Fe -16Cr -2.5Mo Bal .15.322.471100℃+1h 退火,随炉冷+机加工0Cr18N i9TiBal .17.58.69机加工后不处理112 实验方法原理及步骤 函数信号发生器产生的信号作为宽频带激励的信号,它的频谱在整个频率范围内是连续的[8]。
采用正弦信号激振。
测定在20Hz ～400Hz 频带当圆筒构件受不同大小激振力作用时响应(加速度)的大小。
一般,材料的阻尼性能越好,响应(加速度)就越小,振动吸收的能量越大。
宽频带激振试验装置示意框图如图1所示。
圆筒底部用螺栓紧固在激振器顶杆螺纹处。
每个构件布置了六个加速度传感器,分别用502胶水固定在圆筒构件的外壁和底部的相同位置。
激振力由激振器激发,传递到构件后由加速度传感器接收信号。
信号经DH5862电荷放大器放大后送至DH5932动态采集仪,再由DH59X 数据采集系统保存在计算机中进行相关处理。
由于A 声级能较好地反映人耳对噪声响度的主观感觉,以及噪声对人耳听力损伤的程度,因此,近年来基本上都采用A 声级来评价噪声[9]。
在本实验中,采用近场(r =1m )测量的方法得到0Cr18N i9Ti 不锈钢和Fe -16Cr -2.5Mo 圆筒构件在20Hz ～400Hz 频带内的噪声数据。
图1 激振试验装置示意图图2 自由振动加速度衰减曲线1.3 实验结果及讨论 由于该测量系统是由多个零件组成的机械系统,影响耗能的因素多,且经过实验表明两构件在20Hz ～400Hz 频带的振型也不相同,所以实验中采用了相对比较法进行测量。
图2是0Cr18N i9Ti 不锈钢、Fe -16Cr -2.5Mo 合金构件的振动加速度随时间自由衰减曲线。
实验时,由激振器分别给两个圆筒施加相同大小的激振力,当外力消失,两圆筒的振动随时间自由衰减下来。
从图中可以看出,0Cr18N i9Ti 不锈钢的加速度随着时间的增加衰减缓慢,这种曲线代表了传统材料的特征。
而Fe -16Cr -2.5Mo 合金的加速度随着时间的增加衰减显著,表现出了很高的阻尼特性。
可见,同传统材料相比,Fe -16Cr -2.5Mo 合金可以在较短的时间内将一定振动迅速降低下来,从而减少振动的危害,这就是其作为减振合金使用的本质。
图3是激振力与加速度(响应)峰值关系曲线。
功率放大器所输出的电压(V )能量大小与激振力的大小成正比。
在相同的实验条件下,分别测量20Hz ～400Hz 扫频时两种合金构件的底部、圆筒外壁在0.5V ～3V (放大器增益)激振力下的加速度峰值,得到了激振力-加速度(响应)关系曲线。
由图3可知,两种材料的加速度峰值有较明显差异。
且0Cr18N i9Ti 不锈钢的加速度(响应)峰值随着激振力的增大而增大,而Fe -16Cr -2.5Mo 合金加速度(响应)峰值随激振力增大几乎没有变化。
这是由于在激振力作用下,Fe -16C r -2.5Mo 阻尼合金圆筒构件内部受到交变应力作用。
交变应力所产生的交变应力场使边界之间产生持续的交变运动,同时应力场使磁饱和单元体产生磁致伸缩现象,加剧了各单元体之间的相对运动。
显然,输入的振动能量变成热能并耗散于环境之中,即产生了阻尼。
图4为Fe -16C r -2.5Mo 合金和0Cr18N i9Ti 不锈钢圆筒构件上1测点和5测点的振动加速度随频率的变化关系。
实验时,激振器激发的力大小相同(放大器增益均为2V ),对两构件在20-400频带内271振动与冲击 2008年第27卷(a ) 圆筒底部(b )圆筒外壁图3 激振力与加速度(响应)关系进行扫频。
由该图可以看出,Fe -16Cr -2.5Mo 合金圆筒外壁产生的振动加速度只有不锈钢的1/5,底部产生的振动加速度只有不锈钢的振动加速度的1/15。
Fe -16Cr -2.5Mo 圆筒上其它4个测点的实验结果也表明,在相同的实验条件下Fe -16Cr -2.5Mo 构件产生的振动比0Cr18N i9Ti 不锈钢小得多。
当放大器增益为2V 时,在相同的激振力作用下对Fe -16Cr -2.5Mo 合金和0Cr18N i9Ti 不锈钢圆筒构件进行扫频,得到了如图5所示的20Hz ～400Hz 频带的噪声(d B )曲线。
由该图中可以看出,在相同的实验条件下,0Cr18N i9Ti 不锈钢圆筒构件产生的噪声大于80d B 的峰有2个,噪声最大值是84.6d B 。
而Fe -16Cr -2.5Mo 合金圆筒构件产生的最大噪声是79.1d B 。
与0Cr18N i9Ti 不锈钢构件相比,Fe -16Cr -2.5Mo 合金构件产生的噪声普遍降低了2dB ～3dB ,最大噪声降低了5.5dB 。
可见,使用Fe -16Cr -2.5Mo 阻尼合金就是直接应用于减小或消除振动源,有效地控制声源,达到减振降噪的目的。
图4 Fe -16Cr -2.5Mo 合金和0Cr18N i9Ti 不锈钢圆筒在20-400频带的加速度图5 20Hz ～400Hz 扫频噪声曲线(下转第174页)371第3期 黄 云等:Fe -16Cr -2.5Mo 合金构件减振降噪性能实验研究振 动 与 冲 击第27卷第3期JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCKVol .27No .32008 振动应用园地球拍受击振动的控制庄表中(浙江大学,杭州 310013) 网球、羽毛球等的球拍,当第一次接球受击时,球拍得到初始能量输入,球拍会发生有阻尼的自由振动,从一只普通的球拍进行测试振动周期在0.1s ～0.5s (见图1),振幅从初始最大值经过了3s -5s 才完全衰减,这个时间太长了,若对方快速将球打过来,本球员需要立即还击,即进行第二次接球,这时,球拍还在振动,一个优秀的运动员也无法得心应手地回击球。
图1对球拍进行研究后发现,球拍应弹性好、轻,又要有适当大小的阻尼,即要求振动衰减时间小于“球击过去立即回过来的合计时间”。
这样球员控制球拍击球就易得心应手,准确度明显提高。
图2所示网球拍,在弹性钢管1外面绕上石墨纤维2[图2(b )],然后在石墨纤维外面用塑料3捆扎住。
当球拍受击振动,众多的石墨纤维的外表因相对运动而产生库仑摩擦阻尼。
捆扎过紧或过松都会使阻尼耗能降低,阻尼值下降。
扎紧的程度适当,阻尼值达到最大值,球拍将在受打击后,以最短的时间稳定下来。
图2(上接第173页)2 结 论 1)与0Cr18N i9Ti 不锈钢相比,Fe -16Cr -2.5Mo 合金构件自由振动产生的加速度随着时间的增加衰减显著,可以在较短的时间内将振动迅速降低下来。
