Использование эластомеров с низким коэффициентом формообразования
Вязкоупругие полимеры или эластомеры широко используются в системах контроля вибраций благодаря своей высокой способности к демпфированию. Эластомеры также могут эффективно изолировать низкочастотные колебания, будучи сформированными в определенные формы. Форм-фактор – это термин, используемый для количественной оценки изоляционных характеристик эластомера определенной формы. Подразумевается, что чем ниже коэффициент формы, тем ниже потенциальная резонансная частота. Низкая резонансная частота обычно приводит к широкой полосе виброизоляции. Это связано с изоляцией частот вибрации выше резонансной частоты.
Для наиболее распространенных форм фактор формы обычно определяется как:
Средняя площадь поверхности под нагрузкой – это средняя площадь верхней и нижней поверхностей, поддерживающих полезную нагрузку. Площадь выпуклой поверхности – это площадь поверхности, которая может свободно выгибаться перпендикулярно нагрузке.
Стабильность эластомера может быть нарушена ниже определенного коэффициента формы, поскольку материал становится все более высоким и узким. Некоторые производители эластомеров рекомендуют не превышать коэффициент формы 0,3, чтобы предотвратить смятие – проблему, которая может привести к опрокидыванию поддерживаемого оборудования.
При разработке ViscoRing™ эластомера, используемого в Carbide Base подножки, был запланирован коэффициент формы 0,17. Это было сделано для того, чтобы сдвинуть резонансную частоту достаточно низко, чтобы самые низкие слышимые частоты могли быть эффективно изолированы.
Улучшение стабильности
Был проведен эксперимент, чтобы проверить способность ViscoRing™ выдерживать вертикальную нагрузку и не прогибаться. Эксперимент заключался в постепенном наложении веса и измерении вертикальной деформации материала. Грузы накладывались на Medium ViscoRing™ с шагом 1,13 кг (2,5 фунта) при комнатной температуре. Расстояние вертикальной деформации было отображено в виде показанной на рисунке кривой “напряжение-деформация”. Ось y представляет напряжение или приложенный вес, а ось x – деформацию или вертикальную деформацию, вызванную приложением веса.
Красная кривая показывает ViscoRing™ без корпуса. Видно, что вскоре после первоначального приложения веса материал начал прогибаться и значительно деформироваться под нагрузкой. Материал плохо выдерживает даже небольшую массу, что было вполне ожидаемо, учитывая крайне низкий коэффициент формы.
Чтобы повысить устойчивость ViscoRing™, для него был разработан корпус в верхней части Carbide Base как показано на упрощенном графике выше. По периметру ViscoRing™ через определенные интервалы были добавлены выступы, чтобы укрепить его и предотвратить прогиб. Гребни были расположены на разном расстоянии от внешней стороны ViscoRing™. Это позволило освободить значительную площадь поверхности для выпячивания наружу, сохранив тем самым большую часть преимуществ низкой формы.
По мере того, как ViscoRing™ выпячивался наружу, все больший процент площади поверхности выпячивания входил в контакт с наклонными гребнями. Это увеличение коэффициента формы с увеличением массы полезной нагрузки дало более стабильную резонансную частоту в более широком диапазоне масс полезной нагрузки. Другими словами, изоляционные характеристики Carbide Base с таким прогрессивным форм-фактором стали более постоянными при различной массе полезной нагрузки.
Синяя кривая показывает тот же ViscoRing™, помещенный в корпус верхней части Carbide Base опорной части. Наблюдалось относительно линейное увеличение вертикальной деформации при приложении веса. Материал не прогибался, как предполагалось. В конечном итоге жесткость материала постепенно увеличивалась с ростом нагрузки по мере увеличения площади ненагруженной поверхности. Желательно, чтобы это увеличило максимальную способность материала выдерживать вес.
Эластомеры не могут быть сжаты в меньший объем. Поэтому эластомерам необходимо дать возможность выпячиваться наружу, чтобы деформироваться под нагрузкой. Выборочно закрепленный ViscoRing™ не показал резкого увеличения наклона или жесткости, как это могло бы произойти, если бы материалу не давали выпячиваться дальше. Низкая жесткость или коэффициент упругости важны для достижения низкой резонансной частоты в системе с пружинами и массой, подобной этой.
Улучшение горизонтальной изоляции
После успешного использования эластомера с низким коэффициентом формообразования для вертикальной изоляции, хотелось бы получить аналогичные преимущества для горизонтальной изоляции. Горизонтально ориентированные эластомеры с низким коэффициентом формообразования вместе с шарикоподшипниками были использованы для дальнейшего улучшения характеристик горизонтальной изоляции.
Использование шарикоподшипников для обеспечения горизонтальной изоляции – хорошо известная концепция. Во многих конструкциях шарикоподшипники располагаются между изогнутыми дорожками качения[1].
Конструкция, разработанная для нижней части Carbide Base подножек, отличалась тем, что дорожки качения подшипников были плоскими, а не изогнутыми. Горизонтально ориентированные эластомеры действовали как пружины с высокой степенью демпфирования, удерживая устройство в центре в ответ на вибрации. Чтобы свести к минимуму деформацию и сопротивление качению, для подшипников был выбран диоксид циркония, а для дорожек качения – полированная закаленная пружинная сталь.
Графики горизонтальной изоляции
Частота вибрации вперед и назад (ось Y) устанавливалась с шагом 10 Гц в диапазоне от 10 Гц до 300 Гц. Выходное напряжение обоих датчиков строилось в каждом интервале. Амплитуда колебаний стола была отрегулирована таким образом, чтобы стол колебался синусоидально с ускорением приблизительно 4 м/с2.
Вычитание выходных данных датчиков дало передачу вибраций через Carbide Base подножки. Положительные значения указывают на усиление вибраций через устройство. Этого следовало ожидать при частоте вибраций около резонансной частоты устройства. Отрицательные значения указывают на уменьшение вибраций, генерируемых столом. Другими словами, желательна изоляция вибраций. Чем больше отрицательное значение, тем больше изоляция.
Красная линия показывает измерения, проведенные с Carbide Base без шарикоподшипников и горизонтально ориентированных эластомеров. Только эластомер ViscoRing™ обеспечивал изоляцию. Синяя линия показывает измерения, проведенные с установленными подшипниками и горизонтальными эластомерами. Установка шарикоподшипников и горизонтальных эластомеров значительно улучшила характеристики горизонтальной изоляции. Уменьшение амплитуды вибрации было особенно выражено в районе резонансной частоты, что указывает на более высокий уровень демпфирования.
Заключение
Несколько конструктивных особенностей были включены в Carbide Base для надежного использования эластомеров с низким коэффициентом формы для виброизоляции. Эластомеры с форм-фактором, который ранее считался слишком нестабильным, стали достаточно стабильными благодаря специально разработанному корпусу. Дополнительная комбинация подшипников и горизонтально ориентированных эластомеров еще больше улучшила горизонтальную изоляцию. Эти нововведения были позже включены в патент, находящийся на рассмотрении.
