燕金華

（山東省東營職業(yè)學(xué)院，山東 東營257091）

振動在機(jī)械設(shè)備工作、車輛運(yùn)輸中廣泛存在，是各類設(shè)備在各種工況下常見的一種現(xiàn)象。振動在工作中是無法完全消除的，振動在工作過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，如何降低或控制其工作振動是必須考慮的因素之一，特別是高速、重載情況下，控制振動對性能影響非常關(guān)鍵。

如何降低振動不僅在機(jī)械加工制造方面具有重要的意義，在海洋平臺、地震抗震等自然現(xiàn)象和車輛運(yùn)輸中也有著重要應(yīng)用。以上振動情況復(fù)雜多變，沒有確定規(guī)律，振動情況難以預(yù)測，如零件的沖壓生產(chǎn)過程中，零件形狀的多樣化決定了每次沖壓振動的多樣性，對零件的精度、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，實(shí)現(xiàn)對振動的緩沖作用，同時通過外殼內(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)振源振動時，設(shè)定承壓板受壓，在壓力作用下，承壓板向下運(yùn)動，緩沖彈簧受壓，給承壓板反作用力Fs，減緩承壓板的運(yùn)動。

（2）柱塞向活塞體方向運(yùn)動，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。

（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，活塞銷向外側(cè)運(yùn)動，推動摩擦板向外側(cè)的運(yùn)動，并同時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)壁相對運(yùn)動的摩擦力Ff逐漸得到增大，正壓力越大，摩擦力越大。這一過程在減緩了振動的同時，關(guān)鍵是降低了振動的振幅，該結(jié)構(gòu)具有將摩擦力自動調(diào)整到適當(dāng)大小的能力。

（4）該系統(tǒng)具有儲存能量的功能，承壓板運(yùn)動到最低位置時，在彈簧、氣壓室釋放能量的作用下，將向上運(yùn)動，同時摩擦板與外殼體相對運(yùn)動的摩擦力Ff逐漸降低，降低振動的強(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)減緩振動的強(qiáng)度，并通過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化為以下彈簧模型，其簡化模型如圖2所示。

圖2 減振器蓄能簡化模型

2.1 緩沖彈簧作用

設(shè)初始振動時，氣、液兩相的壓強(qiáng)如果較小，承壓板受力向下運(yùn)動，柱塞具有較強(qiáng)的向下運(yùn)動的趨勢，承壓板迅速下降運(yùn)動，振動趨勢較強(qiáng)，此時由于壓縮彈簧的存在，阻礙了柱塞的運(yùn)動，減緩了振動強(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較大的壓力，這是使活塞銷運(yùn)動推動摩擦板與外殼體內(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)入液壓室長度過大，引起液相壓力的迅速上升，使活塞銷的向外運(yùn)動(或回程時的向內(nèi)運(yùn)動)有恰當(dāng)?shù)倪\(yùn)行時間，克服摩擦板與外殼體內(nèi)壁的持續(xù)過大摩擦，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時氣體體積Vg；氣體等效壓縮長度為△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)研究這兩個狀態(tài)的關(guān)系，即狀態(tài)S時的受力狀況：

當(dāng)氣體被壓縮等效位移為△x時，氣體彈簧系數(shù)kg：

由于初始狀態(tài)氣體體積νg、壓力pg在該工作過程在氣體變化較為迅速，此過程變化可以認(rèn)為一個絕熱過程，由于則任意時刻時，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)、等效截面和該時刻的氣體體積有關(guān)。

對于狀態(tài)S時，則有：

綜合考慮柱塞的直徑、位移量△x1，活塞銷的直徑與個數(shù)，可以推出S狀態(tài)下，摩擦板對外殼體的正壓力，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)尺寸以滿足實(shí)際工作能力需要，同時兼顧壽命要求，對參數(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)，以使減振器滿足對工作環(huán)境的要求。

3.1 活塞桿長度或直徑對減振器的影響

設(shè)計(jì)氣壓室初始壓力P0=10 MPa，初始體積V0=0.2 m3，柱塞R=0.02 m時，分別對作用桿截面半徑R、作用桿長度l進(jìn)行了對減振器性能參數(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

衡量一個減振器性能好壞的標(biāo)準(zhǔn)是看該減振器的滯回曲線(力－位移曲線)。振動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，如圖5所示。

圖5 自反饋摩擦阻尼器滯回曲線

4 結(jié)束語

試驗(yàn)表明：該復(fù)合減振器是以兩相對運(yùn)動的固體間摩擦耗能為主，結(jié)合彈簧、氣液兩相減振，來實(shí)現(xiàn)減振功能的機(jī)械裝置，具有較為飽滿的滯回曲線，具有半主動控制效果，在不同工作條件下，隨著振動的增強(qiáng)，復(fù)合式減振器能根據(jù)系統(tǒng)的振動情況提供相應(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，建議采用成對相反方向安裝的減振器，會實(shí)現(xiàn)良好的耗能減振效果。同時，復(fù)合減振器的摩擦板采用剎車片摩擦材料，取材方便、價(jià)格低廉，應(yīng)用廣，壽命長，減振器的維護(hù)保養(yǎng)成本低，具有較好的應(yīng)用前景。

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