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 彈性膠泥緩沖器的新研究及特性分析

志 輝

    1  彈性膠泥緩沖器的構(gòu)成

一般情況下彈性膠泥緩沖器包括活塞缸、活塞桿、缸蓋、活塞、缸體、密封圈，本設(shè)計(jì)另外增加了柱塞缸和彈簧，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖l所示。通過(guò)將彈性膠泥和彈簧聯(lián)合使用，使緩沖器的阻尼力和回復(fù)速度得以進(jìn)一步提升。彈性膠泥緩沖器一方面依靠彈性硅膠泥的阻尼高、儲(chǔ)存彈性勢(shì)能好、處于固液狀態(tài)的膠泥流動(dòng)性好以及體積可以壓縮的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)緩沖的目的；另一方面彈簧也吸收部分動(dòng)能，一部分轉(zhuǎn)化為熱能消失，另一部分作為彈性勢(shì)能儲(chǔ)存在了彈簧里。

2  彈性膠泥緩沖器的工作原理

    把膠泥注滿活塞缸，并使其具有一定的預(yù)壓力，當(dāng)活塞桿受外力作用時(shí)，活塞向里推進(jìn)，當(dāng)外力大于預(yù)壓力時(shí)，活塞缸里的膠泥被壓縮，膠泥通過(guò)活塞上的小孔以及缸壁和活塞的環(huán)形間隙向另一側(cè)流動(dòng)，這一過(guò)程中發(fā)生的摩擦力以及膠泥本身的內(nèi)在運(yùn)動(dòng)都要消耗部分動(dòng)能，同時(shí)活塞桿也壓縮彈簧，也要消耗動(dòng)能，都阻礙著活塞向后的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外力變小或者消失后，活塞缸里壓縮的膠泥要恢復(fù)原來(lái)的體積且彈簧里儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能釋放，推動(dòng)活塞以及活塞桿向外運(yùn)動(dòng)，使其恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。

3  彈性膠泥緩沖器的特性分析

3.1  彈性膠泥阻尼力的分析

本設(shè)計(jì)的膠泥緩沖器阻尼力主要涉及環(huán)形縫隙和細(xì)長(zhǎng)小孔兩個(gè)方面。從前面的敘述我們知道，膠泥是一種剪切稀化流體，其本構(gòu)關(guān)系為：

    下面就環(huán)形縫隙和細(xì)長(zhǎng)小孔這兩個(gè)方面進(jìn)行討論。

    (1)環(huán)形縫隙：環(huán)形間隙可以看作是長(zhǎng)、寬、平行板間隙分別為L、b、h（L以及b都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于h）的兩平行板，此時(shí)流體一般按層流來(lái)進(jìn)行分析。膠泥流過(guò)縫隙時(shí)，兩板間流動(dòng)的膠泥視作是壓差和剪切流的合成，這時(shí)可以分別計(jì)算壓差流和剪切流，然后再合成二者，得到最終通過(guò)縫隙的流量。

    壓差流是僅由于活塞兩端存在壓差而引起的流動(dòng)，此時(shí)的流量為：

   剪切流是僅由活塞和缸壁間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的流體流動(dòng)，從剪切流的特點(diǎn)分析得到剪切流流量為：

其中：υ為活塞的運(yùn)動(dòng)速度。故縫隙的流量為：

(2)細(xì)長(zhǎng)小孔：活塞上的小孔長(zhǎng)為L、直徑為d₀，若L/d₀>4．則小孔被稱為細(xì)長(zhǎng)孔，此時(shí)流體為層流，流過(guò)a個(gè)細(xì)長(zhǎng)孔的冪律流體的流量為：

  由此可得進(jìn)程中全部的流量為：

本設(shè)計(jì)將膠泥緩沖器中的圓柱形縫隙看作為兩平行板間的縫隙，如圖2所示。其中，D為活塞缸的內(nèi)徑，D₀為活塞直徑，h為環(huán)形間隙的大小。則環(huán)隙中層的節(jié)圓半徑，活塞周長(zhǎng)（相當(dāng)于平行板的寬度）。將b代入式(8)可得：

進(jìn)程中通過(guò)活塞的全部流量為：

其中：d為活塞桿的直徑。由式(9)和式(10)可得：

則彈性膠泥緩沖器的阻尼力為：

其中：S為活塞的面積，S=π（D²-d²）/4。則：

    設(shè)活塞缸內(nèi)徑D=62 mm，活塞直徑D₀ =58 mm，活塞桿直徑d=40 mm，活塞厚度L=30 mm，小孔直徑d₀=3 mm，小孔個(gè)數(shù)a=9，流動(dòng)指數(shù)n=0.4，膠泥稠度系數(shù)k=0.4，活塞的運(yùn)動(dòng)速度υ=3 m/s，環(huán)形縫隙h=4 mm，彈簧的勁度系數(shù)K=10 000 N／m，彈簧初始長(zhǎng)度L₀ =80 mm。

只改變活塞的速度υ，其他參數(shù)保持固定數(shù)值時(shí)，將式(13)和有關(guān)參數(shù)代入MATLAB中，得到如圖3所示的活塞速度和阻尼力關(guān)系曲線。由圖3可知，隨著活塞速度的提升，阻尼力也在迅速增加，尤其在速度小于0.5 m／s時(shí)，阻尼力明顯上升，但是隨著速度的再增加．阻尼力增加趨于平緩狀態(tài)，這樣緩沖器就能降低最大緩沖量。

    只改變活塞上的小孔直徑d0，其他參數(shù)保持固定數(shù)值時(shí)，將式(13)和有關(guān)參數(shù)代入MATLAB中，得到如圖4所示的活塞孔直徑與阻尼力關(guān)系曲線。由圖4可知，隨著小孔直徑的增加，阻尼力在減小，當(dāng)小孔的直徑d₀>4.5 mm時(shí)，阻尼力幾乎呈直線下降，因此活

塞上的小孔直徑要適當(dāng)。

只改變環(huán)形間隙h，其他參數(shù)保持固定數(shù)值時(shí)，將式(13)和有關(guān)參數(shù)代入MATLAB中，得到如圖5所示的環(huán)形間隙與阻尼力關(guān)系曲線。從圖5可知，增大環(huán)形間隙，阻尼力迅速減小，幾乎呈線性減小，當(dāng)h>5 mm時(shí)，阻尼力幾乎變?yōu)榱�，因此要適當(dāng)控制環(huán)形間隙的大小。

3.2  彈簧回復(fù)力的分析

本設(shè)計(jì)的回復(fù)力主要以彈性勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在彈簧中，彈簧形變量與彈性勢(shì)能的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

彈簧長(zhǎng)度和彈性勢(shì)能的關(guān)系表達(dá)式為：

其中：L₁為彈簧壓縮后的長(zhǎng)度。根據(jù)表1擬合出彈簧形變量與其儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能之間的關(guān)系圖，如圖6所示。從圖6中可以看出，隨著彈簧釋放彈性勢(shì)能，彈簧恢復(fù)到了初始狀態(tài)，也意味著活塞桿的位置回到了初始狀態(tài)。

4結(jié)束語(yǔ)

目前彈性膠泥緩沖器在我國(guó)的研發(fā)雖然處于低層次狀況，但是它本身具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，決定了其市場(chǎng)一片光明。本文運(yùn)用控制變量法分析了彈性膠泥緩沖器阻尼力的影響參數(shù)，并運(yùn)用彈簧回復(fù)速度快的特點(diǎn)，將彈簧和彈性膠泥相結(jié)合，更深層次地挖掘彈性膠泥緩沖器的潛力。

5評(píng)述：

闡述了把膠泥和彈簧相結(jié)合應(yīng)用在彈性膠泥緩沖器中的工作原理，并運(yùn)用數(shù)學(xué)建模的方式，分析了膠泥緩沖器阻尼‘力和回復(fù)力2個(gè)特性。