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离心机用橡胶弹簧的动刚度实验研究

橡胶弹簧是离心机的重要减振弹性元件,其性能的好坏直接影响离心机的减振效果。橡胶弹簧具有结构紧凑、形状不受限制、对突然冲击和高频振动的吸收性能好等显著特点,已广泛应用于离心机上。目前,国内自主研发的橡胶弹簧日渐增多,在橡胶的材料配比,橡胶弹簧的性能方面也有所改善,但与进口弹簧相比还存在许多缺点与不足。所以国内许多设备用的橡胶减振弹簧都是从国外进口。要提高国内橡胶弹簧的各项性能,对其进行试验研究势在必行。本文针对离心机用橡胶减振弹簧,进行大量的实验并对实验数据进行分析处理,结合其实际使用条件得出橡胶弹簧的规律性结论,对橡胶弹簧的设计研发具有指导意义。
    1·动刚度的确定方法
    在离心机上用的橡胶弹簧是作为隔振弹簧使用,它对振动机体实现弹性支承使机体产生弹性振动,并减小传给结构架上的动载荷。橡胶弹簧通常在振动情况下工作,所受的力是动负荷,而不是静负荷。因此必须考虑变形速度较快的情况下力与变形的关系,即所谓动态特性。动态特性中最重要的是动刚度。动刚度是衡量机械结构抗振能力的主要指标。动刚度越大,振动量越小;动刚度越小,振动量越大。
    工程上研究动刚度一般只关心2个方面:(1)减振弹簧的最大加速度响应值;(2)减振弹簧的最大变形值。所以试验中橡胶弹簧的动刚度:
   试验中橡胶弹簧的动刚度
    式中FDYN———某一时刻弹簧的最大受力;
    SDYN———橡胶弹簧的最大变形量。
    2·试验方法描述
    实验是在西安力创材料检测技术有限公司提供的PLD-100动刚度试验机上完成的。它是靠试验机的上下2个夹头夹住被测件,通过激振试验台给被测件施加激励,使被测件振动,再通过外接记录装置来记录被测件的动刚度值、损耗角、实际振幅、阻尼系数等。通过改变不同的参数值大小,来得到多组实验数据,便于橡胶弹簧动刚度规律的总结。
    由于橡胶弹簧的力学特性非常复杂,所以在试验中必须考虑橡胶弹簧和试验台夹头的接触问题。考虑到橡胶弹簧在离心机工作时的实际情况,弹簧受剪切力的面是均匀受力的,又考虑到把橡胶和钢的接触处理成黏接是不科学的。也就是说,在实验中动刚度试验机的夹头不能直接与橡胶弹簧相接触,但是还要保证弹簧受动载荷均匀。所以在做实验前进行了如图1所示的夹具设计。
           橡胶弹簧动刚度实验夹具
    为直观,整体测试构件用三维图表示,测试构件上端与测试机联接是通过4个螺栓,测试构件下端与测试机联接用3个螺栓。在试验中,可通过拧紧螺栓来夹紧弹簧。图2为实验现场橡胶弹簧的夹具图。这个夹具的优点是避免了橡胶弹簧与试验夹头直接接触,使受力均匀,更符合工况,并且便于安装和拆卸。
            橡胶弹簧动固定图
    3·试验内容及规律性结论
    由于橡胶弹簧具有3个方向的刚度,因此设计弹簧时应该考虑这3个方向的刚度,而在离心机上弹簧只是产生剪切变形和压缩变形。所以在进行实验时要考虑垂向动刚度和横向动刚度。
    (1)垂向动刚度试验数据及分析
    实验1:位移给定为±0.2 mm不变时,在不同的频率下橡胶弹簧的动刚度、阻尼比如图3和图4所示。
           不同的频率下橡胶弹簧的动刚度、阻尼
    由图3数据可得,橡胶弹簧的垂向动刚度值随着振动频率的增大而增大。在离心机启动过程中,在频率达到5 Hz时,动刚度值就达到7 808.07 N/mm。振动频率是逐渐增大的,动刚度的增大能够吸收更多的振动能量,起到更好的减振作用。由图4数据可得,橡胶弹簧的阻尼比随着振动频率的增大而减小。
    实验2:给定频率为5 Hz不变时,在不同变形下橡胶弹簧的动刚度,如图5所示。
             不同变形下橡胶弹簧的动刚度
    由图5可得,在振动频率不变时,橡胶弹簧的垂向动刚度随着变形的增大而减小,振动到某一个数值时,动刚度不再变化。
    (2)横向动刚度试验数据及分析
    试验1:变形恒定时,不同频率时橡胶弹簧的动刚度、阻尼比如图6和图7所示。
          不同频率时橡胶弹簧的动刚度、阻尼比
    由图6可以得到,橡胶弹簧的横向动刚度随着频率的增大而增大。当系统频率为5 Hz时,弹簧的动刚度为7 376.82 N/mm,比垂向动刚度值要小。
    图7表明,阻尼比随着频率的增大而减小。在离心机启动时,振动冲击很大,这时,耗损的振动能量很大,所以这时的阻尼比很大,能起到很好的减振效果;而在启动以后,系统逐渐趋于稳定,这时耗损能量减小,所以阻尼比也在逐渐减小。
    4·结语
    (1)考虑橡胶材料的力学复杂性,结合橡胶弹簧在离心机上的实际工作情况,探索橡胶弹簧动刚度试验的联接方式,改变传统的钢与弹簧的黏接方式,为今后进行与橡胶材料相关的试验提供借鉴和参考;
    (2)进行动刚度试验,用matlab对试验数据处理得到弹簧动刚度的变化曲线,从而总结橡胶弹簧动刚度的变化规律,为今后橡胶弹簧的设计提供指导。