金屬橡膠構件的性能分析與實驗研究

1、中國機械工程第12卷第11期2001年11月文章編號:1004-132 (2001)11-1294-04金屬橡膠構件的性能分析與實驗研究姜洪源夏宇宏敖宏瑞A.M.摘要:利用金屬橡膠的彈性性能,設計了一種以金屬橡膠作為阻尼元件的隔振器,對其進行了理論分析和靜態(tài)實驗研究。通過實驗獲得了金屬橡膠隔振器剛度、密度及振幅之間的相互關系,并利用Masing理論,建立了金屬橡膠隔振器數(shù)學模型,利用數(shù)學模型對實驗結果進行了驗證。為金屬橡膠隔振器的應用研究提供了理論依據(jù)。關鍵詞:金屬橡膠;隔振器;滯遲回線;阻尼中圖分類號:TB535.1聯(lián),用產品中。金屬橡膠原材料是金屬,但經過特殊工藝1成形后的結構件具有橡膠一

2、樣的彈性,故因此而得名。金屬橡膠元件的密度、孔隙度、金屬絲直徑、螺旋卷直徑及成形壓力等都將直接影響到金屬橡膠隔振器的剛度、振幅等性能。本文以機床地腳支撐用金屬橡膠隔振器為需求背景設計研制了不同密度的金屬橡膠構件,并通過實驗測得了不同性能金屬橡膠元件下金屬橡膠隔振器的剛度阻尼特性。在實驗的基礎上分析了金屬橡膠元件的密度對金屬橡膠隔振器的剛度、振幅等性能的影響。工作,故能起到隔振和防振的作用。為了便于分析,本實驗研究取上下2塊金屬橡膠元件的金屬絲材料、直徑、螺旋卷直徑及金屬橡膠的密度、孔隙度等完全相同。所選用的金屬絲直徑為0.15mm,螺旋卷直徑為2.0mm,2塊金屬橡膠元件工作時的作用面積相同。

3、2數(shù)學模型22.1Masing理論干摩擦非線性減振器,其載荷位移特性可用滯遲回線來描述。Masing理論對形成封閉環(huán)的穩(wěn)態(tài)滯遲回線作了很好的假設,并進行了論證。對于一個穩(wěn)態(tài)循環(huán)系統(tǒng),在最初加載時,系統(tǒng)的雙線性滯遲回線可描述為f(F,x)=0,F為與系統(tǒng)位移x相對應的恢復力。Masing理論及其擴展原則提出了2個通用的滯遲原則,以獲得非穩(wěn)態(tài)響應下的物理模型。原則一:(不完全環(huán))在反向加載點應用最初加載曲線,可得到任何一個滯遲曲線的方程。原則二:(完全環(huán))如果在內部有一條重復加載或卸載曲線穿過了前一個循環(huán)周期的滯遲回線,則它的滯遲回線將與前一周期的滯遲回線重合。2.2金屬橡膠干摩擦阻尼數(shù)學模型的建

4、立金屬橡膠隔振器屬于干摩擦阻尼非線性減振器,金屬橡膠內彈簧卷的有序分布決定彈簧卷間以嵌合、滑動形式接觸。嵌合接觸能改變材料的剛度,產生彈性力;而滑動接觸能產生內摩擦力。在該情況下,其力學模型可以簡化為圖2所示模型3。圖2金屬橡膠隔振其載荷位移特性用滯器力學模型1金屬橡膠隔振器的設計為了滿足機床減振及隔振的需求,我們自行設計了金屬橡膠隔振器,見圖1。1.聯(lián)接螺栓;2.被支撐件;3.上端蓋;4.下端蓋;5.上、下2塊金屬橡膠元件;6.中間聯(lián)接件;7.底座圖1金屬橡膠隔振器結構圖該隔振器可以承受來自于上、下2個方向的外力,既可受壓又可受拉。當其受壓時上層金屬橡膠元件工作,當其受拉時下層內部金屬橡膠元

5、件收稿日期:20010509基金項目:國家自然科學基金資助項目(50075017)1294金屬橡膠構件的性能分析與實驗研究姜洪源夏宇宏敖宏瑞等遲回線模型來描述最為合適,載荷位移曲線所包圍的面積就代表摩擦力所做的功,即耗散的能量,它可以完全表示出金屬橡膠彈性阻尼元件的非線性性能。根據(jù)建立的力學模型可知,當金屬橡膠構件所受外部載荷呈脈動循環(huán)變化時,其一個變形循環(huán)周期的滯遲回線見圖3a。為了應用Masing理論提出的穩(wěn)態(tài)雙線性滯遲回線的數(shù)學建模方法建立金屬橡膠隔振器的力學模型,首先要對滯遲回線進行坐標轉換,將其轉換為理想的雙線性滯遲回線4,見圖3b。(2R)+H(X)+L(X)H(Xb)H(X)(3

6、)(X)=RL(X)=H(X)=式中,R(X)為最初加載實驗曲線;L(X)為中線;H(X)為最大摩擦力曲線;P1(X)為加載曲線;P2(X)為卸載曲線。,4050個。針對不同的金屬橡膠彈性阻尼元件,根據(jù)靜態(tài)變形實驗獲取數(shù)據(jù),得到其具體的金屬橡膠彈性阻尼元件形變與反力的非線性關系。(a)金屬橡膠元件的滯遲回線3實驗裝置及實驗原理本實驗在自制的金屬橡膠隔振器專用實驗臺上進行,通過實驗測試金屬橡膠元件密度對金屬橡膠隔振器剛度阻尼特性的影響,尋求其內在的規(guī)律,實驗原理見圖4。(b)轉換后的理想的雙線性滯遲回線圖3滯遲回線轉換圖坐標轉換的方法如下:將橫坐標與縱坐標的值同時擴大2倍;將擴大2倍的最初加載曲

7、線的零點平移到開始卸載(或加載)點;將經過上述轉換的最初加載曲線以開始卸載點為旋轉(對卸載過程沒有這一步轉換)。點,旋轉180在圖3b中應用Masing模型求出卸載曲線BC1D的方程為(X)=2R(PH(Xb)圖4實驗原理圖位移計用來測量隔振器的軸向位移;傳感器用來測量電壓信號,經過信號轉換裝置,將電壓信號轉換為力。這樣,就可以測得金屬橡膠隔振器的力與位移的值,然后繪制實驗曲線。在該實驗臺上,對不同密度的金屬橡膠構件制成的隔振器進行振動特性實驗。金屬橡膠隔振器在未施力之前,其內部具有一定的預加載荷和預壓縮量。實驗之前,為了使內部載荷為零,通過反復加載和卸載,找到金屬橡膠內部預加載荷為零的點作為

8、原點,反復地加載和卸載并記錄實驗數(shù)據(jù)。)+Pb(=2R)+(1)=1H(Xb)(2)(X)為轉換后的最初加載實驗曲線;為階躍函式中,R數(shù),=1,=+1時為卸載過程,=-1時為重復加載過程;式(2)加載過程取-1;卸載過程取+1。4實驗結果及分析圖5為該隔振器的力變形實驗曲線。其為相對密度,1=0.38,2=0.32,3=中,01285。從實驗曲線可以看出,金屬橡膠件的密度越大,其在相同載荷作用下的變形越小,即該隔振器的剛度越大。1295然后把整個坐標轉換的過程反推回去,則可得到任意點加載(或卸載)曲線的方程式(3),即金屬橡膠彈性阻尼元件變形X與反力P的非線性關系數(shù)學模型:(X)H(X)+L(

9、X)=P(X)=P中國機械工程第12卷第11期2001年11月圖5不同密度時金屬橡膠隔振器力變形關系曲線圖7平均剛度振幅實驗曲線(X),圖6為轉換后的最初加載實驗曲線R對該曲線進行變化的目的是為了建立數(shù)學模型。利用力變形實驗曲線驗證式(3)=取X膠元件的數(shù)學模型。當120155,P2(X2):P2=值的增加,從而引而當振幅在1.5,隔振器=1H2(X2)H(X2),此時材料幾乎失去彈性,所以導致平均剛度急劇增加。3=0.285)反復圖8給出了金屬橡膠元件(X= X-X2()+PP(X)=2R2H(X)+L(X)2式中,X 為所要求實驗點的變形值。(X)由圖6查得。R圖8反復加載和卸載時的力變形

10、實驗曲線加載和卸載時的力變形實驗曲線。實驗表明,當載荷逐漸增加時,殘余變形主要取決于摩擦力,殘余變形隨力的增加而逐漸增大;當力增加到一圖6轉換后的最初加載實驗曲線計算得到部分理論點與實驗點的對照表,見表1。表1變形X (mm)0.40.5定數(shù)值時,為工作區(qū),在工作區(qū)內彈性力克服了摩擦力而不產生彈性遲滯現(xiàn)象,所施加的外力僅夠用來使沖壓后處于壓縮狀態(tài)的個別元件發(fā)生塑性變形。此區(qū)段材料的彈性性能穩(wěn)定,因為載荷足夠大,而不可恢復變形的發(fā)展緩慢。繼續(xù)提高載荷會使殘余變形急劇增加,此時材料幾乎失去自身的特性。由此可以引出重要結論1:為了使事先經過沖壓的金屬橡膠元件能可靠工作,彈性元件工作

11、載荷應遵循不等式P0.15P1力P(N)實驗值-313.25-156.2593.75315.5687.75力P(N)計算值-312.98-156.8393.82315.92687.52式中,P1為金屬橡膠元件成形壓力。該結果證明了該數(shù)學建模公式的準確性。圖7為平均剛度振幅實驗曲線,可以看出,當振幅在0.10.5mm之間變化時,平均剛度具有強烈的下降趨勢;當振幅在0.5115mm之間變化時平均剛度幾乎不變。原因如下:隔振器變形幅值較小時,金屬橡膠材料中的大部分接觸絲線相互間發(fā)生無滑動的彈性變形,這導致摩擦力功的急劇增長及剛度的顯著下降。隨著變形幅12965結論(1)金屬橡膠彈性阻尼元件的密度越大

12、,則金屬橡膠隔振器的剛度越大,系統(tǒng)的振幅越小。(2)在一定的振幅范圍內,隨著剛度的增大,振幅減小,當振幅增加到一定數(shù)值后由于金屬橡膠內部可能發(fā)生金屬絲折斷等其它原因,使振幅隨剛度的增大而增大。(3)為了使金屬橡膠元件可靠工作,它所承單自由度塑性碰撞振動系統(tǒng)的周期運動及其分叉特點羅冠煒謝建華文章編號:1004-132 (2001)11-1297-04單自由度塑性碰撞振動系統(tǒng)的周期運動及其分叉特點羅冠煒謝建華摘要:研究了一類具有剛性約束的單自由度振動系統(tǒng)的動力學行為。格表示,:;全局分叉:.1:A在機械工程中存在著大量的復雜沖擊和碰撞振動現(xiàn)象。因碰撞具有不連續(xù)性和強非線性,碰撞振動問題的研究目前仍

13、是一難題。近年來,國內外學者廣泛地開展了碰撞振動系統(tǒng)的分叉與混沌問題的研究。已有研究主要是針對彈性碰撞振動系統(tǒng),對塑性碰撞振動系統(tǒng)的動力學研究至今仍開展尚少。文獻1研究了基礎受簡諧激勵的單自由度沖擊振子,發(fā)現(xiàn)此類系統(tǒng)在塑性碰撞條件下存在馬蹄意義上的混沌集;文獻2利用振動錘沖收稿日期:19990607修回日期:20010903基金項目:國家自然科學基金資助項目(10172042);甘肅省跨世紀學術技術帶頭人專項基金資助項目(50127);鐵道部專項基金資助項目(J99Z100)羅冠煒教授擊時相位角的后繼函數(shù),建立了描述振動錘動力學的圓周映射,研究了該映射的性質和振動錘周期運動的穩(wěn)定性及全局分叉過

14、程。文獻1,2沒有揭示沖擊映射的奇異性及其對系統(tǒng)局部分叉和全局分叉的影響。筆者分析了一類單自由度塑性碰撞振動系統(tǒng)的動力學特性,建立了單自由度碰撞振動系統(tǒng)在完全塑性碰撞條件下動力學的圓周不連續(xù)自映射,給出單碰撞周期軌道存在的條件,分析了周期運動規(guī)律及映射奇異性對局部分叉和全局分叉的影響。1系統(tǒng)的運動微分方程與圓周映射圖1是一單自由度碰撞振動系統(tǒng)的力學模受的工作載荷應小于等于金屬橡膠元件成形壓力的0.15倍。(4)金屬橡膠材料在載荷作用下的變形伴隨著其線匝的彈性變形和線匝間的相對滑動。在卸去載荷后,線匝在彈性力的作用下力求返回到原來的位置,但因出現(xiàn)了殘余變形而使線匝不能回到最初的位置。根據(jù)所施加的

15、載荷數(shù)值,可能有很大的不可復原的變形。參考文獻:1,.2forDeterioratingHysteresisandCyclicPlasticity.863AppliedMthematicalModelling,1999,23:8473師漢民.機械振動系統(tǒng)分析測試建模對策.武漢:華中理工大學出版社,1999:9564.2.:.,1993:65125(編輯盧湘帆)作者簡介:姜洪源,男,1960年生。哈爾濱工業(yè)大學(哈爾濱市150001)機械設計教研室教授。研究方向為金屬橡膠技術、帶傳動.:,1994:8102Dar-YunChiang.TheGeneralizedMasingModels及陶瓷軸承

16、的產業(yè)化。發(fā)表論文30余篇。夏宇宏,女,1973年生。哈爾濱工業(yè)大學機械設計教研室講師、博士研究生。敖宏瑞,男,1973年生。哈爾濱工業(yè)大學機械設計教研室講師、博士研究生。,男,1963年生。俄羅斯薩瑪拉國立航空航天大學(薩A.M.瑪拉市443086)副博士。1297MAINTOPICS,ABSTRACTS&KEYWORDSingnetworkandprocessconditionmonitoringnetwork.Finally,theintegrationwayoftheReal-timeDatabaseandtheRelationDatabaseconcertedwithabovenet

17、worksisgivenandseveralpiecesofadvicearesummarized.Keywords:batch-processenterprisesCIPSdatabasenetworkOperationModeofManufacturingSystemFacedtoCircu-larEconomyLIJian(TianjinUniversity,Tianjin,Chi2na)GUPeiliangp128021284Abstract:Basedontheintroductiontocharacteristicsandoperationmodeofcirculareconomy

18、,mainshortagesabouttraditionalmanufacturingsystemareanalyzed.Threeprinciplesofmanufacturingsystemfacedtoeconomyarediscussed,includingand2cle.Furthermore,mlo2gyandmtoyarediscussed,onofmanufacturingsys2tembasedonthreecircularlevelsisproposed.Keywords:circulareconomymanufacturingsys2temadvancedmanufact

19、uringtechnologyoperationmodeE-BusinessSystemforManufacturingEnterprisesLiJie(HarbinInstituteofTechnology,Harbin,China)YEYuanxuWANGCongp128521287Abstract:BeingforcedbythedevelopmentofInter2net,manufacturingenterpriseshaveshiftedtheiropera2tionsfromtraditionalfactoryintegrationtoane-busi2nessenvironme

20、nt.Fromtheangleofproductlifecycle,thispaperstudiestheimpactandstrikesofe-businessonthetraditionalproceduresofproductdesign,process,delivery,andmarketselling.Furthermore,thepaperpresentsasolutionone-businessformanufacturingen2terprises.Anapplicationcaseofe-businessinHolleyGroupisalsointroducedinthisp

21、aper.Keywords:e-businessmodee-designautoma2tionproductdatamanagementcollaborativeprod2uctcommerceModulationofJointInputTorquesofMultipleCooperat-ingRobotswithWeightingCoefficientsZHAOYong2sheng(YanshanUniversity,Qinhuangdao,Hebei,China)(XianJiaotongUniversity,Xian,China)SUNSouqunLINGWeiqingQIUDamouX

22、IEYoubaip129121293Abstract:Someinnovativedesignrulesareproposedthroughanalyzingthedesignprocessofsmalldiameterdeepholecuttingtools,andtheusageofthemarealsoil2lustrated.Theserulesaresignificanttoimproveinnova2tivedesign.Keywords:innovativedesigndeepholecuttingtoolsgundrillsingle-tubeejectordrillExper

23、imentalResearchofMetalRub-berJIInstituteof,HAAOHongrui.Abstract:Metalrubberisakindofmaterialwithgoodperformanceinthefieldsofvibrationprotection,heattransmission,sealingandsoon.Itcankeepgoodperformanceunderseriousconditionssuchashightem2perature,vacuum.Inthispaper,akindofMetalRubberisolatorisdesigned

24、andexperimentalresearchoncharac2teristicsofthisisolatorisexploited.Accordingtothestaticexperimentalresults,relationsbetweenthestiff2nessvs.amplitude,densityvs.amplitudeareobtainedre2spectively.Amathematicalmodelofmetalrubberisolatorisappliedtoanalyzetheexperimentalresults.Itcanbeastheoreticalbasisof

25、theapplicationofmetalrubberisola2tor.Keywords:metalrubberisolatorhysteresisloopdampingPeriodicMotionsandBifurcationCharacteristicsofaSin-gle-Degree-of-FreedomVibratorySystemwithPer-fectlyPlasticImpactsLUOGuanwei(LanzhouRail2wayInstitute,Lanzhou,China)XIEJianhuaSUNXunfangp129721300Abstract:Asingle-de

26、gree-of-freedomvibratorysystemwithaconstraintisconsidered.Theconstraint.Intheperfectlyplasticvibro-leadsmotionstoimpactsimpactcase,dynamicsoftheimpactoscillatorisrepre2sentedbypiecewisecontinuousmapsofcircle.Thecondi2tions,inwhichthereexistperiodicsingle-impactorbits,aregiven.Regularityofperiodicorbitsofthesystemisanalyzed,andtheinfluencesofPoincarmap