起重機彈簧-橡膠復合緩沖元件緩沖性能研究

王開亞，羅 京，孟 春

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

緩沖器是起重機上常用的一種安全裝置。它的作用是用來吸收起重機大車或小車運動到終點與軌端擋板相撞時，或兩臺起重機碰撞時的能量，達到減緩沖擊、安全停車的目的。緩沖元件是緩沖器的核心，其性能直接影響緩沖效果。基本緩沖元件有彈簧、橡膠、液壓和聚酯類[1-2]，近年來出現了多種形式的2種緩沖材料組成的復合式緩沖器。目前，彈簧-橡膠組成的復合緩沖元件有2種組合形式[3]，一種是串聯結構，即首先壓縮彈簧然后再壓縮橡膠以改善緩沖性能；另一種是并聯結構，即利用彈簧再壓縮過程中與橡膠間的摩擦力增加緩沖容量。

本文設計了一種彈簧-橡膠新型的組合形式，并對該種復合緩沖元件進行了緩沖性能的實驗研究。

1 材料與方法

1.1 緩沖元件

緩沖元件為彈簧與橡膠的復合，復合方式為橡膠以膠粘的方式包裹于彈簧鋼絲外面，形成彈簧與橡膠的串-并聯復合緩沖元件。

為研究彈簧-橡膠復合緩從元件的緩沖性能，選取了不同種類、不同硬度和不同厚度的橡膠與彈簧組成復合元件，形成7個復合緩沖元件。此外，為研究緩沖性能，對彈簧緩沖元件進行了單獨實驗。這樣，總計形成8個實驗緩沖元件。

彈簧材料為碳素彈簧鋼，鋼絲直徑8 mm，彈簧中經60 mm，單圈剛度30.48N/mm，節距18.3 mm。橡膠選用了3種不同類型、4個不同硬度值、2個不同厚度，其具體參數見表1。

表1 橡膠材料的相關參數

1.2 實驗方法

利用珠海三思計量儀器有限公司生產的高性能智能電子萬能實驗機，對彈簧-橡膠復合緩沖元件進行落錘式沖擊實驗。緩沖元件的緩沖力由力傳感器可以測出，位移由位移傳感器測出。

1.3 數據分析

采用Matlab圖像擬合及公式擬合方法對每次測得的數據進行擬合，得出緩沖元件的緩沖容量F-S曲線，并擬合出曲線方程，通過積分的方法求出緩沖元件的緩沖容量。計算緩沖元件性能評價指標緩沖效率和衰減系數[4]。

緩沖容量的計算：緩沖容量=壓縮曲線與X軸所圍面積-回復曲線與X軸所圍面積(N·m)。

緩沖效率的計算：緩沖效率=100×壓縮曲線與X軸所圍面積/最大緩沖力與緩沖行程構成的長方形面積(%)。

衰減系數的計算：衰減系數=100×緩沖容量/壓縮曲線與X軸所圍面積(%)。

2 結果與分析

2.1 緩沖曲線與緩沖容量

緩沖曲線主要由壓縮曲線與回復曲線組成，壓縮曲線與回復曲線的面積即為該緩沖元件的緩沖容量。緩沖元件A～H的緩沖曲線如圖1～圖8所示。

緩沖元件從A～H，最大緩沖力分別為10.54、14.48、19.23、16.08、10.07、9.66、9.77、1.57KN。可見，彈簧-橡膠復合緩沖元件的最大緩沖力遠大于彈簧緩沖元件的緩沖力，其值是其的10倍左右。

圖1 緩沖元件A的緩沖曲線

圖2 緩沖元件B的緩沖曲線

圖3 緩沖元件C的緩沖曲線

圖4 緩沖元件D的緩沖曲線

圖5 緩沖元件E的緩沖曲線圖

圖6 緩沖元件F的緩沖曲線

圖7 緩沖元件G的緩沖曲線圖

圖8 緩沖元件H的緩沖曲線圖

單純的彈簧緩沖元件在壓縮與恢復階段其應力-應變遵守胡克定律，因此，其緩沖曲線基本上是接近重合的兩條直線(如圖8所示)。彈簧-橡膠復合緩沖元件的壓縮和回復過程均表現出兩階段特性(如圖1～圖7所示)。壓縮階段，隨著壓縮行程的增加，緩沖力遵循胡克定律線形增加；當橡膠開始被壓縮后，彈簧-橡膠共同作用，使得緩沖力基本呈二次函數曲線形態快速增加，這與橡膠材料單獨作為緩沖元件的實驗分析特點相似[5-6]，但由于有彈簧的復合作用，使曲線變得更陡。回復階段，由于橡膠材料應變回復的滯后性特點[7]，使得回復階段初期表現出了較小的應變及產生較大的回復力變化，即回復力快速下降；當橡膠完全恢復應變后，彈簧則再次以胡克定律的原則線形回復，此階段的回復曲線與壓縮曲線基本重合[8]。

由于橡膠材料應變回復的滯后性和應變時產生的內摩擦，吸收了緩沖能量，因此彈簧-橡膠復合緩沖元件表現出了較好的緩沖性能，即壓縮曲線與回復曲線包圍了一定的面積，具有一定的緩沖容量。而緩沖容量的大小則與橡膠的種類與規格有關。

由表2可以看出，硬度大則緩沖容量大；相同硬度時，厚度越大，緩沖容量越大。產生這一結果的原因是，橡膠硬度越大，其彈性模量越大，壓縮單位厚度的橡膠所需的壓縮力就越大；在恢復過程中，其回復滯后性也與硬度正相關。橡膠厚度在壓縮與回復過程中有助于增加壓縮力與恢復滯后性。

表2 彈簧-橡膠復合式緩沖元件的緩沖容量

2.2 緩沖性能評價

彈簧緩沖元件的緩沖效率為43.3%(表3)；彈簧-橡膠復合緩沖元件的緩沖效率介于11.3%～16.5%(表3)，最大值發生在E緩沖元件。彈簧緩沖元件緩沖效率大于彈簧-橡膠復合緩沖元件緩沖效率2.6～3.8倍。

表3 緩沖元件緩沖效率與衰減系數

彈簧緩沖元件的衰減系數為2.4%(表3)；彈簧-橡膠復合緩沖元件的衰減系數介于32.3%～65.85%(表3)，最大值發生在C緩沖元件。彈簧-橡膠復合緩沖元件衰減系數大于彈簧緩沖元件衰減系數13.5～27.5倍。橡膠緩沖器的衰減系數一般為30%～50%[3]，本試驗中，A、E、F和G 緩沖元件的緩沖系數介于此區間，B、C和D緩沖元件的衰減系數則此區間，表明，從衰減系數上看，彈簧-橡膠復合緩沖元件的緩沖性能優于橡膠緩沖元件。

3 結 論

本文提出了一種用于起重機的新型緩沖元件：彈簧-橡膠復合緩沖元件。通過對不同緩沖元件的性能試驗得出如下結論：

(1)彈簧-橡膠復合緩沖元件集成了彈簧與橡膠用于緩沖材料的優點，較彈簧緩沖元件大幅度提高了最大緩沖力和緩沖容量。

(2)雖然彈簧-橡膠復合緩沖元件的緩沖效率低于彈簧緩沖元件的緩沖效率，但其衰減系數卻遠遠大于彈簧緩沖元件；彈簧-橡膠復合緩沖元件的衰減系數略高于橡膠緩沖元件的衰減系數；綜合考慮最大緩沖力及緩沖容量，彈簧-橡膠復合緩沖元件的緩沖性能優于彈簧緩沖元件。

(3)橡膠種類和厚度是影響彈簧-橡膠復合緩沖元件緩沖性能的兩個主要因素。彈簧-天然橡膠的緩沖效率略小于彈簧-硅橡膠，但彈簧-天然橡膠的衰減系數卻大于彈簧-硅橡膠；同種橡膠組成的彈簧-橡膠復合緩緩沖元件緩沖效率與橡膠硬度的相關性不大，而緩沖容量和衰減系數卻與橡膠硬度正相關；當硬度相同時，緩沖容量、緩沖效率、衰減系數與橡膠厚度正相關。

【參 考 文 獻】

[1]成尖銳.門式起重機碰撞緩沖器的選型與設計計算[J].鐵道貨物，2009(2)：45-45.

[2]趙建林.幾種起重機用緩沖器的性能比較與實際應用[J].工業安全與防塵，1998(11)：22-24.

[3]徐洪澤.起重機用緩沖器及容量計算[J].起重輸送機械，1990(8)：22-27.

[4]張利平，秦冀廣.緩沖器原理與應用[J].現代機械，1999(1)：49-51.

[5]桑建兵，邢素芳，劉 波，等.橡膠緩沖器及其接觸分析[J].河北工業大學學報，2006，35(1)：21-24.

[6]顧吉豐.橡膠緩沖器設計與性能試驗[J].電子機械工程，2009，25(1)：45-48.

[7]姜其斌，賈德民，楊 軍，等.橡膠材料在減震器中的應用[J].橡膠工業，2004，51(2)：114-119.

[8]薛 偉，萬 雷.橋式起重機吊重偏擺系統的動力學仿真[J].森林工程，2014，30(3)：94-97.