離心機用橡膠彈簧的動剛度實驗研究

宋亮1，滕海燕2

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

摘要：通過介紹離心機用橡膠彈簧的工作特點，以及橡膠彈簧本身材料特性，設計橡膠彈簧的動剛度試驗，得出其動剛度在不同條件下的變化情況，為今后離心機用橡膠彈簧的設計研發提供參考。
    關鍵詞：離心機；橡膠彈簧；動剛度實驗
    中圖分類號：TD455文獻標志碼：A文章編號：1003－0794（2012）05－0051－02
    0·引言
    橡膠彈簧是離心機的重要減振彈性元件，其性能的好壞直接影響離心機的減振效果。橡膠彈簧具有結構緊湊、形狀不受限制、對突然沖擊和高頻振動的吸收性能好等顯著特點，已廣泛應用于離心機上。目前，國內自主研發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，但與進口彈簧相比還存在許多缺點與不足。所以國內許多設備用的橡膠減振彈簧都是從國外進口。要提高國內橡膠彈簧的各項性能，對其進行試驗研究勢在必行。本文針對離心機用橡膠減振彈簧，進行大量的實驗并對實驗數據進行分析處理，結合其實際使用條件得出橡膠彈簧的規律性結論，對橡膠彈簧的設計研發具有指導意義。
    1·動剛度的確定方法
    在離心機上用的橡膠彈簧是作為隔振彈簧使用，它對振動機體實現彈性支承使機體產生彈性振動，并減小傳給結構架上的動載荷。橡膠彈簧通常在振動情況下工作，所受的力是動負荷，而不是靜負荷。因此必須考慮變形速度較快的情況下力與變形的關系，即所謂動態特性。動態特性中最重要的是動剛度。動剛度是衡量機械結構抗振能力的主要指標。動剛度越大，振動量越小；動剛度越小，振動量越大。
    工程上研究動剛度一般只關心2個方面：（1）減振彈簧的最大加速度響應值；（2）減振彈簧的最大變形值。所以試驗中橡膠彈簧的動剛度：

    
    式中FDYN———某一時刻彈簧的最大受力；
    SDYN———橡膠彈簧的最大變形量。
    2·試驗方法描述
    實驗是在西安力創材料檢測技術有限公司提供的PLD-100動剛度試驗機上完成的。它是靠試驗機的上下2個夾頭夾住被測件，通過激振試驗臺給被測件施加激勵，使被測件振動，再通過外接記錄裝置來記錄被測件的動剛度值、損耗角、實際振幅、阻尼系數等。通過改變不同的參數值大小，來得到多組實驗數據，便于橡膠彈簧動剛度規律的總結。
    由于橡膠彈簧的力學特性非常復雜，所以在試驗中必須考慮橡膠彈簧和試驗臺夾頭的接觸問題。考慮到橡膠彈簧在離心機工作時的實際情況，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的。也就是說，在實驗中動剛度試驗機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載荷均勻。所以在做實驗前進行了如圖1所示的夾具設計。

            
    為直觀，整體測試構件用三維圖表示，測試構件上端與測試機聯接是通過4個螺栓，測試構件下端與測試機聯接用3個螺栓。在試驗中，可通過擰緊螺栓來夾緊彈簧。圖2為實驗現場橡膠彈簧的夾具圖。這個夾具的優點是避免了橡膠彈簧與試驗夾頭直接接觸，使受力均勻，更符合工況，并且便于安裝和拆卸。

             
    3·試驗內容及規律性結論
    由于橡膠彈簧具有3個方向的剛度，因此設計彈簧時應該考慮這3個方向的剛度，而在離心機上彈簧只是產生剪切變形和壓縮變形。所以在進行實驗時要考慮垂向動剛度和橫向動剛度。
    （1）垂向動剛度試驗數據及分析
    實驗1：位移給定為±0.2 mm不變時，在不同的頻率下橡膠彈簧的動剛度、阻尼比如圖3和圖4所示。

            
    由圖3數據可得，橡膠彈簧的垂向動剛度值隨著振動頻率的增大而增大。在離心機啟動過程中，在頻率達到5 Hz時，動剛度值就達到7 808.07 N/mm。振動頻率是逐漸增大的，動剛度的增大能夠吸收更多的振動能量，起到更好的減振作用。由圖4數據可得，橡膠彈簧的阻尼比隨著振動頻率的增大而減小。
    實驗2：給定頻率為5 Hz不變時，在不同變形下橡膠彈簧的動剛度，如圖5所示。
 

由圖5可得，在振動頻率不變時，橡膠彈簧的垂向動剛度隨著變形的增大而減小，振動到某一個數值時，動剛度不再變化。
    （2）橫向動剛度試驗數據及分析
    試驗1：變形恒定時，不同頻率時橡膠彈簧的動剛度、阻尼比如圖6和圖7所示。

           
    由圖6可以得到，橡膠彈簧的橫向動剛度隨著頻率的增大而增大。當系統頻率為5 Hz時，彈簧的動剛度為7 376.82 N/mm，比垂向動剛度值要小。
    圖7表明，阻尼比隨著頻率的增大而減小。在離心機啟動時，振動沖擊很大，這時，耗損的振動能量很大，所以這時的阻尼比很大，能起到很好的減振效果；而在啟動以后，系統逐漸趨于穩定，這時耗損能量減小，所以阻尼比也在逐漸減小。
    4·結語
    （1）考慮橡膠材料的力學復雜性，結合橡膠彈簧在離心機上的實際工作情況，探索橡膠彈簧動剛度試驗的聯接方式，改變傳統的鋼與彈簧的黏接方式，為今后進行與橡膠材料相關的試驗提供借鑒和參考；
    （2）進行動剛度試驗，用matlab對試驗數據處理得到彈簧動剛度的變化曲線，從而總結橡膠彈簧動剛度的變化規律，為今后橡膠彈簧的設計提供指導。
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作者簡介：宋亮（1982-），河北承德人，大學本科，2007年畢業于河北工程大學，現就職于煤炭科學研究總院唐山研究院，主要從事選煤設備的開發與研究工作，
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