基于金属螺旋弹簧的大承载隔振器设计及样件试验

摘要

振动与噪声问题不管是在工业生产还是日常生活中都越来越得到重视，而安装隔振器是振动控制的主要手段之一。如今随着科学技术的发展以及生产需求的提高，动力设备正向高速化、大型化的趋势发展，对隔振器的承载性能也有了越来越高的需求。目前隔振器种类较多，不同种类间性能差异较大，但具备大承载、小尺寸、长寿命并且适应复杂环境等优点的高性能隔振器仍待进一步研发。本文就某泵类动力设备的实际隔振需求，设计并研制了一种具有大承载特征的新型隔振器。其研究成果可为大型设备的隔振器选用提供新的参考，其研究思路可为尺寸受限的高承载性能隔振器设计提供科学指导。论文主要工作和结论如下：　　(1)调研了常见隔振器的应用现状，开展了金属螺旋弹簧隔振技术及螺旋弹簧优化设计两方面综述，引出了研究目标及设计方法。依据隔振设计原理，针对某泵类动力设备隔振参数得到了设计指标，确定了基于金属螺旋弹簧的大承载隔振器功能结构。　　(2)隔振弹簧以组合弹簧的基本形式，基于序列二次规划法(SQP)进行了以承载为目标的优化设计，经过排布和参数优化后最大承载由37.9t增加到50t，提升幅度为32%，可见该优化方法是十分可靠的。建立了弹簧有限元模型，进行了刚度性能和安全强度的分析，开展了隔振弹簧样件的刚度试验，从仿真计算到试验结果，充分说明优化设计的有效性和工程试制的一致性。　　(3)利用经验公式法对橡胶阻尼支座进行了结构设计与优化，依据优化方案开展了基于Mooney-Rivlin超弹性模型的有限元计算，优化后的刚度性能有了明显改善，且与橡胶支座的试验结果较为一致。建立了支座串联弹簧作用下的有限元模型，进行了动/静刚度分析得到了隔振器的整体刚度性能，并开展了支座串联下的刚度试验，试验结果符合设计预期。　　(4)对大承载隔振器进行了包括上下安装壳体的结构设计，建立了整体的有限元模型并进行了性能分析，最后开展了样件试验。刚度性能分析显示，轴向静刚度kv=14.99kN/mm，径向静刚度kr=10.12kN/mm，满足隔振性能需求；安全强度分析显示，各结构的危险应力值均在所选材料强度范围之内，能保证最大工作载荷下的安全隔振；隔振效果分析显示，隔振系统的主频为3.7Hz，符合隔振设计原理，隔振效果较好；承载与刚度性能试验显示，最大工作载荷作用下隔振器仍处于弹性变形区间，满足大承载需求，轴向刚度与径向刚度随载荷增加而逐渐增加，工作载荷下轴向刚度增至15.5kN/mm，径向刚度增至11.5kN/mm，满足设计指标。

目录

声明

第1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 常见隔振器的应用现状

1.2.1 金属类隔振器

1.2.2 橡胶隔振器

1.2.3 空气弹簧隔振器

1.2.4 大承载隔振器的方案选取

1.3 国内外研究现状

1.3.1 金属螺旋弹簧隔振技术研究现状

1.3.2 螺旋弹簧优化设计研究现状

1.4 本文研究思路及内容

1.5 本章小结

第2 章隔振设计原理

2.1.1 隔振分类

2.1.2 隔振原理

2.1.3 隔振评价

2.2.1 设计准则

2.2.2 设计须知

2.2.3 设计流程

2.4.1 目标设备的隔振设计

2.4.2 大承载隔振器的功能结构

2.5 本章小结

第3 章隔振弹簧组的大承载优化设计

3.1.1 螺旋弹簧的基本理论

3.1.2 螺旋弹簧的设计流程

3.1.3 组合弹簧的设计准则

3.2 SQP优化原理及应用

3.3.1 隔振弹簧的设计要求

3.3.2 不同排布方案的说明

3.3.3 排布优化的约束条件

3.3.4 弹簧排布的最优方案

3.4 隔振弹簧参数的优化设计

3.4.1 参数优化的变量选取与约束条件

3.4.2 弹簧参数的优化结果

3.4.3 隔振弹簧的最优设计方案

3.5.1 隔振弹簧的有限元建模

3.5.2 刚度性能的分析验证

3.5.3 安全强度的分析验证

3.6.1 试验设备与方法

3.6.2 隔振弹簧的刚度性能

3.7 本章小结

第4 章橡胶阻尼支座的设计分析

4.1.1 超弹性本构模型介绍

4.1.2 Mooney-Rivlin模型的参数选取

4.2 橡胶支座的结构设计

4.2.1 基于经验公式的橡胶层设计

4.2.2 橡胶支座的结构优化

4.2.3 橡胶支座的有限元分析与试验

4.3.1 静刚度分析

4.3.2 动刚度分析

4.3.3 支座串联下的刚度试验

4.4 本章小结

第5 章大承载隔振器的性能分析及样件试验

5.1.1 隔振器整体结构示意

5.1.2 隔振器整体的有限元建模

5.1.3 刚度性能分析

5.1.4 安全强度分析

5.1 5 隔振效果分析

5.2.1 试验设备与方法

5.2.2 隔振器的承载与刚度性能

5.3 本章小结

结论与展望

隔振弹簧组

橡胶阻尼支座

橡胶支座串联隔振弹簧

大承载隔振器

今后研究工作展望

致 谢

参 考 文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目

学位论文数据集