離心機(jī)用橡膠彈簧的動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)研究

 離心機(jī)用橡膠彈簧的動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)研究

宋亮1，滕海燕2

（1.煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，河北唐山063012；2.北京建筑機(jī)械化研究院，北京100007）

摘要：通過介紹離心機(jī)用橡膠彈簧的工作特點(diǎn)，以及橡膠彈簧本身材料特性，設(shè)計(jì)橡膠彈簧的動(dòng)剛度試驗(yàn)，得出其動(dòng)剛度在不同條件下的變化情況，為今后離心機(jī)用橡膠彈簧的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。
    關(guān)鍵詞：離心機(jī)；橡膠彈簧；動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)
    中圖分類號(hào)：TD455文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1003－0794（2012）05－0051－02
    0·引言
    橡膠彈簧是離心機(jī)的重要減振彈性元件，其性能的好壞直接影響離心機(jī)的減振效果。橡膠彈簧具有結(jié)構(gòu)緊湊、形狀不受限制、對(duì)突然沖擊和高頻振動(dòng)的吸收性能好等顯著特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于離心機(jī)上。目前，國內(nèi)自主研發(fā)的橡膠彈簧日漸增多，在橡膠的材料配比，橡膠彈簧的性能方面也有所改善，但與進(jìn)口彈簧相比還存在許多缺點(diǎn)與不足。所以國內(nèi)許多設(shè)備用的橡膠減振彈簧都是從國外進(jìn)口。要提高國內(nèi)橡膠彈簧的各項(xiàng)性能，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究勢在必行。本文針對(duì)離心機(jī)用橡膠減振彈簧，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合其實(shí)際使用條件得出橡膠彈簧的規(guī)律性結(jié)論，對(duì)橡膠彈簧的設(shè)計(jì)研發(fā)具有指導(dǎo)意義。
    1·動(dòng)剛度的確定方法
    在離心機(jī)上用的橡膠彈簧是作為隔振彈簧使用，它對(duì)振動(dòng)機(jī)體實(shí)現(xiàn)彈性支承使機(jī)體產(chǎn)生彈性振動(dòng)，并減小傳給結(jié)構(gòu)架上的動(dòng)載荷。橡膠彈簧通常在振動(dòng)情況下工作，所受的力是動(dòng)負(fù)荷，而不是靜負(fù)荷。因此必須考慮變形速度較快的情況下力與變形的關(guān)系，即所謂動(dòng)態(tài)特性。動(dòng)態(tài)特性中最重要的是動(dòng)剛度。動(dòng)剛度是衡量機(jī)械結(jié)構(gòu)抗振能力的主要指標(biāo)。動(dòng)剛度越大，振動(dòng)量越??；動(dòng)剛度越小，振動(dòng)量越大。
    工程上研究動(dòng)剛度一般只關(guān)心2個(gè)方面：（1）減振彈簧的最大加速度響應(yīng)值；（2）減振彈簧的最大變形值。所以試驗(yàn)中橡膠彈簧的動(dòng)剛度：

    
    式中FDYN———某一時(shí)刻彈簧的最大受力；
    SDYN———橡膠彈簧的最大變形量。
    2·試驗(yàn)方法描述
    實(shí)驗(yàn)是在西安力創(chuàng)材料檢測技術(shù)有限公司提供的PLD-100動(dòng)剛度試驗(yàn)機(jī)上完成的。它是靠試驗(yàn)機(jī)的上下2個(gè)夾頭夾住被測件，通過激振試驗(yàn)臺(tái)給被測件施加激勵(lì)，使被測件振動(dòng)，再通過外接記錄裝置來記錄被測件的動(dòng)剛度值、損耗角、實(shí)際振幅、阻尼系數(shù)等。通過改變不同的參數(shù)值大小，來得到多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于橡膠彈簧動(dòng)剛度規(guī)律的總結(jié)。
    由于橡膠彈簧的力學(xué)特性非常復(fù)雜，所以在試驗(yàn)中必須考慮橡膠彈簧和試驗(yàn)臺(tái)夾頭的接觸問題?？紤]到橡膠彈簧在離心機(jī)工作時(shí)的實(shí)際情況，彈簧受剪切力的面是均勻受力的，又考慮到把橡膠和鋼的接觸處理成黏接是不科學(xué)的。也就是說，在實(shí)驗(yàn)中動(dòng)剛度試驗(yàn)機(jī)的夾頭不能直接與橡膠彈簧相接觸，但是還要保證彈簧受動(dòng)載荷均勻。所以在做實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了如圖1所示的夾具設(shè)計(jì)。

            
    為直觀，整體測試構(gòu)件用三維圖表示，測試構(gòu)件上端與測試機(jī)聯(lián)接是通過4個(gè)螺栓，測試構(gòu)件下端與測試機(jī)聯(lián)接用3個(gè)螺栓。在試驗(yàn)中，可通過擰緊螺栓來夾緊彈簧。圖2為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場橡膠彈簧的夾具圖。這個(gè)夾具的優(yōu)點(diǎn)是避免了橡膠彈簧與試驗(yàn)夾頭直接接觸，使受力均勻，更符合工況，并且便于安裝和拆卸。

             
    3·試驗(yàn)內(nèi)容及規(guī)律性結(jié)論
    由于橡膠彈簧具有3個(gè)方向的剛度，因此設(shè)計(jì)彈簧時(shí)應(yīng)該考慮這3個(gè)方向的剛度，而在離心機(jī)上彈簧只是產(chǎn)生剪切變形和壓縮變形。所以在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)要考慮垂向動(dòng)剛度和橫向動(dòng)剛度。
    （1）垂向動(dòng)剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
    實(shí)驗(yàn)1：位移給定為±0.2 mm不變時(shí)，在不同的頻率下橡膠彈簧的動(dòng)剛度、阻尼比如圖3和圖4所示。

            
    由圖3數(shù)據(jù)可得，橡膠彈簧的垂向動(dòng)剛度值隨著振動(dòng)頻率的增大而增大。在離心機(jī)啟動(dòng)過程中，在頻率達(dá)到5 Hz時(shí)，動(dòng)剛度值就達(dá)到7 808.07 N/mm。振動(dòng)頻率是逐漸增大的，動(dòng)剛度的增大能夠吸收更多的振動(dòng)能量，起到更好的減振作用。由圖4數(shù)據(jù)可得，橡膠彈簧的阻尼比隨著振動(dòng)頻率的增大而減小。
    實(shí)驗(yàn)2：給定頻率為5 Hz不變時(shí)，在不同變形下橡膠彈簧的動(dòng)剛度，如圖5所示。
 

由圖5可得，在振動(dòng)頻率不變時(shí)，橡膠彈簧的垂向動(dòng)剛度隨著變形的增大而減小，振動(dòng)到某一個(gè)數(shù)值時(shí)，動(dòng)剛度不再變化。
    （2）橫向動(dòng)剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析
    試驗(yàn)1：變形恒定時(shí)，不同頻率時(shí)橡膠彈簧的動(dòng)剛度、阻尼比如圖6和圖7所示。

           
    由圖6可以得到，橡膠彈簧的橫向動(dòng)剛度隨著頻率的增大而增大。當(dāng)系統(tǒng)頻率為5 Hz時(shí)，彈簧的動(dòng)剛度為7 376.82 N/mm，比垂向動(dòng)剛度值要小。
    圖7表明，阻尼比隨著頻率的增大而減小。在離心機(jī)啟動(dòng)時(shí)，振動(dòng)沖擊很大，這時(shí)，耗損的振動(dòng)能量很大，所以這時(shí)的阻尼比很大，能起到很好的減振效果；而在啟動(dòng)以后，系統(tǒng)逐漸趨于穩(wěn)定，這時(shí)耗損能量減小，所以阻尼比也在逐漸減小。
    4·結(jié)語
    （1）考慮橡膠材料的力學(xué)復(fù)雜性，結(jié)合橡膠彈簧在離心機(jī)上的實(shí)際工作情況，探索橡膠彈簧動(dòng)剛度試驗(yàn)的聯(lián)接方式，改變傳統(tǒng)的鋼與彈簧的黏接方式，為今后進(jìn)行與橡膠材料相關(guān)的試驗(yàn)提供借鑒和參考；
    （2）進(jìn)行動(dòng)剛度試驗(yàn)，用matlab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到彈簧動(dòng)剛度的變化曲線，從而總結(jié)橡膠彈簧動(dòng)剛度的變化規(guī)律，為今后橡膠彈簧的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。
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作者簡介：宋亮（1982-），河北承德人，大學(xué)本科，2007年畢業(yè)于河北工程大學(xué)，現(xiàn)就職于煤炭科學(xué)研究總院唐山研究院，主要從事選煤設(shè)備的開發(fā)與研究工作，
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