Характеристики жесткости сильфона корда

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3377 (2023) Цитировать эту статью

626 Доступов

Подробности о метриках

Конструкция сильфона пневматической рессоры может постоянно усиливаться, чтобы справляться со сложными условиями работы, но она оказывает все более сильное влияние на характеристики жесткости пневматической рессоры. Однако не существует эффективного способа параметризованного решения жесткости сильфона пневматической рессоры. В данной работе с помощью прецизионного метода матрицы переноса проанализированы характеристики жесткости сильфона армированной кордом пневморессоры с формированием намотки в условиях предварительного натяга. Теория тонкой оболочки использовалась для расчета предварительного напряжения сильфона пневматической рессоры в условиях предварительной нагрузки. Предварительное напряжение было введено в уравнение равновесия сильфона. На основе геометрических и физических уравнений сильфона со сложными характеристиками намотки корда был использован метод точного интегрирования для построения передаточной матрицы сильфона пневматической пружины в условиях предварительного натяга. Вектор состояния сильфона пневморессоры решался через граничные условия. Итерационный метод был использован для разработки выражения для характеристик жесткости сильфона и в сочетании с теоретической моделью пневматической жесткости для решения характеристик жесткости пневматической рессоры. Сравнение с результатами испытаний прототипа подтвердило обоснованность и правильность теоретической модели. На этой основе мы исследовали влияние условий предварительной нагрузки, геометрической структуры и характеристик материала на характеристики жесткости пневматической рессоры. Результаты исследования станут важным руководством для проектирования конструкции и выбора материала пневматических рессор, армированных кордом, с намоткой.

Пневматическая пружина опирается на жесткость и демпфирующие характеристики сжатого воздуха, чтобы изолировать вибрацию и удары оборудования. В качестве виброизолятора он широко применяется в транспортных средствах и судах для снижения вибрации и шума1,2,3,4,5. По сравнению с транспортными средствами судно имеет ограниченное пространство для установки пневморессоры и требует большей несущей способности. Следовательно, пневморессора для виброизоляции сосуда должна иметь малые размеры и большую нагрузку. Рабочее давление воздуха пневматической пружины в резервуаре часто превышает давление воздуха в пневматической пружине общего применения. Чтобы гарантировать надежность пневматической рессоры при высоком внутреннем давлении или других суровых условиях, каркасный слой корда ее сильфона должен быть изготовлен из корда более высокой прочности и содержать больше слоев корда, чем обычные пневматические рессоры.

Принято считать, что вертикальная жесткость пневморессоры зависит от силы реакции, создаваемой сжатым воздухом, содержащимся в пневморессоре, при ее вертикальной деформации. Сильфоны оказывают незначительное влияние на характеристики вертикальной жесткости пневматической рессоры. В упрощенной аналитической модели характеристик жесткости пневматической рессоры влияние ее сильфона даже игнорировалось6,7. К пневморессоре предъявляются возрастающие требования к ее надежности, поэтому ее сильфонную конструкцию приходится постоянно усиливать, оказывая все большее влияние на жесткостные характеристики пневморессоры. Таким образом, жесткость сильфона больше не следует игнорировать, и она может даже стать преобладающим компонентом характеристик жесткости после превышения пневматической жесткости.

Сильфоны пневморессоры изготовлены из композитов с каучуковой матрицей, армированных кордом. Его механическую модель очень сложно построить из-за его анизотропии. По этой причине исследования в основном были сосредоточены на пневматической жесткости в механической модели параметризации пневматической пружины8,9,10,11. Механическая модель сильфона пневматической рессоры часто анализируется с использованием эквивалентной модели или модели конечных элементов. Эффективной параметризованной модели сильфона пневматической рессоры пока не создано. Например, Эрин и Уилсон проанализировали характеристики жесткости пневматической рессоры, моделируя нелинейные характеристики ее сильфона посредством параллельного соединения линейной пружины, демпфера и гистерезисного демпфера12. Чен и др. предложил модель жесткости пневматической рессоры, включающую модель прогнозирования структурных параметров и модель резинового сильфона. Модель резинового сильфона представляла собой нелинейную эквивалентную модель, состоящую из дробной модели Кельвина-Фойгта и модели плавного трения13. Чжу и др. построил универсальную модель жесткости пневматической пружины, приняв во внимание вклад внутренней пневматической термодинамики, а также трение резины и вязкоупругие эффекты сильфонной резины. Сохраняя модель плавного трения, разработанную Бергом, они получили стандартное отклонение возбуждения смещения с помощью статистики, а затем определили параметры модели трения14,15,16. Ши и др.17 построили модель конечных элементов пневматической рессоры и применили метод анализа чувствительности для изучения влияния геометрических параметров на характеристики жесткости пневматической рессоры. Вонг и др.18 использовали программное обеспечение ABAQUS для описания нелинейных характеристик сильфона в секции арматуры и построили модель конечных элементов для пневматической рессоры. На основе этого они проанализировали, как на механические характеристики пневматической пружины влияют угол намотки шнура, эффективный радиус и начальное внутреннее давление.