使用低形状系数弹性体

使用低形状系数弹性体

粘弹性聚合物或弹性体由于其固有的高阻尼水平而广泛用于振动控制应用。 弹性体还可以通过形成某些形状来有效地隔离低频振动。 形状因子是用于量化给定弹性体形状的隔离性能的技术术语。 这意味着形状因子越低,潜在的共振频率越低。 低共振频率通常会导致宽带宽的隔振。 这是由于共振频率以上的振动频率被隔离。

 

对于最常见的形状,形状因子通常定义为:

形状系数 =
平均负载表面积
凸出的表面积

平均负载表面积是支撑负载的上下表面积的平均值。 凸出表面积是垂直于负载自由凸出的表面积。

 

随着材料变得越来越高和越来越窄,弹性体的稳定性可能会低于某个形状因子。 一些弹性体制造商建议将形状系数保持在 0.3 以上,以防止弯曲——这个问题可能导致支撑设备翻倒。

 

在设计用于Carbide BaseViscoRing™弹性体时,计划采用 0.17 的形状系数。 选择这个是为了将共振频率推得足够低,以便可以有效地隔离最低的可听频率。

提高稳定性

进行了一项实验来测试ViscoRing™垂直支撑负载和避免屈曲的能力。 实验包括逐渐施加质量和测量材料的垂直变形。 在室温环境中,以 1.13 kg (2.5 lbs) 的增量将重物施加在 Medium ViscoRing™的顶部。 垂直变形距离以所示应力-应变曲线的形式绘制。 y 轴表示应力或施加的质量量,x 轴表示由施加质量引起的应变或垂直变形。

红色曲线仅显示没有外壳的ViscoRing™ 。 可以看出,在最初施加质量后不久,材料开始在载荷下发生明显的屈曲和变形。 考虑到其极低的形状因子,这种材料即使是很小的质量也不能很好地支撑。

 

为了提高ViscoRing™的稳定性,在Carbide Base底部的上部为其设计了一个外壳,如简化图所示。 在ViscoRing™的周边以一定间隔添加脊以支撑它并防止弯曲。 脊被间隔开,使得它们之间的表面积可以自由膨胀,从而保留了低形状因子的好处。

 

随着ViscoRing™向外凸出,越来越多的凸出表面积与倾斜的脊接触。 这种随着质量增加而增加的形状因子在更广泛的负载质量范围内给出了更一致的共振频率。 Carbide Base的隔离性能在不同的支撑质量下变得更加稳定。

 

蓝色曲线显示了放置在Carbide Base上部外壳中的相同ViscoRing™ 。 观察到随着应力或质量的施加,应变或垂直变形的相对线性增加。 材料没有按预期弯曲。

 

弹性体无法压缩成更小的体积。 因此,必须允许弹性体向外凸出以便在负载下变形。 选择性支撑的ViscoRing™没有显示出坡度或刚度的突然增加,如果防止材料进一步膨胀,则会发生这种情况。 这很重要,因为低刚度或弹簧刚度是实现低共振频率所必需的。

 

超过约 11 公斤(25 磅),材料的刚度逐渐开始增加。 这由更陡峭的坡度表示,因为更多的凸出表面区域与山脊接触。 增加的刚度一直持续到 7.6 毫米(0.3 英寸)的垂直变形。 这是外壳设计用于平移的最大距离,以保护ViscoRing™免受过度压缩。

改善水平隔离

一旦成功地利用低形状系数弹性体进行垂直隔离,就需要类似的水平隔离优势。 结合了水平定向的低形状系数弹性体和滚珠轴承,以进一步提高水平隔离性能。

 

利用滚珠轴承提供水平隔离是一个众所周知的概念。 许多设计在弯曲的轴承座圈之间插入滚珠轴承。 其他设计的弯曲轴承表面使轴承保持居中。 它们还允许在上下座圈相对于彼此水平平移时转移振动的传递路径。 这种传输路径规避提供了水平隔离[1]

 

Carbide Base的下部设计的设计有所不同,因为轴承在平面而不是弯曲的滚道上滚动。 水平定向的弹性体充当高阻尼弹簧,使设备在振动时保持居中。 为了最大限度地减少变形和滚动阻力,轴承选用了锆,轴承座圈选用了抛光硬化弹簧钢。 与以前的设计相比,水平隔离的阻尼水平更高。

振动测试

测量水平隔离

为了评估水平隔离的改进,进行了另一项实验。 实验的目的是量化增加滚珠轴承和水平定向弹性体为水平隔离提供的改进。

 

实验使用电磁振动台产生振动。 该工具经过定制,允许在 X、Y 和 Z 运动轴上独立或同时产生振动。 该表通过触摸屏和连接到变频驱动器 (VFD) 的拨盘进行数字控制。 这些用于精确调制工作台表面的振动幅度和频率。

 

四个安装有 Medium ViscoRings™的Carbide Base脚被放置在振动台的顶部。 然后将总质量约为 45 kg (100 lbs) 的加重铝板用螺栓固定在底脚顶部。 两个 Measurement Specialties ACH-01 加速度计传感器用于测量振动。 第一个传感器用双面胶带连接到振动台的前边缘。 第二个传感器类似地连接到铝板的前边缘。 每个传感器都连接到其自己的校准振动传感器放大器,该放大器又为自己的台式万用表供电。 每个万用表的 V RMS读数用于分别确定工作台和铝板承受的加速度,加速度为 1 mV RMS = 1 m/s 2

绘制水平隔离

前后(Y 轴)振动频率设置为从 10 Hz 到 300 Hz 的 10 Hz 增量。 在每个间隔绘制两个传感器的 V RMS值。 调整工作台的振幅以确保工作台以大约 4 m/s 2的加速度正弦振荡。

 

用工作台传感器的输出减去平板传感器的输出,就产生了通过Carbide Base脚的振动传递。 正值表示通过设备的振动放大。 这在设备共振频率附近的振动频率上是预期的。 负值表示桌子产生的振动减少。 换句话说,需要的振动隔离。 值越负,隔离度越大。

 

红线显示了在缺少滚珠轴承和水平定向弹性体的Carbide Base脚下进行的测量。 只有ViscoRing™弹性体被用于水平隔离。 线显示在轴承和水平弹性体就位的情况下进行的测量。 球轴承和水平弹性体的结合大大提高了水平隔离性能。 振动幅度的降低在共振频率附近特别明显,表明阻尼水平较高。

结论

Carbide Base脚部采用了多种设计特征,以可靠地利用低形状因子弹性体来实现低频振动隔离。 以前被认为太不稳定的形状因素形成的弹性体通过适当设计的外壳变得足够稳定。 轴承和水平定向弹性体的附加组合进一步改善了水平隔离。 这些新颖的特征后来被纳入一项正在申请的专利中。

参考

[1] Kemeny, Zoltan A. “机械信号滤波器”。 US 6520283 B2,美国专利商标局,2003 年 2 月 18 日。 谷歌专利, https://patents.google.com/patent/US6520283B2