起重机弹簧-橡胶复合缓冲元件缓冲性能研究

王开亚，罗 京，孟 春

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

缓冲器是起重机上常用的一种安全装置。它的作用是用来吸收起重机大车或小车运动到终点与轨端挡板相撞时，或两台起重机碰撞时的能量，达到减缓冲击、安全停车的目的。缓冲元件是缓冲器的核心，其性能直接影响缓冲效果。基本缓冲元件有弹簧、橡胶、液压和聚酯类[1-2]，近年来出现了多种形式的2种缓冲材料组成的复合式缓冲器。目前，弹簧-橡胶组成的复合缓冲元件有2种组合形式[3]，一种是串联结构，即首先压缩弹簧然后再压缩橡胶以改善缓冲性能；另一种是并联结构，即利用弹簧再压缩过程中与橡胶间的摩擦力增加缓冲容量。

本文设计了一种弹簧-橡胶新型的组合形式，并对该种复合缓冲元件进行了缓冲性能的实验研究。

1 材料与方法

1.1 缓冲元件

缓冲元件为弹簧与橡胶的复合，复合方式为橡胶以胶粘的方式包裹于弹簧钢丝外面，形成弹簧与橡胶的串-并联复合缓冲元件。

为研究弹簧-橡胶复合缓从元件的缓冲性能，选取了不同种类、不同硬度和不同厚度的橡胶与弹簧组成复合元件，形成7个复合缓冲元件。此外，为研究缓冲性能，对弹簧缓冲元件进行了单独实验。这样，总计形成8个实验缓冲元件。

弹簧材料为碳素弹簧钢，钢丝直径8 mm，弹簧中经60 mm，单圈刚度30.48N/mm，节距18.3 mm。橡胶选用了3种不同类型、4个不同硬度值、2个不同厚度，其具体参数见表1。

表1 橡胶材料的相关参数

1.2 实验方法

利用珠海三思计量仪器有限公司生产的高性能智能电子万能实验机，对弹簧-橡胶复合缓冲元件进行落锤式冲击实验。缓冲元件的缓冲力由力传感器可以测出，位移由位移传感器测出。

1.3 数据分析

采用Matlab图像拟合及公式拟合方法对每次测得的数据进行拟合，得出缓冲元件的缓冲容量F-S曲线，并拟合出曲线方程，通过积分的方法求出缓冲元件的缓冲容量。计算缓冲元件性能评价指标缓冲效率和衰减系数[4]。

缓冲容量的计算：缓冲容量=压缩曲线与X轴所围面积-回复曲线与X轴所围面积(N·m)。

缓冲效率的计算：缓冲效率=100×压缩曲线与X轴所围面积/最大缓冲力与缓冲行程构成的长方形面积(%)。

衰减系数的计算：衰减系数=100×缓冲容量/压缩曲线与X轴所围面积(%)。

2 结果与分析

2.1 缓冲曲线与缓冲容量

缓冲曲线主要由压缩曲线与回复曲线组成，压缩曲线与回复曲线的面积即为该缓冲元件的缓冲容量。缓冲元件A～H的缓冲曲线如图1～图8所示。

缓冲元件从A～H，最大缓冲力分别为10.54、14.48、19.23、16.08、10.07、9.66、9.77、1.57KN。可见，弹簧-橡胶复合缓冲元件的最大缓冲力远大于弹簧缓冲元件的缓冲力，其值是其的10倍左右。

图1 缓冲元件A的缓冲曲线

图2 缓冲元件B的缓冲曲线

图3 缓冲元件C的缓冲曲线

图4 缓冲元件D的缓冲曲线

图5 缓冲元件E的缓冲曲线图

图6 缓冲元件F的缓冲曲线

图7 缓冲元件G的缓冲曲线图

图8 缓冲元件H的缓冲曲线图

单纯的弹簧缓冲元件在压缩与恢复阶段其应力-应变遵守胡克定律，因此，其缓冲曲线基本上是接近重合的两条直线(如图8所示)。弹簧-橡胶复合缓冲元件的压缩和回复过程均表现出两阶段特性(如图1～图7所示)。压缩阶段，随着压缩行程的增加，缓冲力遵循胡克定律线形增加；当橡胶开始被压缩后，弹簧-橡胶共同作用，使得缓冲力基本呈二次函数曲线形态快速增加，这与橡胶材料单独作为缓冲元件的实验分析特点相似[5-6]，但由于有弹簧的复合作用，使曲线变得更陡。回复阶段，由于橡胶材料应变回复的滞后性特点[7]，使得回复阶段初期表现出了较小的应变及产生较大的回复力变化，即回复力快速下降；当橡胶完全恢复应变后，弹簧则再次以胡克定律的原则线形回复，此阶段的回复曲线与压缩曲线基本重合[8]。

由于橡胶材料应变回复的滞后性和应变时产生的内摩擦，吸收了缓冲能量，因此弹簧-橡胶复合缓冲元件表现出了较好的缓冲性能，即压缩曲线与回复曲线包围了一定的面积，具有一定的缓冲容量。而缓冲容量的大小则与橡胶的种类与规格有关。

由表2可以看出，硬度大则缓冲容量大；相同硬度时，厚度越大，缓冲容量越大。产生这一结果的原因是，橡胶硬度越大，其弹性模量越大，压缩单位厚度的橡胶所需的压缩力就越大；在恢复过程中，其回复滞后性也与硬度正相关。橡胶厚度在压缩与回复过程中有助于增加压缩力与恢复滞后性。

表2 弹簧-橡胶复合式缓冲元件的缓冲容量

2.2 缓冲性能评价

弹簧缓冲元件的缓冲效率为43.3%(表3)；弹簧-橡胶复合缓冲元件的缓冲效率介于11.3%～16.5%(表3)，最大值发生在E缓冲元件。弹簧缓冲元件缓冲效率大于弹簧-橡胶复合缓冲元件缓冲效率2.6～3.8倍。

表3 缓冲元件缓冲效率与衰减系数

弹簧缓冲元件的衰减系数为2.4%(表3)；弹簧-橡胶复合缓冲元件的衰减系数介于32.3%～65.85%(表3)，最大值发生在C缓冲元件。弹簧-橡胶复合缓冲元件衰减系数大于弹簧缓冲元件衰减系数13.5～27.5倍。橡胶缓冲器的衰减系数一般为30%～50%[3]，本试验中，A、E、F和G 缓冲元件的缓冲系数介于此区间，B、C和D缓冲元件的衰减系数则此区间，表明，从衰减系数上看，弹簧-橡胶复合缓冲元件的缓冲性能优于橡胶缓冲元件。

3 结 论

本文提出了一种用于起重机的新型缓冲元件：弹簧-橡胶复合缓冲元件。通过对不同缓冲元件的性能试验得出如下结论：

(1)弹簧-橡胶复合缓冲元件集成了弹簧与橡胶用于缓冲材料的优点，较弹簧缓冲元件大幅度提高了最大缓冲力和缓冲容量。

(2)虽然弹簧-橡胶复合缓冲元件的缓冲效率低于弹簧缓冲元件的缓冲效率，但其衰减系数却远远大于弹簧缓冲元件；弹簧-橡胶复合缓冲元件的衰减系数略高于橡胶缓冲元件的衰减系数；综合考虑最大缓冲力及缓冲容量，弹簧-橡胶复合缓冲元件的缓冲性能优于弹簧缓冲元件。

(3)橡胶种类和厚度是影响弹簧-橡胶复合缓冲元件缓冲性能的两个主要因素。弹簧-天然橡胶的缓冲效率略小于弹簧-硅橡胶，但弹簧-天然橡胶的衰减系数却大于弹簧-硅橡胶；同种橡胶组成的弹簧-橡胶复合缓缓冲元件缓冲效率与橡胶硬度的相关性不大，而缓冲容量和衰减系数却与橡胶硬度正相关；当硬度相同时，缓冲容量、缓冲效率、衰减系数与橡胶厚度正相关。

【参 考 文 献】

[1]成尖锐.门式起重机碰撞缓冲器的选型与设计计算[J].铁道货物，2009(2)：45-45.

[2]赵建林.几种起重机用缓冲器的性能比较与实际应用[J].工业安全与防尘，1998(11)：22-24.

[3]徐洪泽.起重机用缓冲器及容量计算[J].起重输送机械，1990(8)：22-27.

[4]张利平，秦冀广.缓冲器原理与应用[J].现代机械，1999(1)：49-51.

[5]桑建兵，邢素芳，刘 波，等.橡胶缓冲器及其接触分析[J].河北工业大学学报，2006，35(1)：21-24.

[6]顾吉丰.橡胶缓冲器设计与性能试验[J].电子机械工程，2009，25(1)：45-48.

[7]姜其斌，贾德民，杨 军，等.橡胶材料在减震器中的应用[J].橡胶工业，2004，51(2)：114-119.

[8]薛 伟，万 雷.桥式起重机吊重偏摆系统的动力学仿真[J].森林工程，2014，30(3)：94-97.