Características de rigidez del fuelle del cordón.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 3377 (2023) Citar este artículo

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La estructura de fuelle en una cámara de aire se puede reforzar constantemente para hacer frente al complicado entorno de trabajo, pero ejerce un efecto cada vez más fuerte sobre las características de rigidez de la cámara de aire. Sin embargo, no existe ningún método eficaz para la solución parametrizada de la rigidez del fuelle del amortiguador neumático. Con el método de matriz de transferencia precisa, en este artículo se analizaron las características de rigidez del fuelle de un resorte neumático reforzado con cordón con formación de bobinado en condiciones de precarga. La teoría de la carcasa delgada se utilizó para resolver la pretensión del fuelle del resorte neumático en condiciones de precarga. La pretensión se introdujo en la ecuación de equilibrio del fuelle. Basándose en las ecuaciones geométricas y físicas de los fuelles con las complejas características de enrollado del cordón, se tomó prestado el método de integración preciso para construir una matriz de transferencia para los fuelles del resorte neumático en condiciones de precarga. El vector de estado de los fuelles en la cámara de aire se resolvió mediante condiciones de contorno. Se adoptó el método de iteración para desarrollar la expresión de las características de rigidez del fuelle y se combinó con el modelo teórico de rigidez neumática para resolver las características de rigidez del resorte neumático. La comparación con los resultados de las pruebas del prototipo verificó la validez y corrección del modelo teórico. Sobre esta base, exploramos la influencia de las condiciones de precarga, la estructura geométrica y las características del material en las características de rigidez de la cámara de aire. Los resultados de la investigación proporcionarán una orientación importante para el diseño estructural y la selección de materiales de cámaras de aire reforzadas con cuerdas con formación de bobinado.

Un resorte neumático se basa en las características de rigidez y amortiguación del aire comprimido para aislar la vibración y el impacto del equipo. Como aislante de vibraciones, se ha aplicado ampliamente en vehículos y embarcaciones para reducir las vibraciones y el ruido1,2,3,4,5. En comparación con los vehículos, una embarcación ofrece un espacio limitado para la instalación de un resorte neumático y requiere una mayor capacidad de carga. Por lo tanto, el resorte neumático para el aislamiento de vibraciones en un recipiente debe caracterizarse por su tamaño pequeño y su gran carga. La presión de aire de funcionamiento de un resorte neumático en un recipiente es a menudo mayor que la de un resorte neumático en aplicaciones generales. Para garantizar la confiabilidad de una cámara de aire bajo alta presión interna u otros ambientes hostiles, la capa de esqueleto de cuerda de su fuelle debe estar hecha de cuerda de mayor resistencia y contiene más capas de cuerda que las cámaras de aire ordinarias.

Se cree comúnmente que la rigidez vertical de un resorte neumático depende de la fuerza de reacción generada por el aire comprimido contenido en el resorte neumático durante su deformación vertical. El fuelle ejerce un pequeño efecto sobre las características de rigidez vertical de la cámara de aire. En un modelo analítico simplificado para las características de rigidez de una cámara de aire, el efecto de su fuelle ha sido incluso ignorado6,7. Una cámara de aire se enfrenta a una demanda cada vez mayor de fiabilidad, por lo que su estructura de fuelle debe reforzarse constantemente, ejerciendo un efecto más fuerte sobre las características de rigidez de la cámara de aire. Por lo tanto, la rigidez del fuelle ya no debe ignorarse e incluso puede convertirse en un componente predominante de las características de rigidez después de superar la rigidez neumática.

El fuelle de una cámara de aire está hecho de compuestos reforzados con cordón de matriz de caucho. Es muy complicado construir su modelo mecánico debido a su anisotropía. Por este motivo, los estudios se han centrado principalmente en la rigidez neumática en el modelo mecánico para la parametrización de resortes neumáticos8,9,10,11. El modelo mecánico del fuelle de una cámara de aire a menudo se analiza utilizando un modelo equivalente o un modelo de elementos finitos. Todavía no existe un modelo parametrizado eficaz construido para el fuelle de una cámara de aire. Por ejemplo, Erin y Wilson analizaron las características de rigidez de un resorte neumático simulando las características no lineales de sus fuelles a través de la conexión paralela de un resorte lineal, un amortiguador y un amortiguador histerético12. Chen et al. propuso un modelo de rigidez de resorte neumático que comprende un modelo de predicción de parámetros estructurales y un modelo de fuelle de caucho. El modelo de fuelle de caucho era un modelo equivalente no lineal formado por un modelo fraccionario de Kelvin-Voigt y un modelo de fricción suave13. Zhu et al. construyeron un modelo de rigidez de resorte neumático universal después de tener en cuenta la contribución de la termodinámica neumática interna y la fricción del caucho y los efectos viscoelásticos del fuelle. Manteniendo el modelo de fricción suave desarrollado por Berg, obtuvieron la desviación estándar de la excitación del desplazamiento a través de estadísticas y luego determinaron los parámetros del modelo de fricción14,15,16. Shi et al.17 construyeron un modelo de elementos finitos de resorte neumático y adoptaron el método de análisis de sensibilidad para explorar la influencia de los parámetros geométricos en las características de rigidez del resorte neumático. Wong et al.18 utilizaron el software ABAQUS para describir las características no lineales de los fuelles en la sección de barras de refuerzo y construyeron un modelo de elementos finitos para la cámara de aire. Sobre esta base, analizaron cómo el rendimiento mecánico de una cámara de aire se veía afectado por el ángulo de enrollado del cable, el radio efectivo y la presión interna inicial.

Un resorte neumático generalmente se deforma bajo el efecto conjunto de la presión interna y las cargas externas. Al construir un modelo mecánico para los fuelles reforzados con cordón de matriz de caucho, se debe prestar atención a las complejas características anisotrópicas de los materiales reforzados con cordón. También es necesario considerar cómo el modelo mecánico del fuelle se ve afectado por la pretensión del fuelle en condiciones de precarga y un fuerte acoplamiento entre el vector de estado del fuelle y la presión interna del resorte neumático durante la deformación. Todos estos factores plantean un desafío para la construcción de un modelo parametrizado para el fuelle del resorte neumático.

Con el método de matriz de transferencia precisa, en este artículo se construyó un modelo parametrizado para la rigidez del fuelle de un resorte neumático reforzado con cordón en condiciones de precarga. La teoría de la carcasa delgada se tomó prestada por primera vez para resolver la tensión previa de los fuelles en la cámara de aire bajo el efecto de la precarga. Luego se recreó la ecuación de equilibrio del fuelle con la tensión previa. Basándose en las ecuaciones geométricas y físicas de los fuelles con características complejas de devanado de filamentos, se tomó prestado el método de integración preciso para construir una matriz de transferencia para los fuelles del resorte neumático reforzado con cordón con formación de devanado en condiciones de precarga. Al final, se tuvieron en cuenta las condiciones de contorno para resolver el vector de estado del fuelle. Se adoptó el método de iteración para identificar la relación de acoplamiento entre el vector de estado del fuelle y la presión interna. Luego se utilizó el modelo de rigidez neumática existente para una cámara de aire para determinar las características de rigidez de la cámara de aire.

La estructura de un resorte neumático reforzado con cordón con formación devanada se muestra en la Fig. 1. Contiene una placa de montaje superior, una placa de montaje inferior, una base, un fuelle de goma y un manguito de restricción. El manguito de retención hace contacto con el segmento recto del fuelle de goma. Durante el funcionamiento, el resorte neumático puede soportar la carga del equipo F con la alta presión P del aire comprimido que contiene, y la cavidad interna del resorte neumático está cerrada y la cantidad total de aire es constante. En este caso, el segmento recto del fuelle se presiona bajo alta presión contra el casquillo de retención. Cuando la placa de montaje superior del resorte neumático vibra con el equipo, el segmento de arco del fuelle también se curva y se deforma a lo largo de la base. En consecuencia, la rigidez del fuelle del resorte neumático depende principalmente del estado mecánico del segmento de arco del fuelle en el proceso de deformación.

Diagrama esquemático de una estructura de resorte neumático.

El segmento de arco del fuelle en el resorte neumático se simplifica en una estructura de carcasa giratoria como se ilustra en la Fig. 2. La carcasa giratoria está formada por una curva plana que gira alrededor de un eje coplanar. La curva es el meridiano y su plano es el plano del meridiano. Las coordenadas de la curva de cualquier punto aleatorio en el caparazón giratorio están representadas por (φ, θ) con φ como dirección del meridiano y θ como dirección longitudinal. Los radios de curvatura principales correspondientes se indican mediante Rφ y Rθ, respectivamente. El radio de curvatura del plano latitudinal se denota por R0. Los coeficientes cojos de la carcasa giratoria son R0 y Rφ, respectivamente. Con base en la relación de la estructura geométrica, obtenemos:

donde Re es la distancia desde el centro del fuelle rizado hasta el eje central y β es el ángulo de guía de la base.

Diagrama esquemático de una estructura de carcasa giratoria.

Se supone que la fuerza de precarga del resorte neumático se denota por F durante el funcionamiento, y su presión interna se denota por P. Su relación está definida por la siguiente función10:

La pretensión en la sección de longitud unitaria en las direcciones longitudinal y latitudinal de está representada por Nφ0 y Nθ0, respectivamente. Basado en el análisis con la teoría de la carcasa delgada19, la pretensión sobre los fuelles en la cámara de aire se expresa como:

El modelo mecánico del fuelle del resorte neumático reforzado con cuerdas implica ecuaciones geométricas, físicas y de equilibrio. Entre ellas, la ecuación geométrica refleja las características estructurales de los fuelles, mientras que la ecuación física define las características materiales de los fuelles. En este artículo, el resorte neumático se fabrica enrollando un cordón para mejorar aún más la resistencia de su fuelle para su aplicación en el ambiente marino. Por lo tanto, el ángulo de enrollado del cable varía en diferentes posiciones de los fuelles en la cámara de aire, lo que hace mucho más complicado construir un modelo mecánico para los fuelles. Basado en el modelo de devanado no geodésico y el modelo teórico laminado se combinan para crear las ecuaciones físicas para los fuelles del resorte neumático con características de devanado de cable variables20.

Para determinar las características de rigidez de la cámara de aire, se debe considerar la pretensión en los fuelles de la cámara de aire en condiciones de precarga mientras se crea la ecuación de equilibrio para los fuelles. Si se ignoran la cantidad ligera de tres órdenes y la cantidad perturbadora de dos órdenes, se deriva la siguiente ecuación de equilibrio sobre la base de la teoría de Flugge21 en las condiciones de precarga:

donde u, v y w son el desplazamiento longitudinal, latitudinal y normal del fuelle; θφ es el componente de curvatura; Mφ es la componente del momento flector; h es el espesor de la capa de cordón; Qφ y Qθ son la amplitud del corte transversal en una unidad de longitud; Sa y Va son el corte en el plano y el corte transversal del modelo de Kelvin-Kirchhoff, y sus amplitudes están definidas por:

Se supone que el vector de estado del fuelle en la cámara de aire es Z(φ) y contiene ocho cantidades de estado definidas por la siguiente ecuación:

Es muy difícil determinar directamente el vector de estado del fuelle en el resorte neumático, por lo que se introduce el vector intermedio de desplazamiento ξ22. El vector intermedio de desplazamiento está formado por el desplazamiento del fuelle y su correspondiente derivada parcial. Se expresa como:

Las ecuaciones físicas20 y las ecuaciones geométricas22 se sustituyen en la ecuación. (4) para obtener la ecuación diferencial de primer orden para el vector intermedio de desplazamiento de la siguiente manera:

donde Cw(φ) es una matriz de coeficientes de ocho órdenes con los elementos enumerados en el Apéndice. La carcasa giratoria se divide en N nodos. El método de integración precisa23 se utiliza para determinar la transferencia del vector intermedio de desplazamiento entre nodos de la siguiente manera:

La relación entre el vector de estado del fuelle y el vector intermedio de desplazamiento es la siguiente:

donde E(φ) es la matriz de incidencia, que es una matriz de coeficientes de ocho órdenes. Los elementos de la matriz se enumeran en el Apéndice. Sustituyendo la ecuación. (10) en la ecuación. (9), la transferencia del vector de estado del fuelle entre nodos en la carcasa giratoria se puede obtener de la siguiente manera:

Supongamos que el punto inicial del fuelle circular es E y el punto final es F. El vector de estado en los dos puntos es:

Para resolver todos los vectores de estado del fuelle circular, se deben especificar las condiciones de contorno en ambos extremos del fuelle. Durante el funcionamiento, la cámara de aire tiene su placa de montaje superior conectada al equipo. Por lo tanto, soporta la carga del equipo y se deforma con el movimiento del equipo. Por este motivo, la cabeza del fuelle del amortiguador neumático es un extremo libre. Suponiendo que el desplazamiento axial de la placa de montaje superior con equipo es x y su desplazamiento radial es 0, las condiciones de contorno de la cabeza del fuelle están definidas por:

La cola del fuelle está unida a la base, de modo que las condiciones de contorno en la cola del fuelle vienen dadas por:

Las ecuaciones (13) y (14) se sustituyen en la ecuación. (11) para resolver el vector de estado en los nodos del fuelle.

La rigidez de la cámara de aire es la variación agregada de las fuerzas de reacción del aire y del fuelle bajo un desplazamiento unitario. Se supone que KZ es la rigidez total del resorte neumático, KQ es la rigidez neumática y KN es la rigidez del fuelle. La rigidez de la cámara de aire se expresa como:

Ya existe una solución analítica específica para la rigidez neumática KQ del resorte neumático24, por lo que no se detalla en este trabajo. La rigidez del fuelle de la cámara de aire se resolverá particularmente en este artículo. Dado que se conoce el vector de estado en la cabeza del fuelle, el análisis de fuerza se realiza en la cabeza del fuelle en la cámara de aire. La fuerza de reacción del fuelle FN se expresa como:

La presión del aire interno y el vector de estado de la cápsula también varían con la deformación. La deformación total del resorte neumático se descompone en n pequeñas deformaciones. Cada pequeña deformación de la cámara de aire está sujeta a los siguientes supuestos:

El segmento arqueado del fuelle siempre está arqueado durante el proceso de deformación;

El cambio de presión del aire interno cumple con la ecuación adiabática en el proceso de deformación;

La presión del aire interno P, los parámetros estructurales Re y Rφ en cada pequeña deformación permanecen sin cambios.

Cuando la cámara de aire se encuentra en la iésima deformación pequeña, el desplazamiento en la cabeza de su fuelle cambia de xi-1 a xi. Con base en los supuestos anteriores (1), (2) y (3), los parámetros estructurales Re y Rφ y la presión de aire interna Pi del resorte neumático en la i-ésima deformación pequeña vienen dados por:

En la ecuación. (17), Re es el radio efectivo; Rφ es el radio del fuelle; Pa es la presión atmosférica; Pi-1 y Vi-1 son la presión del aire y la capacidad del resorte neumático bajo el desplazamiento xi-1; Pi y Vi son la presión del aire y la capacidad del resorte neumático bajo el desplazamiento axial xi; n es el coeficiente politrópico;

Cuando se conocen la presión del aire y los parámetros estructurales del fuelle en la iésima deformación pequeña, las Ecs. (11), (13), (14) y (16) se utilizan para determinar la variación de la fuerza de reacción del fuelle en la i-ésima deformación pequeña, es decir, ΔFNi. La rigidez del fuelle durante la deformación se puede calcular mediante iteración de la siguiente manera:

Se llevó a cabo una prueba de rigidez para las cámaras de aire instaladas como se muestra en la Fig. 3. La placa de montaje superior de cada cámara de aire se conectó a través de su panel superior al conector superior del probador MTS. El conector superior estaba equipado con sensores de fuerza y desplazamiento. La placa de montaje inferior se fijó a través de su panel inferior a la base fija. Durante la prueba de rigidez de cada cámara de aire, la placa de montaje superior se movió hacia adelante y hacia atrás con el conector superior, mientras que la placa de montaje inferior estaba estacionaria. Las lecturas del sensor de fuerza y desplazamiento se emitieron desde la computadora para calcular la rigidez de cada resorte neumático.

Diagrama esquemático de la estructura de instalación en el ensayo de rigidez de una cámara de aire.

Se realizaron pruebas de rigidez estática y dinámica en cámaras de aire M-8T, M-15T y M-30T. Para los resortes neumáticos marinos, el valor de desplazamiento pico a pico se establece en 1 mm y la tasa de desplazamiento se establece en 0,1 mm/s en la prueba de rigidez estática. En la prueba dinámica, el valor de desplazamiento pico a pico se establece en 0,4 mm y la frecuencia de excitación se establece en 2,5 Hz. Se seleccionaron dos prototipos para cada tipo de cámara de aire en la prueba de rigidez y se tomó su valor promedio después de la prueba. Cabe señalar que el método de solución para la rigidez del fuelle en este artículo no calcula específicamente la rigidez estática o dinámica, pero el modelo de teoría de rigidez neumática existente puede calcular la rigidez estática y dinámica. La rigidez estática se denota por \(K_{{}}^{s}\), y la rigidez dinámica se denota por \(K_{{}}^{d}\).

Los principales parámetros de diseño de estas cámaras de aire se detallan en la Tabla 1, y los parámetros del material del cable se detallan en la Tabla 2. El cálculo teórico y los resultados de las pruebas de sus características de rigidez se enumeran en la Tabla 3. Como se indica en la Tabla 3, los El error de la prueba de rigidez para estas cámaras de aire estuvo dentro del 10%, lo que verifica la precisión del modelo teórico para la rigidez de las cámaras de aire. Además, la rigidez de los fuelles se ha mejorado considerablemente con la estructura muy reforzada de los fuelles en una cámara de aire. La rigidez del fuelle del resorte neumático M-8T es mayor que su rigidez neumática. Entre los tres tipos de resortes neumáticos, la relación más baja entre la rigidez del fuelle y la rigidez total es del 26,7%. La influencia del propio fuelle sobre las características de rigidez de las cámaras de aire no es despreciable.

El modelo de rigidez del fuelle es la investigación principal de este artículo. El modelo neumático ahora tiene una solución analítica clara, y diferentes parámetros de diseño tienen una tendencia similar de influencia en la rigidez neumática estática y dinámica. Además, considerando que los resortes neumáticos reforzados con cuerdas se utilizan en sistemas de aislamiento de vibraciones marinos, el estudio de la rigidez estática es de gran importancia para el control general de la actitud de los sistemas de aislamiento de vibraciones marinos. Por lo tanto, se utilizó la rigidez estática como objetivo de la investigación y los parámetros estructurales del resorte neumático M-15T se toman como base para analizar la ley de variación de las características de rigidez bajo diferentes condiciones, incluida la precarga, los parámetros estructurales y los parámetros del material.

Las características de rigidez del resorte neumático bajo diferentes precargas se calculan como se muestra en la Fig. 4. La rigidez neumática y la rigidez del fuelle del resorte neumático mejoran con el aumento de la precarga. Su relación es aproximadamente lineal. Durante la variación de la precarga, la rigidez neumática se ve más afectada por la precarga. Por lo tanto, la rigidez neumática domina la tendencia de la rigidez total del resorte neumático. La rigidez total está relacionada linealmente con la variación de la precarga.

Diagrama esquemático de la rigidez del resorte neumático que varía con la fuerza de precarga.

Influencia del radio efectivo de la cámara de aire.

Las características de rigidez de la cámara de aire se calculan después de cambiar el radio efectivo de la cámara de aire como se ilustra en la Fig. 5. Evidentemente, la rigidez neumática y la rigidez del fuelle de la cámara de aire mejoran con el aumento del radio efectivo de la cámara de aire. La rigidez del fuelle varía aproximadamente linealmente con el radio efectivo. La variación de la rigidez neumática con el radio efectivo es aproximada a una función cuadrática. La rigidez neumática se ve afectada más significativamente por la variación del radio efectivo, de modo que domina la tendencia de variación de la rigidez total del resorte neumático. En consecuencia, la variación de la rigidez total con el radio efectivo es aproximada a una función cuadrática. Cuando el radio efectivo de la cámara de aire es grande, la rigidez neumática de la cámara de aire es mayor que la rigidez de su fuelle. Con la disminución del radio efectivo, la proporción de la rigidez del fuelle sobre la rigidez total aumenta gradualmente hasta superar la contribución de la rigidez neumática. Para entonces, las características de rigidez de la cámara de aire dependerán de la rigidez del fuelle.

Diagrama esquemático de la rigidez del resorte neumático que varía con el radio efectivo.

Influencia del radio del fuelle de la cámara de aire.

Las características de rigidez de la cámara de aire se calculan con el radio de fuelle variable de la cámara de aire como se muestra en la Fig. 6. Se revela que la rigidez neumática y la rigidez del fuelle de la cámara de aire disminuyen con el aumento del radio del fuelle de la cámara de aire. La variación de la rigidez del fuelle con el radio del fuelle es aproximadamente una función cuadrática, mientras que la variación de la rigidez neumática con el radio del fuelle es aproximadamente lineal. La rigidez del fuelle se ve afectada más significativamente por la variación del radio del fuelle, de modo que constituye la principal contribución a la variación de la rigidez total del resorte neumático. La variación de la rigidez total con el radio del fuelle es aproximadamente una función cuadrática. Cuando el radio del fuelle del resorte neumático es grande, el resorte neumático tiene una rigidez neumática mayor que la rigidez del fuelle. Sin embargo, la disminución del radio del fuelle aumenta gradualmente la contribución de la rigidez del fuelle a la rigidez total del resorte neumático. Al final, la rigidez del fuelle supera a la rigidez neumática en términos de contribución a la rigidez total. En ese momento, las características de rigidez de la cámara de aire dependerán de la rigidez del fuelle.

Diagrama esquemático de la rigidez del resorte neumático que varía con el radio del fuelle.

Influencia del ángulo de guía de la cámara de aire.

La rigidez del resorte neumático se calcula con diferentes ángulos de guía como se muestra en la Fig. 7. El ángulo de guía del resorte neumático aumenta, lo que provoca la disminución de la rigidez neumática y la rigidez del fuelle del resorte neumático. La variación de la rigidez neumática con el ángulo de guía es aproximadamente una función cuadrática. Existe aproximadamente una relación lineal de variación entre la rigidez del fuelle y el ángulo de guía. La rigidez neumática se ve más afectada por la variación del ángulo de guía y siempre es mayor que la rigidez del fuelle. La variación de la rigidez total del resorte neumático está dominada por la rigidez neumática. Por tanto, la variación de la rigidez total con el ángulo de guía es aproximadamente una función cuadrática.

Diagrama esquemático de la rigidez de la cámara de aire que varía con el ángulo de guía.

Influencia del ángulo de enrollamiento inicial sobre las características de rigidez de la cámara de aire.

El ángulo de enrollado inicial es un parámetro crucial para la fabricación del fuelle. Decide el ángulo de enrollado del cordón en cada punto del fuelle20. Las características de rigidez del resorte neumático con diferentes ángulos de enrollamiento inicial se calculan como se presenta en la Fig. 8. Como se revela, la rigidez neumática del resorte neumático no se ve afectada por la variación del ángulo de enrollamiento inicial. La rigidez del fuelle mejora y luego disminuye con el aumento del ángulo de enrollado inicial. Alcanza su punto máximo cuando el ángulo de bobinado inicial es de 25,2°. En conjunto, la variación máxima de la rigidez del fuelle es sólo el 4,1% de la rigidez total durante la variación del ángulo de enrollado inicial. Por lo tanto, se concluye que el ángulo de enrollamiento inicial ejerce un pequeño efecto sobre las características de rigidez del resorte neumático.

Diagrama esquemático de la rigidez de la cámara de aire que varía con el ángulo de enrollamiento inicial.

Influencia del parámetro estructural de la capa de cuerda sobre las características de rigidez.

El módulo elástico de la cuerda en la dirección principal E1 es mucho mayor que en las otras direcciones. Por lo tanto, este artículo se centra principalmente en la influencia del módulo elástico del cordón E1 sobre las características de rigidez del resorte neumático. En el cálculo teórico, se encuentra que la rigidez del fuelle del resorte neumático varía aproximadamente linealmente con el módulo elástico de la cuerda E1 y el espesor de la capa de cuerda h. El producto del módulo elástico E1 anterior y el espesor h se toma como el parámetro estructural de la capa de cuerda γ para analizar la influencia del parámetro estructural de la capa de cuerda en la rigidez del fuelle del resorte neumático. Después de cambiar la reducción del parámetro estructural de la capa de cuerda en la cámara de aire, las características de rigidez de la cámara de aire con diferentes disminuciones se calculan como se muestra en la Fig. 9. La rigidez neumática no se ve afectada por la variación de la cuerda. parámetro estructural de la capa, pero la rigidez del fuelle mejora con el aumento del parámetro estructural de la capa de cordón.

Variación reducida de la rigidez de la cámara de aire con el parámetro estructural de la capa de cuerda.

La comparación de las Figs. 8 y 9 revelan que el parámetro estructural de la capa de cordón es el factor principal que afecta la rigidez del fuelle del resorte neumático. La rigidez de la cámara de aire contiene rigidez de fuelle y rigidez neumática. Se supone que la rigidez del fuelle puede ignorarse al calcular la rigidez de la cámara de aire sólo si la rigidez del fuelle es inferior al 10% de la rigidez total. El cálculo expone que la relación entre la rigidez del fuelle y la rigidez total de la cámara de aire varía con el parámetro estructural de la capa de cordón como se muestra en la Fig. 10. El parámetro estructural de la capa de cordón se puede ajustar cambiando el tipo de cordón o el enrollado del cordón. espesor. Cuando el parámetro de la estructura del cordón se ajusta y se reduce 0,23 veces, la influencia de la rigidez del fuelle sobre la rigidez total del resorte neumático es insignificante.

Diagrama esquemático de la relación entre la rigidez del fuelle y la rigidez total que varía con la reducción del parámetro estructural de la capa de cuerda.

Con el método de integración de transferencia precisa, se construye un modelo parametrizado para la rigidez del fuelle del resorte neumático reforzado con cordón con formación de bobinado en condiciones de precarga. Además, se analiza la influencia de la rigidez del fuelle y la rigidez neumática sobre las características de rigidez del resorte neumático. Después de explorar la influencia de diferentes precargas, parámetros estructurales geométricos y características del material del fuelle en las características de rigidez del resorte neumático, se extraen las siguientes conclusiones:

La rigidez del fuelle y la rigidez neumática del resorte neumático reforzado con cordón mejoran con el aumento de la precarga, pero disminuyen con el aumento del ángulo de guía. Existe una relación lineal entre la rigidez del fuelle y la rigidez neumática del resorte neumático y la variación de la precarga. La variación de la rigidez neumática con el ángulo de guía forma una función cuadrática, mientras que la variación de la rigidez del fuelle con el ángulo de guía es lineal. La rigidez neumática se ve más fuertemente afectada por la variación de la precarga y el ángulo de guía. La variación de la rigidez total del resorte neumático está dominada por la rigidez neumática, y es básicamente consistente con la variación de la rigidez neumática con la precarga y el ángulo de guía.

El fuelle y la rigidez neumática del resorte neumático reforzado con cordón aumentan con el aumento del radio efectivo, pero disminuyen con el aumento del radio del fuelle. La variación de la rigidez neumática con el radio efectivo se representa mediante una función cuadrática, pero la variación de la rigidez neumática con el radio del fuelle es lineal. La rigidez neumática se ve más fuertemente afectada por la variación del radio efectivo y, por lo tanto, hace la contribución principal a la variación de la rigidez total del resorte neumático. Sin embargo, la rigidez neumática varía linealmente con el radio del fuelle, mientras que existe una función cuadrática para la variación de la rigidez del fuelle con el radio del fuelle. Por esta razón, la rigidez del fuelle se ve más afectada por la variación del radio del fuelle y, por lo tanto, domina la tendencia de variación de la rigidez total del resorte neumático. Cuando el radio efectivo o el radio del fuelle es grande, la rigidez neumática del resorte neumático es mayor que la rigidez del fuelle. Junto con la disminución del radio efectivo o radio del fuelle, la contribución de la rigidez del fuelle a la rigidez total del resorte neumático mejora gradualmente hasta que la rigidez del fuelle supera la rigidez neumática. En este momento, las características de rigidez de la cámara de aire dependen de la rigidez del fuelle.

La rigidez del fuelle de una cámara de aire mejora con el aumento del parámetro estructural de la capa de cuerda, pero aumenta y luego disminuye con el aumento del ángulo de enrollado inicial. Por el contrario, la rigidez neumática no se ve afectada por el parámetro estructural de la capa del cordón ni por el ángulo de enrollado inicial. El ángulo de enrollado inicial ejerce un efecto menor sobre la rigidez del fuelle que el parámetro estructural de la capa de cuerda. Por lo tanto, la influencia de la rigidez del fuelle sobre las características de rigidez del resorte neumático se puede reducir eficazmente reduciendo el espesor del arrollamiento del cordón o cambiando a un cordón de módulo elástico más bajo.

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio están disponibles a pedido del autor correspondiente.

Qi, H. y col. Mejora tanto de la estabilidad de manejo como del confort de marcha de un vehículo mediante una suspensión acoplada interconectada hidráulicamente y un resorte neumático controlado electrónicamente. Proc. Inst. Mec. Ing. Parte D J. Autom. Ing. 234(2–3), 552–571 (2020).

Artículo de Google Scholar

Zhang, M., Luo, S., Gao, C. & Ma, W. Investigación sobre el mecanismo de un marco de levitación recientemente desarrollado con resorte neumático de posición intermedia. Veh. Sistema. Din. En t. J. Veh. Mec. Móvil. 56(12), 1797–1816 (2018).

Google Académico

Mazzola, L. & Berg, M. Suspensión secundaria de vehículos ferroviarios: modelado de resortes neumáticos: rendimiento y cuestiones críticas. Supervivencia del sur de Asia. 228(3), 165-166 (2014).

Google Académico

Liu, Y., Li, M. & He, L. Dinámica no lineal del sistema de aislamiento de vibraciones de bolsas de aire marinas. J. Mecánico de barcos. 11, 1385-1392 (2015).

Google Académico

Li, Y., He, L., Shuai, C. y Wang, C. Aislador híbrido mejorado con actuador maglev integrado en un resorte neumático para el aislamiento activo-pasivo de la vibración de la maquinaria del barco. J. Vibración de sonido. 407, 226–239 (2017).

ADS del artículo Google Scholar

Li, X., He, Y., Liu, W. y Wei, Y. Investigación sobre la rigidez vertical de un resorte neumático de lóbulo rodante. Proc. Inst. Mec. Ing. Parte F J. Tránsito rápido ferroviario. 230(4), 1172–1183 (2016).

Artículo de Google Scholar

Xu L. Modelado teórico de la rigidez vertical de un resorte neumático de lóbulo rodante. Progreso científico. 2020;103(3):1–21.

Liu, H. & Lee, JC Desarrollo de modelos e investigación experimental sobre un resorte neumático con depósito auxiliar. En t. J. Automoción. Tecnología. 12(6), 839–847 (2011).

Artículo de Google Scholar

Bruni, S. y col. Modelado de componentes de suspensión en un contexto de dinámica de vehículos ferroviarios. Veh. Sistema. Din. 49(7), 1021–1072 (2011).

ADS del artículo Google Scholar

Li, J. y col. Análisis de características dinámicas y optimización de resortes neumáticos en función de la forma del pistón. Universidad J. Jilin. (Eng. Technol. Edn.) 48(2), 355–363 (2018).

Google Académico

Li, X. y Li, T. Investigación sobre la rigidez vertical de las cámaras de aire con cinturón. Veh. Sistema. Din. 51(11), 1655-1673 (2013).

ADS del artículo Google Scholar

Erin, C., Wilson, B. y Zapfe, J. Un modelo mejorado de un aislador de vibraciones neumático: teoría y experimento. J. Vibración de sonido. 218(1), 81-101 (1998).

ADS del artículo Google Scholar

Chen, JJ y cols. Un modelo de rigidez refinado de un resorte neumático de lóbulo rodante con parámetros estructurales y las características de rigidez de los fuelles de caucho. Medida 169, 108355 (2021).

Artículo de Google Scholar

Zhu, HJ y cols. Modelo dinámico no lineal de cámara de aire con amortiguador para el confort de conducción del vehículo. Dyn no lineal. 89, 1545-1568 (2017).

Artículo de Google Scholar

Berg, M. Un modelo para resortes de caucho en el análisis dinámico de vehículos ferroviarios. Proc. Inst. Mec. Ing. Parte F J. Tránsito rápido ferroviario. 211(2), 95-108 (1997).

Artículo de Google Scholar

Berg, M. Un modelo de resorte de caucho no lineal para el análisis de la dinámica de vehículos ferroviarios. Veh. Sistema. Din. 30(3–4), 197–212 (1998).

Artículo de Google Scholar

Shi, W., Jiang, W., Huang, Y., et al. Análisis de elementos finitos de un resorte neumático con respecto a la presión inicial y los parámetros de la capa de tejido de cordón. En 2009, Conferencia de Asia y el Pacífico sobre inteligencia computacional y aplicaciones industriales (PACIIA), 496–499 (2009).

Wong, P. y col. Análisis de resortes neumáticos de lóbulos rodantes automotrices bajo factores alternativos con modelo de elementos finitos. J. Mech. Ciencia. Tecnología. 28(12), 5069–5081 (2014).

Artículo de Google Scholar

Xu, Z. Elsticity (Prensa de educación superior, 2016).

Cheng, Y., Shuai, C. y Gao, H. Investigación sobre el modelo mecánico de resorte neumático reforzado con cordón con formación de bobinado. Ciencia. Ing. Compos. Madre. 28(1), 628–637 (2021).

Artículo de Google Scholar

Flugge, W. Tensiones en conchas (Springer, 1960).

Li, H. y col. Análisis de vibración libre para cascos de revolución laminados compuestos de doble curvatura mediante un método semianalítico. Compos. Estructura. 201, 86-111 (2018).

Artículo de Google Scholar

Jiang, C., Wang, X. y Zuo, Y. Análisis de vibración libre para carcasas cilíndricas con espesor variable basado en un método preciso de matriz de transferencia. J. Vib. Choque 39 (3), 134-141 (2020).

Google Académico

Qi, Z., Li, F. y Yu, D. Un modelo tridimensional de dinámica acoplada del resorte neumático de un tren eléctrico de unidades múltiples de alta velocidad. Proc. Inst. Mec. Ing. Parte F J. Tránsito rápido ferroviario. 231(1), 3–18 (2017).

Artículo de Google Scholar

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Instituto de Ruido y Vibraciones, Universidad Naval de Ingeniería, Wuhan, 430033, China

Yu-Qiang Cheng, Hua Gao y Chang-Geng Shuai

Laboratorio estatal clave de vibración y ruido de buques, Wuhan, 430033, China

Yu-Qiang Cheng, Hua Gao y Chang-Geng Shuai

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C.-GS: Conceptualización (director), redacción: revisión y edición (igual). Y.-QC: Análisis formal (director), Redacción: borrador original (director). HG: Metodología (líder), Escritura: revisión y edición (igual).

Correspondencia a Chang-Geng Shuai.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Cheng, YQ., Gao, H. y Shuai, CG. Características de rigidez del fuelle de un resorte neumático reforzado con cordón con formación de bobinado en condiciones de precarga. Representante científico 13, 3377 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29474-3

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Recibido: 05 de diciembre de 2022

Aceptado: 06 de febrero de 2023

Publicado: 28 de febrero de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29474-3

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