利用低形狀因子彈性體

利用低形狀因子彈性體

粘彈性聚合物或彈性體由於其固有的高阻尼水準而廣泛用於振動控制應用。 彈性體還可以通過形成某些形狀來有效地隔離低頻振動。 形狀因數是用於量化給定彈性體形狀的隔離性能的技術術語。 這意味著形狀因數越低,潛在的諧振頻率就越低。 低諧振頻率通常會導致寬頻寬的隔振。 這是由於隔離高於諧振頻率的振動頻率。

 

對於大多數常見形狀,形狀因數通常定義為:

形狀因數 =
平均載荷表面積
表面積膨脹

平均荷載表面積是支撐荷載的上下表面積的平均值。 凸起的表面積是垂直於載荷的自由膨脹的表面積。

 

隨著材料變得越來越高和越來越窄,彈性體的穩定性在低於一定的形狀係數時可能會受到影響。 一些彈性體製造商建議保持在0.3的形狀因數以上,以防止屈曲 – 這個問題可能導致支撐的設備翻倒。

 

在設計Carbide Base

中使用的ViscoRing™彈性體時,計劃形狀係數為0.17。 選擇這一點是為了將諧振頻率推低到足夠低,以便可以有效地隔離最低可聽頻率。

提高穩定性

進行了一項實驗,以測試 ViscoRing™ 垂直支撐負載並避免屈曲的能力。 該實驗包括逐漸施加質量和測量材料的垂直變形。 在室溫環境中,在中等粘度環之上施加砝 ViscoRing™ ,增量為1.13千克(2.5磅)。 垂直變形距離以所示應力-應變曲線的形式繪製。 y軸表示施加的應力或品質量,x軸表示施加品質引起的應變或垂直變形。

紅色曲線顯示沒有外殼的ViscoRing™單獨顯示。 可以看出,在最初應用品質后不久,材料開始在載荷下彎曲和變形。 這種材料在支撐即使是很小的品質方面也做得很差,鑒於其極低的形狀係數,這是可以預料的。

 

為了提高 ViscoRing™的穩定性,在 Carbide Base 頁腳的上部為其設計了一個外殼,如簡化圖所示。 在ViscoRing的周邊間隔添加脊 ViscoRing™ 支撐它並防止屈曲。 山脊是分開的,因此表面積可以自由地在它們之間凸起,從而保留了低形狀因數的好處。

 

當 ViscoRing™ 向外凸起時,膨脹的表面積中逐漸增加的比例與傾斜的山脊接觸。 隨著品質的增加,這種形狀因數的增加在更寬的載荷品質範圍內產生了更一致的共振頻率。 Carbide Base頁腳的隔離性能在不同的支撐品質下變得更加穩定。

 

藍色曲線顯示了放置在Carbide Base頁腳上部外殼中的相同ViscoRing™。 觀察到應變或垂直變形的相對線性增加,並施加應力或品質。 材料未按預期屈曲。

 

彈性體無法壓縮成更小的體積。 因此,必須允許彈性體向外凸起,以便在載荷下變形。 選擇性支撐的 ViscoRing™ 沒有顯示出坡度或剛度的突然增加,如果防止材料進一步膨脹,就會發生這種情況。 這很重要,因為低剛度或彈簧率是實現低共振頻率所必需的。

改善水平隔離

一旦成功地利用低形狀因子彈性體進行垂直隔離,就需要水準隔離的類似優勢。 水平取向的低形狀因子彈性體與滾珠軸承相結合,以進一步提高水準隔離性能。

 

利用滾珠軸承提供水平隔離是一個眾所周知的概念。 許多設計在彎曲軸承座圈之間插入滾珠軸承。 其他設計的彎曲軸承表面使軸承保持居中。 它們還允許振動的傳輸路徑被轉移,因為上下種族彼此水準平移。 這種傳輸路徑規避提供了水平隔離[1]

 

Carbide Base 腳的下部設計的設計是不同的,因為軸承在平坦而不是彎曲的賽道上滾動。 水準方向的彈性體充當高度阻尼彈簧,使設備在回應振動時保持居中。 為了最大限度地減少變形和滾動阻力,軸承採用鋯,軸承座圈採用拋光硬化彈簧鋼。 水平隔離的阻尼水準比以前的設計更高。

振動測試

測量水平隔離

為了評估水準隔離的改善,進行了另一項實驗。 該實驗的目的是量化增加球軸承和水準定向彈性體以進行水準隔離的改進。

 

使用電磁振動台為實驗產生振動。 該工作台通過觸摸屏進行數位控制,並連接到變頻驅動器(VFD)的刻度盤。 這些用於精確調節工作臺表面的振動幅度和頻率。

 

四個安裝了中等ViscoRings™Carbide Base頁腳被放置在振動台的頂部。 然後將總品質約為45千克(100磅)的加權鋁板用螺栓固定在頁腳的頂部。 兩個測量專用ACH-01加速度感測器用於測量振動。 第一個感測器用雙面膠帶連接到振動台的前緣。 第二個感測器同樣安裝在鋁板的前緣。 每個感測器都連接到自己校準的振動感測器放大器,該放大器又為自己的台式萬用表供電。 來自每個萬用表的VRMS 讀數用於分別確定工作台和鋁板所經歷的加速度,1 mVRMS = 1 m / s2 加速度。

繪製水平隔離圖

前向和后(Y軸)振動頻率以10 Hz為增量,從10 Hz到300 Hz。 在每個時間間隔繪製兩個感測器的VRMS 值。 調整工作台的振幅,以確保工作台正弦振蕩,加速度約為4 m/s2

 

通過工作台感測器的輸出減去板式感測器的輸出,通過 Carbide Base 頁腳傳遞振動。 正值表示透過設備的振動放大。 這是在元件諧振頻率周圍的振動頻率下預期的。 負值表示該表產生的振動減少。 換句話說,就是隔離所需的振動。 值越負,隔離度越大。

 

線顯示了硬Carbide Base頁腳缺少滾珠軸承和水準方向彈性體時進行的測量。 只有 ViscoRing™ 彈性體被用於水平隔離。 線表示在軸承和水平彈性體就位的情況下進行的測量。 滾珠軸承和水平彈性體的結合大大提高了水平隔離性能。 振動幅度的降低在諧振頻率周圍尤為明顯,表明阻尼水準更高。

結論

Carbide Base頁腳中融入了多種設計特徵,以可靠地利用低形狀因數彈性體來實現低頻隔振。 以前被認為過於不穩定的形狀因素形成的彈性體通過適當設計的外殼變得足夠穩定。 軸承和水準取向彈性體的額外組合進一步改善了水平隔離。 這些新穎的功能後來被納入一項正在申請的專利中。

引用

[1] Kemeny, Zoltan A. “機械信號濾波器”。 美國6520283 B2,美國專利商標局,2003年2月18日。 谷歌專利, https://patents.google.com/patent/US6520283B2