一種自反饋復(fù)合減振器的設(shè)計(jì)及分析

燕金華

（山東省東營(yíng)職業(yè)學(xué)院，山東 東營(yíng)257091）

振動(dòng)在機(jī)械設(shè)備工作、車(chē)輛運(yùn)輸中廣泛存在，是各類(lèi)設(shè)備在各種工況下常見(jiàn)的一種現(xiàn)象。振動(dòng)在工作中是無(wú)法完全消除的，振動(dòng)在工作過(guò)程中往往具有一定的危害性，惡化工作環(huán)境，增加零件的磨損，破壞儀器、儀表的正常工作，降低設(shè)備的密封性、工作的可靠性，減少設(shè)備的壽命等，同時(shí)能引發(fā)噪聲，惡化工作人員的工作環(huán)境。在一定程度上振動(dòng)已成為影響設(shè)備的工作性能、可靠性、壽命的重要因素，因此在設(shè)計(jì)和使用設(shè)備時(shí)，如何降低或控制其工作振動(dòng)是必須考慮的因素之一，特別是高速、重載情況下，控制振動(dòng)對(duì)性能影響非常關(guān)鍵。

如何降低振動(dòng)不僅在機(jī)械加工制造方面具有重要的意義，在海洋平臺(tái)、地震抗震等自然現(xiàn)象和車(chē)輛運(yùn)輸中也有著重要應(yīng)用。以上振動(dòng)情況復(fù)雜多變，沒(méi)有確定規(guī)律，振動(dòng)情況難以預(yù)測(cè)，如零件的沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，零件形狀的多樣化決定了每次沖壓振動(dòng)的多樣性，對(duì)零件的精度、加工設(shè)備等有不同程度的影響。

復(fù)合減振器是將常用的彈簧、氣相、液相減振方法有機(jī)結(jié)合，起到復(fù)合吸收振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的緩沖作用，同時(shí)通過(guò)外殼內(nèi)壁和摩擦板的摩擦作用，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，減少振幅，達(dá)到實(shí)現(xiàn)減少振動(dòng)的目的。

1 構(gòu)造及工作原理

復(fù)合式自反饋摩擦減振器減振主體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，減振器的工作原理為：

圖1 自反饋摩擦阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖

（1）當(dāng)振源振動(dòng)時(shí)，設(shè)定承壓板受壓，在壓力作用下，承壓板向下運(yùn)動(dòng)，緩沖彈簧受壓，給承壓板反作用力Fs，減緩承壓板的運(yùn)動(dòng)。

（2）柱塞向活塞體方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致活塞體內(nèi)部壓力增加，作用于氣壓室，氣壓室內(nèi)的氣體蓄能增壓，進(jìn)一步減緩承壓板的運(yùn)動(dòng)。

（3）活塞體內(nèi)的液態(tài)物質(zhì)壓力增加，將壓力傳遞給活塞銷(xiāo)，活塞銷(xiāo)向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)摩擦板向外側(cè)的運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)增大摩擦板與外殼體之間的的正壓力，摩擦板與外殼體內(nèi)壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力Ff逐漸得到增大，正壓力越大，摩擦力越大。這一過(guò)程在減緩了振動(dòng)的同時(shí)，關(guān)鍵是降低了振動(dòng)的振幅，該結(jié)構(gòu)具有將摩擦力自動(dòng)調(diào)整到適當(dāng)大小的能力。

（4）該系統(tǒng)具有儲(chǔ)存能量的功能，承壓板運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)，在彈簧、氣壓室釋放能量的作用下，將向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)摩擦板與外殼體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力Ff逐漸降低，降低振動(dòng)的強(qiáng)度。

2 性能理論分析

該減振器是利用彈簧、氣相、液相物質(zhì)減緩振動(dòng)的強(qiáng)度，并通過(guò)改變摩擦板所受的正壓力，改變摩擦板與外殼體內(nèi)壁間的摩擦力的大小，最終達(dá)到耗散振動(dòng)能量的目的，實(shí)現(xiàn)減振。

氣體粘滯阻尼微小，忽略其粘滯阻尼性能，該減振器的蓄能可簡(jiǎn)化為以下彈簧模型，其簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 減振器蓄能簡(jiǎn)化模型

2.1 緩沖彈簧作用

設(shè)初始振動(dòng)時(shí)，氣、液兩相的壓強(qiáng)如果較小，承壓板受力向下運(yùn)動(dòng)，柱塞具有較強(qiáng)的向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，承壓板迅速下降運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)趨勢(shì)較強(qiáng)，此時(shí)由于壓縮彈簧的存在，阻礙了柱塞的運(yùn)動(dòng)，減緩了振動(dòng)強(qiáng)度，起到初步的緩沖作用。

2.2 液壓室的作用

彈簧作用力Fs=ks·△x，液體的增壓不像彈簧一樣與位移(或體積)成正比，微小的體積變化能帶來(lái)較大的壓力，這是使活塞銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)摩擦板與外殼體內(nèi)壁產(chǎn)生阻尼力的主要原因。

2.3 氣壓室的作用

為避免柱塞桿進(jìn)入液壓室長(zhǎng)度過(guò)大，引起液相壓力的迅速上升，使活塞銷(xiāo)的向外運(yùn)動(dòng)(或回程時(shí)的向內(nèi)運(yùn)動(dòng))有恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行時(shí)間，克服摩擦板與外殼體內(nèi)壁的持續(xù)過(guò)大摩擦，導(dǎo)致“死剎”，起不到減振作用，在液壓室下部引入了體積收縮能力較強(qiáng)的氣壓室。

2.4 復(fù)合減振器的總體性能分析

在圖2中，Pg為蓄能器膠囊中的氣體壓力；PL為蓄能器油液室中的油液壓力，某工作狀態(tài)S時(shí)氣體體積Vg；氣體等效壓縮長(zhǎng)度為△x；設(shè)彈簧的位移為△x1；液壓室和氣壓室的等效截面面積為A1，則有：

在該狀態(tài)下，氣體彈性剛度為kg，重點(diǎn)研究這兩個(gè)狀態(tài)的關(guān)系，即狀態(tài)S時(shí)的受力狀況：

當(dāng)氣體被壓縮等效位移為△x時(shí)，氣體彈簧系數(shù)kg：

由于初始狀態(tài)氣體體積νg、壓力pg在該工作過(guò)程在氣體變化較為迅速，此過(guò)程變化可以認(rèn)為一個(gè)絕熱過(guò)程，由于則任意時(shí)刻時(shí)，氣體p、V有如下關(guān)系：

上式表明，氣體彈簧系數(shù)kg與初始狀態(tài)、等效截面和該時(shí)刻的氣體體積有關(guān)。

對(duì)于狀態(tài)S時(shí)，則有：

綜合考慮柱塞的直徑、位移量△x1，活塞銷(xiāo)的直徑與個(gè)數(shù)，可以推出S狀態(tài)下，摩擦板對(duì)外殼體的正壓力，得出兩者之間Ff的數(shù)值。

3 模型參數(shù)分析研究

該復(fù)合減振器性能決定于參數(shù)的選擇，選取合理的參數(shù)尺寸以滿(mǎn)足實(shí)際工作能力需要，同時(shí)兼顧壽命要求，對(duì)參數(shù)影響的分析具有重要意義，可以根據(jù)工作情況調(diào)整需要的參數(shù)，以使減振器滿(mǎn)足對(duì)工作環(huán)境的要求。

3.1 活塞桿長(zhǎng)度或直徑對(duì)減振器的影響

設(shè)計(jì)氣壓室初始?jí)毫0=10 MPa，初始體積V0=0.2 m3，柱塞R=0.02 m時(shí)，分別對(duì)作用桿截面半徑R、作用桿長(zhǎng)度l進(jìn)行了對(duì)減振器性能參數(shù)的影響研究，摩擦阻尼力影響關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖3 作用桿有效長(zhǎng)度(mm)與壓力變化關(guān)系

圖4 作用桿半徑(mm)與壓力變化關(guān)系

由上圖可知，在該試驗(yàn)條件下，油腔內(nèi)油液壓力可使摩擦板與外殼內(nèi)壁產(chǎn)生135 kN的阻尼摩擦力，對(duì)于減振器的減振具有實(shí)用價(jià)值。并且可根據(jù)具體的使用或運(yùn)用范圍有目的改變活塞桿的長(zhǎng)度以及半徑，可實(shí)現(xiàn)改變減振器的減振能力。

3.2 減振器的滯回曲線(xiàn)

衡量一個(gè)減振器性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)是看該減振器的滯回曲線(xiàn)(力－位移曲線(xiàn))。振動(dòng)研究中采用了最常用的不連續(xù)函數(shù)Coulomb摩擦模型，得出該阻尼器的力-位移曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖5 自反饋摩擦阻尼器滯回曲線(xiàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)表明：該復(fù)合減振器是以?xún)上鄬?duì)運(yùn)動(dòng)的固體間摩擦耗能為主，結(jié)合彈簧、氣液兩相減振，來(lái)實(shí)現(xiàn)減振功能的機(jī)械裝置，具有較為飽滿(mǎn)的滯回曲線(xiàn)，具有半主動(dòng)控制效果，在不同工作條件下，隨著振動(dòng)的增強(qiáng)，復(fù)合式減振器能根據(jù)系統(tǒng)的振動(dòng)情況提供相應(yīng)的阻尼力進(jìn)行反饋調(diào)整，能獲得良好的減振效果。但是，耗能能力單一也制約著在減振中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)減振的更平穩(wěn)性，建議采用成對(duì)相反方向安裝的減振器，會(huì)實(shí)現(xiàn)良好的耗能減振效果。同時(shí)，復(fù)合減振器的摩擦板采用剎車(chē)片摩擦材料，取材方便、價(jià)格低廉，應(yīng)用廣，壽命長(zhǎng)，減振器的維護(hù)保養(yǎng)成本低，具有較好的應(yīng)用前景。

[1]王慶宇，袁尚平.雙作用筒式減振器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中主參數(shù)的選擇分析[J].上海汽車(chē)，2006(11):22-26.

[2]陳 波.芻議機(jī)械加工設(shè)備中的減振器設(shè)計(jì)方法與研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(18)：55-56.

[3]賈永樞，周孔亢，徐 興.基于流動(dòng)模式的汽車(chē)雙筒式磁流變減振器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(10):103-108.

[4]劉勺華，李 彥，房 亞，等.可調(diào)阻尼式汽車(chē)減振器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(05):220-222.