【文章內(nèi)容簡介】 作原理 膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu) 膠泥緩沖器是一種優(yōu)化的粘滯流體阻尼器 ，是將粘性阻尼材料用粘彈性可壓 縮的膠泥替代，一般有缸體、活塞、阻尼孔、阻尼材料和活塞桿等部分組成，活 塞在缸體內(nèi)作往復(fù)運動，缸體內(nèi)裝滿阻尼材料，當活塞與缸體之間發(fā)生相對運動 時，由于活塞前后的壓力差使阻尼材料從阻尼孔（環(huán)）中通過，從而產(chǎn)生阻尼力。 但是適用于沖擊環(huán)境下的膠泥緩沖器與用于車輛、橋梁和地鐵等的緩沖器有所不 同，它所承受的沖擊速度較大而阻尼力較小，所以其結(jié)構(gòu)形式不可以照搬現(xiàn)有的 膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)，其具體構(gòu)造形式參考現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，根據(jù)阻尼材料和緩沖器的指 標要求選擇。已有的阻尼器的構(gòu)造形式很多，不同的 工程需求有不同的結(jié)構(gòu)。 粘滯流體阻尼器根據(jù)其運動方式可分為兩類：一類是平動阻尼器，如板式、錐體式和活塞式；另一類是旋轉(zhuǎn)式阻尼器，如曲柄減振器、葉輪式減振器、活塞式減振器等。根據(jù)項目的需要，這里僅研究平動阻尼器。對于平動阻尼器的構(gòu)造形式選擇的范圍也很大 ,有阻尼壺式、阻尼墻式、阻尼缸式和阻尼孔式，阻尼墻式、阻尼壺式的阻尼器工作行程通常比較小，而結(jié)構(gòu)比較龐大；阻尼缸式阻尼器通常用于阻尼力比較大的單方向工作的情況，也可以通過機械裝置制作雙向阻尼器，這時的裝置容易出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，所以目前使用不是很多；阻尼孔式使用最為 廣泛，這類阻尼器在密閉容腔內(nèi)裝滿粘彈性流體阻尼材料，當活塞相對缸體移動時，迫使阻尼材料流過阻尼孔產(chǎn)生阻尼 [12]。 1. 單出桿式 粘滯流體阻尼器的構(gòu)造形式通常有單出桿式和雙出桿式。常見的粘滯阻尼器 的單出桿式阻尼器有兩種基本形式。第一種是在缸體上附加一個容腔，如圖 21 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 共 44 頁 所示，活塞與缸體內(nèi)壁簡密封，在缸體與附加容腔之間以小阻尼孔相連，附加容 腔內(nèi)的阻尼介質(zhì)不可充滿 (留有適當?shù)目臻g )，當活塞運動時，阻尼介質(zhì)流過兩個 小阻尼孔，提供非線性阻尼，兩腔間的容積差有附加容腔的剩余空間來調(diào)節(jié)。這 種阻尼器由于附加容 腔內(nèi)留有一定的空間 ,故其安裝的位置受到限制 (多為水平安裝 ),且加工較為復(fù)雜 ,因此不適合于大型結(jié)構(gòu)的防護。 1阻尼孔 2主容腔 3活塞 4缸壁 5附加容腔 圖 21加容腔式阻尼器 第二種是在單出桿大阻尼器，結(jié)構(gòu)簡單，對活塞密封性的要求也不 高，直接將膠泥裝入缸體內(nèi)部，通過對膠泥的擠壓吸收或釋放彈性勢能，并且這種阻尼器在一定的行程范圍內(nèi)提供較大的阻尼，由于此類型的阻尼器結(jié)構(gòu)簡單，易于加工批量生產(chǎn)，合適我們所研究得車輛使用。如圖 22，圖 23，圖 24。 圖 22單出桿孔隙式阻 尼器 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 共 44 頁 圖 23單出桿間隙式阻尼器 圖 24單出桿組合式阻尼器 2. 雙出桿式 雙出桿式和單出桿式的結(jié)構(gòu)和原理基本相同，唯一不同的是：雙出桿式的工作方向是雙向的，雙出桿式占用的工作空間要比較大。由于我們研究的車輛緩沖器受到但方向的壓力，同時為了節(jié)省空間，我們選用但單出桿式。 對于單出桿式阻尼器，根據(jù)產(chǎn)生阻尼的方式不同，可將其分為間隙式、 空隙式和組合式三種形式。 (1)間隙式：活塞和阻尼容積缸壁之間保持一定的間隙，即所謂的阻尼環(huán)。 當活塞相對于缸體運動時，由通過間 隙的阻尼介質(zhì)的流動阻尼產(chǎn)生阻 尼。如圖 25 所示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 共 44 頁 圖 25雙出桿間隙式阻尼器 (2)孔隙式：活塞和缸壁之間密封，活塞上開有一定尺寸和數(shù)量的小孔。 當活塞相對于缸體運動時，阻尼材料流過小孔產(chǎn)生阻尼。如圖 26。 圖 26雙出桿孔隙式阻尼器 膠泥材料的粘性比較高，流動性比較差，如果采用孔隙式緩沖器則相應(yīng)的結(jié)構(gòu)很大才可能允許膠泥流過。這樣使得緩沖器的阻尼作用大大降低，如果采用間隙式緩沖器則在回程過程中膠泥不能比較快的流回，其適用性也大大降低 ，所以膠泥緩沖器的阻尼形式通常采用組合式。構(gòu)造形式可以是單出桿式和雙出桿式。由于考慮到車輛上所用的膠泥緩沖器所受到的力是單方向的，同時為了結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，緩沖器所占用的空間盡量小，所以，我們選用的膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)為單出桿式組合式阻尼器。如圖 24 所示。 膠泥緩沖器的參數(shù) 阻尼力的確定 阻尼力的大小，不僅與緩沖器結(jié)構(gòu)和工作原理有關(guān)，而且直接關(guān)系到車輛的裝備質(zhì)量、車輛及零部件的結(jié)構(gòu)強度和使用壽命、整車的穩(wěn)定性和安全性。阻尼中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 44 頁 力過大，則車輛在運行過程中，平衡肘與緩沖器碰撞的沖擊力過大，就會影響葉片 式減振器的運行，會使減振器的連桿受力和搖臂彎曲變形，甚至斷裂；阻尼力過小，則過多的力由減振器承擔，會使減振器的連桿受拉變形。因此設(shè)計合理的緩沖器參數(shù)是很有必要的。緩沖器的選擇需要考慮兩方面。其一，緩沖器額定阻尼力強度通常比撞擊物略低的原則；其二，緩沖器阻尼力以某速度沖擊時不低于規(guī)定阻尼力的原則 [14]。根據(jù)上述原則，確定緩沖器的阻尼力為 7500N。 沖擊速度的確定 隨著車輛的提速、載荷的增加以及行駛路面的更加復(fù)雜，緩沖器工作的機會越來越多，對可靠性越來越高，沖擊速度是影響可靠性的重要指標。因此考慮 緩沖器在設(shè)計中，沖擊速度對性能的要求要與容量、阻尼力相匹配。 參考美國和俄羅斯的相關(guān)標準，參照我國鐵路緩沖技術(shù)要求，結(jié)合《機車車輛緩沖器通用技術(shù)條件》與《機車車輛緩沖器落錘和沖擊試驗方法》，普通貨車用膠泥緩沖器的沖擊速度不大于 。這里選擇膠泥緩沖器的沖擊速度為[14]。 行程的確定 緩沖器的行程既受到容量的影響，同時也受到在車體上安裝空間的限制。行程定為 50mm。 能量吸收率的確定 粘彈性膠泥材料引入緩沖、減振設(shè)備的主要目的是利用粘彈性材料的損耗特性將輸入 的振動能消耗掉一部分，減少輸出，從而達到良好地緩沖減振的目的。所以對于膠泥材料，感興趣的是單位時間內(nèi)耗散的能量。并且膠泥屬于粘彈性非牛頓流體，配方不同，材料的粘彈性就不同 [12]。 膠泥緩沖器的能量吸收率是緩沖器在一次沖擊中消耗的能量與接受的能量的比值，緩沖器吸收率的大小表示其衰減沖擊動能的能力。緩沖器的吸收率為阻尼耗能和彈性耗能之和與總能量的比值。一般是越大越好，城市軌道車用緩沖器吸收率以 80%左右為最佳值 [14]。 膠泥緩沖器參數(shù)要求： 緩沖器行程： 50 mm 最大動阻尼 力： 7500 N 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 共 44 頁 沖擊速度： ～ 2 m/s 能量吸收率： 70～ 80% 所以，根據(jù)單向緩沖器行程為 50 mm 的要求，選擇單出桿式的結(jié)構(gòu)形式。單出桿式的結(jié)構(gòu)形式和組合式產(chǎn)生阻尼的方式，要求本課題研究的膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)形式選擇為如圖 27 所示。 圖 27膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)形式 膠泥緩沖器的工作原理 膠泥緩沖器主要由活塞和活塞桿、缸蓋、缸體、充料閥等組成，將彈性膠泥裝入密閉容器中，根據(jù)需要使之產(chǎn)生一定的預(yù)壓力。 其工作過程分為壓縮階段和恢復(fù)原階段：當活塞柱受到的外壓力小于預(yù)壓力時，活塞柱靜止不動；當外壓力大于預(yù)壓力時，活塞柱向容器內(nèi)移動，部份活塞柱進入容器內(nèi)，此時彈性膠泥被壓縮，體積縮小，并對活塞柱產(chǎn)生一定反作用力，直至與外壓力相等，在這一過程中由于活塞的環(huán)形間隙 (或節(jié)流孔 )的節(jié)流作用和彈性膠泥材料的壓縮變形吸收沖擊能量，摩擦部 分將沖擊能量的部份以摩擦熱和彈性體組成阻尼耗能的形式消耗掉，彈性膠泥接收部分外力動能并轉(zhuǎn)化為膠泥的彈性勢能；剩余部份則轉(zhuǎn)化為彈性體組成的彈性勢能；由于膠泥材料的特性，當彈性膠泥的預(yù)壓力和活塞的運動速度越大，阻抗也就越大，這有利于提高緩沖器在大沖擊下的容量，即沖擊越大，緩沖器的容量就越大；沖擊小，緩沖器的容量就越小。在恢復(fù)階段中，彈性體組成將所吸收的能量釋放出來，其中一部分又以中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 共 44 頁 摩擦熱和彈性體組成阻尼耗能的形式散失掉，當外力減小或撤消后，彈性膠泥自行體積膨脹，將活塞推回原位。在這個過程中彈性膠泥材料以較慢的速度 通過活塞的環(huán)形間隙 (或節(jié)流孔 )流回原位，實現(xiàn)緩沖器的回程動作。緩沖器性能是否優(yōu)良，主要看性能參數(shù)是否與車輛的使用要求相匹配，能否最大限度地降低車輛垂直方向上的加速度和動行程 [1]。 缸體的建模及分析 缸體的數(shù)據(jù)及實物圖 缸體數(shù)據(jù)： 缸體外徑： Do＝ 60mm， 器缸體的厚度δ＝ ， 缸體的總長度 l=140mm 缸體實物圖 對缸體建模 由于缸體的結(jié)構(gòu)比較簡單，所以其建模也比較簡單。 打開 ANSYS 軟件，新建文件并將其命名為 。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 共 44 頁 圖 GUI: Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions 圖 圖 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 共 44 頁 圖 GUI： Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansSubtractVolumes 運用布爾運算，先選取大圓柱，單擊“ OK”，再選取小圓柱單擊“ OK”，就可得到缸體模型。 定義材料常數(shù) 材料特性設(shè)置： GUI： Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Model,在定義材料特性對話框的 Material Model Avaliable 欄內(nèi)先后雙擊“ Strutural”、中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 共 44 頁 “ Linear”、“ Elastic”、“ Iisotropic”，彈出輸入框。輸入 EX的值為 ，PRXY 的值為 ，按“ OK”設(shè)置材料屬性，如圖 所示。 圖 劃分單元 （ 1） 定義單元類型 GUI： Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 選取 Add，增加單元類型。選取 Structural Solid 單元系列中的單元，如圖 所示，并按“ OK”關(guān)閉對話框。 圖 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 共 44 頁 （ 2）劃分網(wǎng)格 GUI： Main MenuPreprocessorMesh Tool，彈出的對話框如圖 所示。選取智能網(wǎng)格劃分，移動滾動條，將其顯示數(shù)字調(diào)整