橡胶隔振器（共3篇）
橡胶隔振器 篇1
0 引言
某进口航空发动机通过4组橡胶隔振器, 与发动机安装架形成斜置式支撑系统, 其功用是利用橡胶隔振器的柔性特点来降低发动机产生的力偶, 如图1。斜置式发动机安装架的特点是:支架中心线都指向发动机重心, 使得支架的反作用力也指向发动机重心, 这样就不会产生角加速度及振动。
不同橡胶隔振器的隔振效果不同, 所以发动机振动的幅度就会不同;不同的振幅对螺旋桨桨叶角效率的影响就不同, 即致使螺旋桨转矩出现波动幅度不同, 进而使发动机输出的扭矩出现波动的幅度就会不同。因此橡胶隔振器是影响整机振动的重要因素之一。
该型发动机在近几年出现了多起发动机曲轴减振器损伤故障, 造成了较大的经济损失并严重影响了飞行安全。前期研究表明[1,2]:导致该型发动机曲轴减振器失效的因素较多, 但如能有效改善整机振动, 将会有效降低该故障。因此基于橡胶隔振器特性和整机振动研究结果, 本对比分析国外原厂和国产自制两种橡胶隔振器对整机振动的影响, 确定国产件能够有效降低整机振动, 可以替代原厂件。
1 建立整机振动计算模型
如图1, 螺旋桨与发动机采取刚性连接, 发动机与发动机架之间柔性连接, 发动机架与机翼上隔框采取刚性连接, 因此该型发动机隔振系统为单层隔振系统。
按照一般的振动理论[1,2,3,4], 建立系统振动方程如下:
式中:M、C、K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵;q={x, y, z, α, β, γ}T;F={Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz}T。其中:Fx、Fy、Fz为激振力;Mx、My、Mz为激振力矩。
本文为研究方便, 计算时忽略了阻尼的作用, 因此式 (1) 变为
将发动机质量矩阵设为一个对角阵:
式中:m是发动机总质量;IX、IY、IZ分别是绕x、y、z轴的惯性矩。
刚度矩阵与发动机安装架上放置的橡胶隔振器有关, 其通式为
由式 (3) 和式 (4) 可以得出结论:这种橡胶隔振器布置方式, 其质量矩阵不存在耦合, 但因橡胶减振器上支反力方向不同, 将导致弹性矩阵产生耦合。
当式 (2) 中右端的发动机激振力为零时, 得到发动机与隔振系统固有频率及阵型的求解公式为
2 橡胶震垫
橡胶的硬度一般为邵氏硬度A30~70。经实测:原厂采用的是丁腈橡胶, 其硬度为邵氏硬度A50。根据前期整机振动研究和测试结果, 国产自制隔振器亦采用丁腈橡胶, 同时为达到降低整机振动目的, 根据研究结果在尺寸上进行了一些改进, 见表1。虽有文献指出:丁腈橡胶在制造时硬度变化范围约为邵氏硬度A3~5, 相应的弹性模量的变化范围为12%~20%[5], 本文计算时并没有考虑。
该发动机采用环柱形橡胶隔振器 (图1) , 其各向刚度计算公式如下[5]:
经计算, 两种橡胶隔振器的各向刚度数据如表1。
3 整机振动对比测试
3.1 理论计算
出于简化计算的目的, 利用已建立的计算模型和计算结果, 使用Matlab软件中编制程序来计算不同橡胶隔振器在不同转速下将产生的轴向振动位移, 以此来评估隔振器减振效果, 计算结果见图2和表2, 计算时未计橡胶损耗因子。
3.2 减振效果对比测试
虽然基于理论计算而改进的橡胶隔振器从理论上能够降低整机振动, 但是为了获得和对比两种橡胶隔振器的真实性能, 在发动机上进行了实际测试对比。前期研究表明[2]:该型发动机的振幅最大的转速出现在1 950 r/min和2650 r/min附近, 因此在对比测试两种橡胶隔振器时, 主要记录了两个共振转速 (转速波动幅度为±20 r/min) 的振幅值, 以此来考察国产自制橡胶隔振器的实际隔振性能, 实测数据见表3。
mm
可以看出:虽然整机振动在各个方向的振动幅值差别较大, 但国产橡胶隔振器依然能够有效降低整机振动幅值。需要说明的是, 在接近发动机额定转速2 700 r/min的2 650 r/min状态, 国产橡胶隔振器降低整机振动幅值的比例有些减小, 一是在这种状态下, 曲轴轴系扭振比较大;二是测试是在地面进行, 功率越大, 机翼和地面产生的反作用力越大, 机身振动振幅越大。正是因为模型简化和各种因素的影响, 也使得实测值与理论计算值的最大误差接近15%。
4 结语
国产自制橡胶隔振器不仅能够有效降低整机振动幅值, 而且实际使用中, 其耐用性、经济性亦明显强于原厂件, 因此目前已完全替代进口件。
摘要：某进口航空发动机在实际运行中出现了多起与整机振动有关的故障, 造成了较大的经济损失。为降低整机振动, 基于整机振动和橡胶隔振器研究结果, 对原厂橡胶隔振器进行了国产化改进。经测试, 国产橡胶隔振器能够有效降低整机振动, 完全能够替代原厂件。
关键词：橡胶,隔振器,性能
参考文献
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橡胶隔振器 篇2
1 空调风机弹簧减振器存在问题
漯河烟厂共有11台空气调节箱, 22组空气送回风机, 共安装132个JTD-200型弹簧减振器, 减振器安装尺寸及结构见图1。在使用过程中由于受环境湿度高和空调箱加湿地板偶有积水影响, 导致减振器弹簧钢锈蚀严重 (已使用3年) , 弹性失效, 引起风机振动加强, 噪声升高, 尤其是K4空调, 由于工艺要求为高温高湿条件 (常年湿度条件为72.0±5%RH) , 腐蚀更为严重。因此需要对此进行改进, 现以漯河烟厂K4空气调节箱送风机为例, 进行替代性研究论证。
2 空调风机基本参数
电机额定功率30KW, 电机额定转速1470r/min, 风机额定转速1220 r/min, 通风机质量为1220kg。减震基座安装6个JTD200型弹簧减震器。其安装示意图如图2所示。该空调箱担负对卷烟厂制丝工段贮叶房温湿度的调节[1], 工艺环境温湿度标准为35.0-40.0±2℃, 72.0±5%RH。
3 空调风机减振器材料的选择
为减少风机振动对环境的影响, 振动效果达到好的水平, 振动标准─传递率T取0.1~0.2, 则减振材料的静态变形值可按下式计算[2]:
δ—减振材料静态弹性形变值, 振源不振动时, 减振材料被压缩的高度, cm;
n—风机转速, r/min;
T—减振传递率, 取0.2即20%;
[2]查文献资料中关于减振基础计算曲线图表, 当n>1200 r/min时, 易采用橡胶减振材料。
4 橡胶减振器的选型计算
4.1 振源的干扰力计算
振源的干扰力f=n/60=1220/60≈20Hz
4.2 计算每个减振器的荷载
为考虑风机台座水平和台座上力负荷的平衡, 对称安装6个减振器, 则每个减振器平均负载为:
P=1220/6≈203kg=1989.4 N (牛)
4.3 减振器规格选择
查相关厂家JJQ型剪切减振器规格参数表。选择JJQ-3-3型橡胶剪切型减振器, 其静态压缩量δ≈12mm, 并查得其固有频率f0≈Hz;减震有效。 (f/f0<1时, 减震不起作用, f/f0=1时, 系统产生共振。)
所选振器静态压缩量δ=12>3mm (理论压缩量) , 合适。JJQ-3-3型减振器安装尺寸如图3所示。
5 橡胶减振器和弹簧减振器的比较
上述设计和计算表明, 采用橡胶减振器可行, 其优劣综合比较如下表1。
6 结语
选择空调风机减振器的减震材料及型号, 应对环境因素、经济性、减震标准、静载荷压缩量等相关因素综合考虑。经过研究推算, 我们以JJQ-3-3减振器替代JTD-200进行安装, 安装后用DZ-5振动测量仪对地脚一测试点进行测试, 测试数据见表2。更换后其振动总值和振幅均有下降, 达到振动标准要求, 减振降声效果明显。
摘要：目前, 卷烟厂空调设备空气调节箱送、回风机为了实现减少风机噪声和振动目的, 普遍采用弹簧减振器以减少和消除风机的振动, 但弹簧减振器的弹簧受空气湿度高影响易腐蚀失效, 失去弹性形变, 减震失效。通过对橡胶减振器进行选型设计, 确定以JJQ型减振器替代JTD弹簧减振器, 并进行安装测试, 计算分析和测试表明, 橡胶减振器克服了弹簧减振器的不足, 达到良好的减震和消音效果, 提高了减振器的使用寿命。
关键词：空调风机减振器,弹簧,橡胶,替代
参考文献
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橡胶隔振器 篇3
机载光电吊舱是用于航空侦察的一种光电设备, 通常安装在战斗机的腹部或机翼下面, 用于战斗机对目标的精确搜索、跟踪和锁定, 并引导精确制导。它通过无线通信传输, 将实时图像传输给地面指挥所, 同时记录存储图像, 可极大地提高战斗机在持续变化的环境下主动分辨运动目标的能力[1,2]。光电吊舱中通常配有可见光、红外等光学载荷, 除光学载荷自身的品质外, 载机上的振动会使光学载荷成像产生像移, 导致系统成像对比度变差、图像模糊[3], 进而会影响伺服跟踪精度, 甚至会造成跟踪目标丢失, 一旦发生共振, 会造成光学载荷的损坏。为保证光电吊舱的成像质量和跟踪精度, 保护光学载荷, 必需采取有效的隔振措施。
光电吊舱在工作时受到的振动主要来自两部分, 一部分来自战斗机, 包括飞机发动机组工作产生的振动, 飞机航线、速度、高度、姿态的急剧变化产生的振动, 各种大气现象和空气动力现象颤振、扰流、抖振引起的振动, 相对光学载荷窗口的空气流动和低频热动力现象引起的振动等。另一部分来自光电吊舱自身, 包括光学载荷内部的调焦、变倍、调光机构等工作时引起的振动, 光学载荷框架摇摆产生的振动, 光学载荷重心不固定产生的振动等。光学载荷自身所引起的振动可通过精密设计、加工和装配来使振动量级减到极小。因此, 光电吊舱所受振动的主要来源是使用环境, 振动的性质主要是随机振动。
本文所研究的光电吊舱由于其特有的安装方式而不能使用外置减振器, 必须在光电吊舱内部实施减振。传统光电吊舱应用的减振器 (如钢丝绳减振器、高阻尼硅橡胶系列减振器、金属丝网减振器以及特制的相对视轴的无角位移减振器等) 都因为体积、重量的限制而无法应用于光电吊舱内部[4,5,6,7]。由于橡胶可以通过选择不同的胶种和配方来改变减振器的刚度和阻尼, 也可以选择减振器的结构形状来适应安装结构, 因此, 笔者设计了一种用于安装在光电吊舱内部的轻小型橡胶减振器。
1 减振器在光电吊舱中的应用
光电吊舱中加装的光学载荷具有一定的固有频率, 为了保护光学载荷, 必须对其进行频率分析。通过Solidworks Simulation对光学载荷进行模态分析, 对光学载荷进行有限元网格划分, 网格单元大小为4.5mm, 单元总数为54 964, 节点总数为97 846, 将光学载荷的16个安装孔设为固定约束, 其有限元模型见图1。对有限元模型进行求解, 分析结果显示光学载荷的一阶频率为258.44 Hz。振源的振动频率范围为15~2000Hz, 为避免共振, 必须在吊舱中使用内置减振设施, 使光学载荷通过减振装置安装在内框架上, 图2为光电吊舱光学载荷内框减振简易结构图, 这种结构要求减振装置体积小, 安装方便, 因此选择使用橡胶减振器。
2 橡胶减振器的原理分析及设计
2.1 橡胶减振器的基本原理
隔振的目的是为了保护被隔振物体免受由振源传递过来的稳定或瞬时振动的破坏。单自由度、单轴向减振系统是一个便于分析的基本动态效果模型, 橡胶减振器属于具有刚度和黏性阻尼的单轴向隔振系统, 其绝对传递率与频率比的曲线见图3, 相对传递率与频率比的曲线见图4。
由图3可知, 不同的相对阻尼 (ζ) 值曲线交于点, 当ω=ωn时, 绝对位移 (力) 传递率达到最大值;当ζ=0时, 绝对位移 (力) 传递率为无穷大, 出现共振现象。要使减振系统具有隔振功能就必须使绝对位移 (力) 传递率小于1, 即。随着频率比ω/ωn的不断增大, 绝对位移 (力) 传递率μ越来越小, 即隔振效果越来越好;但频率比ω/ωn也不宜过大, 频率比ω/ωn值越大就意味着隔振装置要设计得很软, 静扰度很大, 装置的稳定性会很差, 容易受外界干扰激励而摇晃;并且当ω>5ωn以后, 如图4所示, 相对位移 (力) 传递率μrel变化不明显, 即不能显著改善隔振效果, 一般实际采用的频率比在2.5~5.0之间。相对阻尼ζ越大, 绝对位移 (力) 传递率μ也相应增大, 相对传递率μrel一直在减小, 这样会降低减振效果, 因此, 相对阻尼ζ取值相当重要。综合考虑, 从隔振效果来看, 实际最佳相对阻尼ζ取为0.05~0.2, 在此范围内, 共振振幅不会很大, 隔振效果也不会降低很多。通常ζ为0.1~0.2时, 选用橡胶减振器[8,9]。
2.2 橡胶减振器的外形结构
光电吊舱中载荷通过螺钉安装在内框架上, 由此, 设计一种用于螺钉连接处的橡胶减振器。如图5所示, 橡胶减振器在安装时, 不能使用普通螺钉, 需根据橡胶减振器的厚度, 控制螺钉光杆长度, 再利用安装调整垫, 控制L值, 一般使L比调整垫和减振器的厚度之和小0.2~0.4mm, 使橡胶减振器处于工作状态。被隔振体相对振动体高度提升了橡胶减振器外边沿的厚度, 占用空间很小。
2.3 橡胶减振器的参数计算
减振器的固有频率fn为
式中, K′为减振器的动刚度;g为重力加速度;G为减振器所承担的重力。
形状复杂的减振器可被看成是一些简单形状减振器串联和并联的结果, 其串联和并联时的总刚度分别是
为了便于计算, 设橡胶减振器的应力-应变关系为线性, 则
式中, KS为减振器的静刚度, 一般为1.2~2;S为减振器的有效载荷面积;Ec为减振器的有效压缩模量;h为减振器的高度。
橡胶减振器几何形状对有效压缩模量的影响极大, 其关系式为
其中, E0为橡胶材料的弹性模量;C为橡胶减振器的形状因数, 即减振器受载面积与不受载面积之比, 对于底面直径为D、高为h的圆柱形, , 为保证减振器受力稳定, 不产生弯曲变形, 应小于1;k为材料特性校正因数 (由经验确定, 为校正计算值与试验值的偏差, 一般取0.5~1) 。
橡胶减振器的极限静态应力σ为
对于低阻尼材料, σ取值为69kPa;F为减振器的静载荷;S′为减振器的最小承载面积。
所设计的橡胶减振器的外形尺寸如图6所示。文中所研究的光电吊舱中的光学载荷可见光电视的质量M=960g, 通过16个螺钉安装在内框架上, 每个螺钉处安装一个橡胶减振器。减振器的静载荷F=0.588N, 根据式 (6) 可计算出减振器的最小受载面积S′=8.5mm2, 螺钉为M3, 为便于安装, 将其分为上下两个部分对装。减振器外边沿厚度为1mm, 可见光电视相对其安装架 (内框架) 提升1mm。根据研制技术指标, 安装在战斗机上的设备振动频率范围为15~2000Hz, 当振动频率时, 橡胶减振器才具有减振效果, 其固有频率取fn=10Hz, 由式 (1) 可计算橡胶减振器的总动刚度K′=3789.9N/m;取, 由16个减振器均匀承载, 根据式 (3) 可计算出每个减振器的静刚度KS=157.9N/m;根据式 (4) 可计算出每个减振器的有效压缩模量Ec=0.1MPa;根据式 (5) 以及减振器的外形尺寸可计算出减振器材料的弹性模量E0为78kPa。
3 橡胶减振器试验结果及应用分析
为了验证减振器承载重量为0.588N物体时的实际减振效果, 进行了振动试验, 试验装置如图7所示。两个重量皆为2.352N的试验装置通过四个螺钉安装在各自的框架上, 一种装置在螺钉连接处安装了减振器, 另一种未加装减振器, 两个框架分别固定在振动台上, 进行振动试验。研制技术指标要求振动条件为: (1) 宽带随机。频率范围为15~2000Hz, 功率谱密度为0.01 g2/Hz; (2) 窄带随机。频率范围为190~210Hz, 功率谱密度为0.1 g2/Hz;频率范围为384~420Hz, 功率谱密度为0.025 g2/Hz。振动条件曲线见图8。
振动测试打印曲线如图9所示, 图中测试点曲线为此装置传感器的振动测试扫描曲线。可以得出, 加入橡胶减振器后, 加速度均方根值 (RMS值) 明显减小了, 垂直方向由23.1g减小到10.0g, 水平方向由11.4g减小到4.8g, 大大降低了由振源传递来的振动量值, 取得了良好的减振效果。
图10为光电吊舱实际挂飞过程中光学载荷———可见光电视在7000m高空锁定跟踪汽车的截图, 可以看出光学载荷成像效果良好, 跟踪精度满足技术指标要求。
4 结语
为了克服传统减振器普遍存在的体积大、质量偏大的缺点, 结合机载光电吊舱光学载荷减振的需要, 根据实际使用环境的要求, 设计了一种轻小型的减振器。依据减振设计原理, 确定了减振器本身的材料属性及结构尺寸。该减振器具有体积小、重量轻等优点。振动试验表明, 应用减振器后的加速度值均方根值明显减小, 减振效果明显, 有效地实现了特定环境下对外部振动的隔离, 对于机载吊舱内光学载荷减振具有良好的减振效果, 保证了光学载荷的成像质量和光电吊舱的跟踪精度。
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