摘要:本研究旨在测量电机工作周期内由振动引起的防振橡胶支座的振动和应力。通过使用加速度计(压电传感器)测量发动机壳体的加速度来实现这一目标。应力分析则采用ANSYS 15.0软件进行有限元数值计算。关键词:防振橡胶支座、应力分析、发电机1.引言很多国家电力资源有限，家庭使用小型发电机来满足家庭用电需求。一般而言,所有类型的发电机都由两部分组成:负责将机械功转换为电能的部分,以及负责燃烧燃料以产生足够能量驱动轴转动进而带动电气部分的机械部分(即内燃机)。防震橡胶支座示意图发动机在工作过程中通常伴随着大量振动,制造商倾向于通过将整个发动机置于防振橡胶支座上来消除这些振动,如图1所示。然而,由于持续振动产生的动态负荷,这些支座在一段时间后会发生失效。因此,有必要研究这些橡胶部件中产生的应力。本研究采用可靠高效的有限元分析(FEA)方法进行分析。研究所用的橡胶支座为V形发电机支座,如图2所示,这种类型在当地市场较为常见。V型防震橡胶支座2.实验工作为了进行问题分析,需要测量V形发电机支座中橡胶的性质,以便代入有限元分析。橡胶支座承载质量为m的发电机并吸收传递到底座框架的发动机振动,因此可以将其表示为质量-弹簧-阻尼系统,如图3所示。该系统包括自由振动,橡胶件的刚度系数K和阻尼系数C通过实验计算得出[1]。质量-弹簧-阻尼系统3.刚度系数测量从V形发电机支座中取出橡胶材料,通过压缩试验来估算刚度,公式如下:k = F / X ......(1)其中k为刚度系数,F为施加的载荷(单位:N),X为变形量(单位:m)。图4展示了计算机记录数据的压缩装置。橡胶压缩测试仪当施加的力为0.06 kN时,在伸长量等于0.1 mm处计算k值。计算得出刚度等于600000 N/m。4.压电加速度计本研究使用的加速度传感器为B&K 4371型加速度计,如图5所示。它可测量一个方向的加速度。该传感器测得的数据单位为毫伏,要转换为m/s²,需将数据乘以10.2。加速度传感器5.阻尼系数测量阻尼系数C通过以下公式计算:C/M = 2ζωn ......(2)其中M为质量,ζ为阻尼比,ωn为自然频率。图6所示的实验用于估算公式(2)中的参数。该实验模拟了图3所示的系统,其中V形发电机支座中的橡胶材料被释放并与质量为1 kg的质量块连接。加速度传感器安装在质量块上。完整的测试装置如图6和图7所示。首先需要计算阻尼比。该实验测得的加速度数据存在噪声,因此使用Sigview软件包进行处理以消除噪声,然后乘以压电加速度计的校正因子10.2,最终信号如图8所示。随后对加速度曲线进行两次积分,得到速度和位移曲线。加速度-时间曲线通过Sigview软件包发现,图10中第一个峰值X1 = 1.5587×10⁻⁵,第二个峰值X2 = 9.2479×10⁻⁶,因此可以通过以下公式计算阻尼比ζ:其中Δ为对数衰减率。将X1和X2的值代入公式(3)并求解ζ,得出阻尼比等于ζ = 0.462。公式(2)中还需要第二个参数自然频率,可通过以下公式计算:得出ωn = 774.59 Hz将ζ和ωn的值代入公式(2),可计算得出阻尼系数C = 715.73 N·s/m。6.初始载荷测量在发电机运行过程中,测量机械和电气部件的加速度,以确定作用于V形发电机支座的力。使用天平称量机械和电气部件的质量,假设它们为一个整体。测得质量m = 32 kg。因此,作用于V形支座的力可通过以下公式计算:F = m × a ......(6)其中F为作用于发电机橡胶支座的激励力。如图11所示,使用加速度计测量机械和电气部件在x、y、z三个轴向的加速度。压电传感器获得的数据单位为毫伏,首先乘以10.2转换为m/s²,然后与发电机机械和电气部件的质量值一起代入公式(6),以获得特定方向的激励力。图12、13和14分别显示了时域内x、y、z方向的加速度。X方向加速度时域曲线Y方向加速度时域曲线Z方向加速度时域曲线将橡胶性质和作用于支座的动态载荷作为输入数据用于ANSYS 15.0的有限元分析。ANSYS中的瞬态响应分析需要频域而非时域的力数据输入。因此,需要将测得的加速度从时域转换到频域。为此,编写了MATLAB程序并使用快速傅里叶变换(FFT)[2]进行转换。X方向加速度频域曲线Y方向加速度频域曲线Z方向加速度频域曲线转换到频域的结果如图15、16和17所示,使用高达2000 Hz的频率数据来估算x、y、z方向的远程力。7.有限元建模使用Design Modeler为ANSYS求解器建立了一个质量块放置在四个V形防振橡胶支座上的发电机模型,支持2D和3D绘图。除了假设为与实际发电机机械和电气部件整体质量相等的质量块外,所有尺寸均取自真实样品。图18展示了本研究使用的Astra型发电机。图19展示了发电机的3D模型。8.防振橡胶支座的粘弹性行为发电机支座中的橡胶材料表现出粘弹性材料的特性,这一术语通常用于振动阻尼问题。它们是同时具有弹性和粘性行为的非线性材料[3]。模拟粘弹性最简单的形式是Kelvin-Voigt模型[4],该模型通过并联或串联连接阻尼器和弹簧获得。本文选择了并联模式,如图20所示。9.防振橡胶支座材料选择橡胶被视为粘弹性材料,其在ANSYS中设置的属性是通过实验确定的,在模型中为每个橡胶支座定义了弹簧单元,如图21所示。属性列于下表:表1. 橡胶属性泊松比 | 密度(kg/m3) | K (N/m) | C (N·s/m) 0.3 | 1267 | 600000 | 715.73 结构钢的材料属性设置如表2所示:表2. 标准结构钢属性杨氏模量(GPa) | 泊松比 | 密度(kg/m³) 200 | 0.3 | 7800 10.结果与讨论使用ANSYS 15.0中的谐响应求解器分析防振橡胶支座。网格尺寸设为0.002 m,节点数为78295,单元数为28376。如图22所示,在整个四个支座上施加力载荷,频率范围为10-2000 Hz。图22中的红色 区域表示力的作用区域。图23显示了运行过程中产生的von Mises应力,图24展示了最大主应力。图25和图26分别显示了von Mises应变和最大主应变。研究发现, 防振橡胶支座中产生的应力小于支座材料的极限应力。来源：ABAQUS仿真世界
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