起重機(jī)彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件緩沖性能研究

王開亞，羅 京，孟 春

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

緩沖器是起重機(jī)上常用的一種安全裝置。它的作用是用來(lái)吸收起重機(jī)大車或小車運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)與軌端擋板相撞時(shí)，或兩臺(tái)起重機(jī)碰撞時(shí)的能量，達(dá)到減緩沖擊、安全停車的目的。緩沖元件是緩沖器的核心，其性能直接影響緩沖效果?；揪彌_元件有彈簧、橡膠、液壓和聚酯類[1-2]，近年來(lái)出現(xiàn)了多種形式的2種緩沖材料組成的復(fù)合式緩沖器。目前，彈簧-橡膠組成的復(fù)合緩沖元件有2種組合形式[3]，一種是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即首先壓縮彈簧然后再壓縮橡膠以改善緩沖性能；另一種是并聯(lián)結(jié)構(gòu)，即利用彈簧再壓縮過(guò)程中與橡膠間的摩擦力增加緩沖容量。

本文設(shè)計(jì)了一種彈簧-橡膠新型的組合形式，并對(duì)該種復(fù)合緩沖元件進(jìn)行了緩沖性能的實(shí)驗(yàn)研究。

1 材料與方法

1.1 緩沖元件

緩沖元件為彈簧與橡膠的復(fù)合，復(fù)合方式為橡膠以膠粘的方式包裹于彈簧鋼絲外面，形成彈簧與橡膠的串-并聯(lián)復(fù)合緩沖元件。

為研究彈簧-橡膠復(fù)合緩從元件的緩沖性能，選取了不同種類、不同硬度和不同厚度的橡膠與彈簧組成復(fù)合元件，形成7個(gè)復(fù)合緩沖元件。此外，為研究緩沖性能，對(duì)彈簧緩沖元件進(jìn)行了單獨(dú)實(shí)驗(yàn)。這樣，總計(jì)形成8個(gè)實(shí)驗(yàn)緩沖元件。

彈簧材料為碳素彈簧鋼，鋼絲直徑8 mm，彈簧中經(jīng)60 mm，單圈剛度30.48N/mm，節(jié)距18.3 mm。橡膠選用了3種不同類型、4個(gè)不同硬度值、2個(gè)不同厚度，其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 橡膠材料的相關(guān)參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用珠海三思計(jì)量?jī)x器有限公司生產(chǎn)的高性能智能電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件進(jìn)行落錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)。緩沖元件的緩沖力由力傳感器可以測(cè)出，位移由位移傳感器測(cè)出。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Matlab圖像擬合及公式擬合方法對(duì)每次測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出緩沖元件的緩沖容量F-S曲線，并擬合出曲線方程，通過(guò)積分的方法求出緩沖元件的緩沖容量。計(jì)算緩沖元件性能評(píng)價(jià)指標(biāo)緩沖效率和衰減系數(shù)[4]。

緩沖容量的計(jì)算：緩沖容量=壓縮曲線與X軸所圍面積-回復(fù)曲線與X軸所圍面積(N·m)。

緩沖效率的計(jì)算：緩沖效率=100×壓縮曲線與X軸所圍面積/最大緩沖力與緩沖行程構(gòu)成的長(zhǎng)方形面積(%)。

衰減系數(shù)的計(jì)算：衰減系數(shù)=100×緩沖容量/壓縮曲線與X軸所圍面積(%)。

2 結(jié)果與分析

2.1 緩沖曲線與緩沖容量

緩沖曲線主要由壓縮曲線與回復(fù)曲線組成，壓縮曲線與回復(fù)曲線的面積即為該緩沖元件的緩沖容量。緩沖元件A～H的緩沖曲線如圖1～圖8所示。

緩沖元件從A～H，最大緩沖力分別為10.54、14.48、19.23、16.08、10.07、9.66、9.77、1.57KN?？梢?jiàn)，彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件的最大緩沖力遠(yuǎn)大于彈簧緩沖元件的緩沖力，其值是其的10倍左右。

圖1 緩沖元件A的緩沖曲線

圖2 緩沖元件B的緩沖曲線

圖3 緩沖元件C的緩沖曲線

圖4 緩沖元件D的緩沖曲線

圖5 緩沖元件E的緩沖曲線圖

圖6 緩沖元件F的緩沖曲線

圖7 緩沖元件G的緩沖曲線圖

圖8 緩沖元件H的緩沖曲線圖

單純的彈簧緩沖元件在壓縮與恢復(fù)階段其應(yīng)力-應(yīng)變遵守胡克定律，因此，其緩沖曲線基本上是接近重合的兩條直線(如圖8所示)。彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件的壓縮和回復(fù)過(guò)程均表現(xiàn)出兩階段特性(如圖1～圖7所示)。壓縮階段，隨著壓縮行程的增加，緩沖力遵循胡克定律線形增加；當(dāng)橡膠開始被壓縮后，彈簧-橡膠共同作用，使得緩沖力基本呈二次函數(shù)曲線形態(tài)快速增加，這與橡膠材料單獨(dú)作為緩沖元件的實(shí)驗(yàn)分析特點(diǎn)相似[5-6]，但由于有彈簧的復(fù)合作用，使曲線變得更陡?；貜?fù)階段，由于橡膠材料應(yīng)變回復(fù)的滯后性特點(diǎn)[7]，使得回復(fù)階段初期表現(xiàn)出了較小的應(yīng)變及產(chǎn)生較大的回復(fù)力變化，即回復(fù)力快速下降；當(dāng)橡膠完全恢復(fù)應(yīng)變后，彈簧則再次以胡克定律的原則線形回復(fù)，此階段的回復(fù)曲線與壓縮曲線基本重合[8]。

由于橡膠材料應(yīng)變回復(fù)的滯后性和應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)摩擦，吸收了緩沖能量，因此彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件表現(xiàn)出了較好的緩沖性能，即壓縮曲線與回復(fù)曲線包圍了一定的面積，具有一定的緩沖容量。而緩沖容量的大小則與橡膠的種類與規(guī)格有關(guān)。

由表2可以看出，硬度大則緩沖容量大；相同硬度時(shí)，厚度越大，緩沖容量越大。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是，橡膠硬度越大，其彈性模量越大，壓縮單位厚度的橡膠所需的壓縮力就越大；在恢復(fù)過(guò)程中，其回復(fù)滯后性也與硬度正相關(guān)。橡膠厚度在壓縮與回復(fù)過(guò)程中有助于增加壓縮力與恢復(fù)滯后性。

表2 彈簧-橡膠復(fù)合式緩沖元件的緩沖容量

2.2 緩沖性能評(píng)價(jià)

彈簧緩沖元件的緩沖效率為43.3%(表3)；彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件的緩沖效率介于11.3%～16.5%(表3)，最大值發(fā)生在E緩沖元件。彈簧緩沖元件緩沖效率大于彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件緩沖效率2.6～3.8倍。

表3 緩沖元件緩沖效率與衰減系數(shù)

彈簧緩沖元件的衰減系數(shù)為2.4%(表3)；彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件的衰減系數(shù)介于32.3%～65.85%(表3)，最大值發(fā)生在C緩沖元件。彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件衰減系數(shù)大于彈簧緩沖元件衰減系數(shù)13.5～27.5倍。橡膠緩沖器的衰減系數(shù)一般為30%～50%[3]，本試驗(yàn)中，A、E、F和G 緩沖元件的緩沖系數(shù)介于此區(qū)間，B、C和D緩沖元件的衰減系數(shù)則此區(qū)間，表明，從衰減系數(shù)上看，彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件的緩沖性能優(yōu)于橡膠緩沖元件。

3 結(jié) 論

本文提出了一種用于起重機(jī)的新型緩沖元件：彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件。通過(guò)對(duì)不同緩沖元件的性能試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

(1)彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件集成了彈簧與橡膠用于緩沖材料的優(yōu)點(diǎn)，較彈簧緩沖元件大幅度提高了最大緩沖力和緩沖容量。

(2)雖然彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件的緩沖效率低于彈簧緩沖元件的緩沖效率，但其衰減系數(shù)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于彈簧緩沖元件；彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件的衰減系數(shù)略高于橡膠緩沖元件的衰減系數(shù)；綜合考慮最大緩沖力及緩沖容量，彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件的緩沖性能優(yōu)于彈簧緩沖元件。

(3)橡膠種類和厚度是影響彈簧-橡膠復(fù)合緩沖元件緩沖性能的兩個(gè)主要因素。彈簧-天然橡膠的緩沖效率略小于彈簧-硅橡膠，但彈簧-天然橡膠的衰減系數(shù)卻大于彈簧-硅橡膠；同種橡膠組成的彈簧-橡膠復(fù)合緩緩沖元件緩沖效率與橡膠硬度的相關(guān)性不大，而緩沖容量和衰減系數(shù)卻與橡膠硬度正相關(guān)；當(dāng)硬度相同時(shí)，緩沖容量、緩沖效率、衰減系數(shù)與橡膠厚度正相關(guān)。

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