Wykorzystanie elastomerów o niskim współczynniku kształtu

Wykorzystanie elastomerów o niskim współczynniku kształtu

Polimery lub elastomery lepkosprężyste są szeroko stosowane w aplikacjach kontroli drgań ze względu na ich wysoki poziom tłumienia. Elastomery mogą również skutecznie izolować drgania o niskiej częstotliwości, ponieważ są formowane w określone kształty. Współczynnik kształtu to termin artystyczny stosowany do ilościowego określenia właściwości izolacyjnych danego kształtu elastomeru. Wynika z tego, że im niższy jest współczynnik kształtu, tym niższa jest potencjalna częstotliwość rezonansowa. Niska częstotliwość rezonansowa zwykle zapewnia szerokie pasmo izolacji drgań. Jest to spowodowane izolacją częstotliwości drgań powyżej częstotliwości rezonansowej.

 

Dla większości popularnych kształtów współczynnik kształtu jest zwykle definiowany jako:

Współczynnik kształtu =
Średnia powierzchnia obciążona
Powierzchnia wypukłości

Średnia powierzchnia obciążona to średnia powierzchni górnej i dolnej podtrzymującej obciążenie. Powierzchnia wybrzuszenia to powierzchnia, która może wybrzuszyć się prostopadle do obciążenia.

 

Stabilność elastomeru może być zagrożona poniżej pewnego współczynnika kształtu, ponieważ materiał staje się coraz wyższy i coraz węższy. Niektórzy producenci elastomerów zalecają utrzymanie współczynnika kształtu powyżej 0,3, aby zapobiec wyboczeniu – problemowi, który może spowodować przewrócenie się podtrzymywanego sprzętu.

 

Podczas projektowania ViscoRing™ elastomeru zastosowanego w
Carbide Base
w stopkach, zaplanowano współczynnik kształtu 0,17. Zostało to wybrane w celu przesunięcia częstotliwości rezonansowej na tyle nisko, aby najniższe słyszalne częstotliwości mogły być skutecznie izolowane.

Poprawa stabilności

Przeprowadzono eksperyment w celu sprawdzenia zdolności ViscoRing™ do pionowego przenoszenia obciążenia i uniknięcia wyboczenia. Eksperyment polegał na stopniowym nakładaniu masy i pomiarze odkształcenia pionowego materiału. Obciążniki nakładano na powierzchnię średniego ViscoRing™ w odstępach co 1,13 kg (2,5 funta) w temperaturze pokojowej. Pionowa odległość odkształcenia została wykreślona w postaci przedstawionej krzywej naprężenie-odkształcenie. Oś y przedstawia naprężenie lub ilość przyłożonej masy, a oś x przedstawia odkształcenie lub pionową deformację spowodowaną przyłożeniem masy.

Czerwona krzywa przedstawia sam ViscoRing™ bez obudowy. Można zauważyć, że wkrótce po początkowym przyłożeniu masy materiał zaczął się wyginać i znacznie odkształcać pod wpływem obciążenia. Materiał słabo radził sobie z utrzymaniem nawet niewielkiej masy, czego można się było spodziewać, biorąc pod uwagę jego bardzo niski współczynnik kształtu.

 

Aby poprawić stabilność ViscoRing™, zaprojektowano dla niego obudowę w górnej części stopki, jak pokazano na uproszczonej grafice. Carbide Base stopki, jak pokazano na uproszczonej ilustracji. Na obwodzie ViscoRing™ w odstępach dodano krawędzie, aby go usztywnić i zapobiec wyboczeniu. Grzbiety były rozmieszczone tak, aby powierzchnia mogła się swobodnie wybrzuszać pomiędzy nimi, co pozwoliło zachować korzyści wynikające z niskiego współczynnika kształtu.

 

W miarę jak ViscoRing™ wybrzuszał się na zewnątrz, stopniowo coraz większy procent powierzchni wybrzuszenia stykał się z pochyłymi grzbietami. Zwiększenie współczynnika kształtu wraz ze wzrostem masy pozwoliło uzyskać bardziej stałą częstotliwość rezonansową w szerszym zakresie mas ładunku. Izolacyjność Carbide Base stała się bardziej stała w przypadku różnych mas podporowych.

 

Niebieska krzywa przedstawia ten sam ViscoRing™ umieszczony w obudowie górnej części stopki. Carbide Base stopki. Zaobserwowano względnie liniowy wzrost odkształcenia lub deformacji pionowej wraz z przyłożeniem naprężenia lub masy. Materiał nie wyginał się zgodnie z założeniami.

 

Elastomerów nie da się sprasować do mniejszej objętości. Dlatego elastomery muszą mieć możliwość wybrzuszania się na zewnątrz, aby odkształcać się pod wpływem obciążenia. Selektywnie usztywniony ViscoRing™ nie wykazywał nagłego wzrostu nachylenia ani sztywności, co miałoby miejsce, gdyby uniemożliwiono dalsze wybrzuszanie się materiału. Jest to ważne, ponieważ niska sztywność lub współczynnik sprężystości jest niezbędny do uzyskania niskiej częstotliwości rezonansowej.

Poprawa izolacji poziomej

Po sukcesie w wykorzystaniu elastomeru o niskim współczynniku kształtu do izolacji pionowej, pożądane było uzyskanie podobnych korzyści w przypadku izolacji poziomej. W celu dalszej poprawy parametrów izolacji poziomej zastosowano poziomo zorientowane elastomery o niskim współczynniku kształtu oraz łożyska kulkowe.

 

Wykorzystanie łożysk kulkowych do zapewnienia izolacji poziomej jest dobrze znaną koncepcją. W wielu konstrukcjach pomiędzy zakrzywionymi bieżniami łożysk umieszcza się łożyska kulkowe. Zakrzywione powierzchnie łożysk w innych konstrukcjach utrzymują łożyska wyśrodkowane. Umożliwiają one również zmianę toru przenoszenia drgań, ponieważ górna i dolna warstwa bieżni przesuwają się względem siebie w płaszczyźnie poziomej. Takie omijanie ścieżek transmisyjnych zapewnia izolację poziomą[1].

 

Konstrukcja opracowana dla dolnej części Carbide Base stopek była inna, ponieważ łożyska toczyły się na płaskich, a nie zakrzywionych bieżniach. Poziomo ułożone elastomery działały jak silnie tłumione sprężyny, utrzymując urządzenie w centralnym położeniu w odpowiedzi na drgania. Aby zminimalizować odkształcenia i opory toczenia, na łożyska wybrano cyrkon, a na bieżnie łożysk – polerowaną, hartowaną stal sprężynową. Izolację poziomą uzyskano dzięki wyższemu poziomowi tłumienia niż w poprzednich konstrukcjach.

Próba wibracyjna

Pomiar izolacyjności poziomej

Aby ocenić poprawę izolacji poziomej, przeprowadzono kolejny eksperyment. Celem eksperymentu było ilościowe określenie poprawy izolacji poziomej, jaką zapewniło dodanie łożysk kulkowych i poziomo zorientowanych elastomerów.

 

Do wytworzenia drgań w eksperymencie użyto elektromagnetycznego stołu wibracyjnego. Stół był sterowany cyfrowo za pomocą ekranu dotykowego i pokręteł podłączonych do napędów o zmiennej częstotliwości (VFD). Wykorzystano je do precyzyjnej modulacji amplitudy i częstotliwości drgań powierzchni stołu.

 

Cztery Carbide Base Na stole wibracyjnym umieszczono cztery stopy z zainstalowanymi pierścieniami ViscoRings™ o średniej grubości. Następnie na szczycie stóp przykręcono obciążoną płytę aluminiową o łącznej masie około 45 kg (100 funtów). Do pomiaru drgań zastosowano dwa czujniki akcelerometryczne ACH-01 firmy Measurement Specialties. Pierwszy czujnik został przymocowany za pomocą taśmy dwustronnej do przedniej krawędzi stołu wibracyjnego. Drugi czujnik został w podobny sposób przymocowany do przedniej krawędzi płyty aluminiowej. Każdy czujnik był podłączony do własnego skalibrowanego wzmacniacza czujnika drgań, który z kolei zasilał własny multimetr stacjonarny. OdczytyVRMS z każdego multimetru posłużyły do oddzielnego określenia przyspieszenia odczuwanego przez stół i płytę aluminiową, przy czym 1 mVRMS = 1 m/s2 przyspieszenia.

Wykres izolowania poziomego

Częstotliwość drgań do przodu i do tyłu (oś Y) ustawiono w krokach co 10 Hz od 10 Hz do 300 Hz. W każdym odstępie czasu wykreślono wartościVRMS obu czujników. Amplituda stołu była regulowana tak, aby stół oscylował sinusoidalnie z przyspieszeniem około 4 m/s2.

 

Po odjęciu wartości wyjściowej z czujnika płytowego od wartości wyjściowej z czujnika stołowego otrzymano informację o przenoszeniu drgań przez Carbide Base stopki. Wartości dodatnie wskazywały na wzmocnienie drgań przez urządzenie. Było to oczekiwane przy częstotliwościach drgań zbliżonych do częstotliwości rezonansowej urządzenia. Wartości ujemne oznaczają zmniejszenie drgań wytwarzanych przez stół. Innymi słowy, izolacja drgań, która była pożądana. Im bardziej ujemna jest ta wartość, tym większa jest izolacja.

 

Czerwona linia przedstawia pomiary wykonane przy Carbide Base w stopkach bez łożysk kulkowych i poziomo ułożonych elastomerów. Do izolacji poziomej wykorzystywany był tylko elastomer ViscoRing™. Linia niebieska przedstawia pomiary wykonane z założonymi łożyskami i elastomerami poziomymi. Zastosowanie łożysk kulkowych i elastomerów poziomych znacznie poprawiło parametry izolacji poziomej. Zmniejszenie amplitudy drgań było szczególnie wyraźne w okolicy częstotliwości rezonansowej, co wskazuje na wyższy poziom tłumienia.

Wniosek

W stopkach zastosowano kilka rozwiązań konstrukcyjnych Carbide Base w stopkach, aby niezawodnie wykorzystywać elastomery o niskim współczynniku kształtu do celów izolacji drgań o niskiej częstotliwości. Elastomery formowane w czynnikach kształtujących, które wcześniej były uważane za zbyt niestabilne, stały się wystarczająco stabilne dzięki odpowiednio zaprojektowanej obudowie. Dodatkowe połączenie łożysk i poziomo zorientowanych elastomerów jeszcze bardziej poprawiło izolację poziomą. Te nowatorskie cechy zostały później uwzględnione w zgłoszeniu patentowym.

Referencje

[1] Kemeny, Zoltan A. „Mechaniczny filtr sygnałowy”. US 6520283 B2, Urząd Patentów i Znaków Towarowych Stanów Zjednoczonych, 18 lutego 2003 r. Patenty Google, https://patents.google.com/patent/US6520283B2