Резиновый или полиуретановый буфер: как выбрать по удару и среде

Буфер работает один раз за цикл, но в этот момент через него проходит вся кинетическая энергия тележки, крана или подвижной части пресса. Запас этой энергии считают по массе и скорости, а дальше решают две вещи: на каком ходу её погасить и какое усилие при этом допустимо для упора. От ответов зависит форма, высота и материал буфера: резиновый он будет или полиуретановый, решают те же три числа. Когда они известны, буфер резиновый или полиуретановый изготавливают по чертежу, эскизу или старому образцу.

Буферы различаются формой и способом крепления

Цилиндрический буфер тормозит почти равномерно: площадь сечения под нагрузкой не меняется, и сила растёт с ходом плавно. Конический и усечённый буфер в начале хода касается упора узкой вершиной и мягко подхватывает массу, а к концу хода сечение растёт и он становится жёстче. Кольцевой буфер с отверстием сажают на болт или ось, такие ставят на ограничители ворот и откатных тележек. Блоки и полосы на металлическом основании работают отбойниками рамп, стен и колонн, где удар приходится в разные точки.

Крепление решает больше, чем кажется. Буфер со шпилькой, закладной гайкой или привулканизированной стальной пластиной держится на ударе годами. Буфер на клею отрывается при первых сильных ударах, потому что клеевой шов работает на отрыв и сдвиг одновременно. Связь резины с металлом, полученную при вулканизации, по прочности не сравнить с клеем, и для крановых и прессовых упоров делают именно такие резинометаллические детали.

Энергию удара считают по массе и скорости

Кинетическая энергия равна половине произведения массы на квадрат скорости. Скорость входит в квадрате, поэтому тележка, которая разогналась вдвое быстрее, приносит в упор вчетверо больше энергии. Буферы на одном пути с разными скоростями механизмов одинаковыми не делают.

Пример: тележка с грузом 2 т идёт на упор со скоростью 0,5 м/с. Энергия 2 000 × 0,5² / 2 = 250 Дж, на два буфера по 125 Дж. Ворота массой 300 кг на той же скорости приносят 37,5 Дж, это задача для мягкого конического буфера. Для крана расчётную скорость наезда и массу, которую принимают буферы, берут из паспорта крана и документации изготовителя, а не из номинальной скорости передвижения.

Ход и допустимое усилие задают размер буфера

Энергия, которую буфер принимает, равна площади под кривой «сила от хода». Для литого полиуретана до деформации около 15–20 % эту кривую можно считать прямой, и тогда энергия равна половине произведения силы на ход (Gallagher, расчёт полиуретанового буфера). Отсюда простая проверка: какой ход есть у конструкции и какое усилие выдержит упор.

Пример расчёта: цилиндр Ø100 × 80 мм, рабочая деформация 20 %, то есть ход 16 мм. Чтобы погасить 125 Дж, нужно усилие 2 × 125 / 0,016 ≈ 15,6 кН. Площадь торца 7 850 мм², значит давление на торце около 2 МПа. Дальше по кривой сжатия выбранной марки полиуретана находят твёрдость, при которой 20 % деформации набирается именно при таком давлении. Если упор не держит 15,6 кН, нужен больший ход: более высокий буфер или более мягкая марка.

Две поправки на удар. Динамическая жёсткость полиуретана выше статической в 1,25–2,5 раза в зависимости от марки, поэтому при ударе буфер сожмётся меньше, чем по статической кривой, а сила будет выше. И часть энергии каждого удара уходит в тепло: при частых ударах буфер нагревается изнутри и при перегреве разрушается от сердцевины. Расчёт по статической кривой дают как оценку, а рабочую высоту и твёрдость подтверждают пробой на узле.

Как рассчитать резиновый буфер под удар?

Резиновый буфер под удар рассчитывают в три шага. Энергию находят как половину массы на квадрат скорости, делят на число буферов. Задают допустимый ход, для литого полиуретана в расчётной оценке до 15–20 % высоты, и находят усилие: удвоенная энергия, делённая на ход. По давлению на торце и форме выбирают твёрдость по кривой сжатия марки, затем проверяют, что упор выдержит это усилие.

Фактор формы меняет жёсткость сильнее твёрдости

Фактор формы равен отношению нагруженной площади к свободной боковой поверхности, которая выпучивается при сжатии. Для цилиндра диаметром d и высотой h он равен d / (4h). Буфер Ø100 × 80 мм имеет фактор 0,31, а шайба Ø100 × 20 мм уже 1,25. Плоская шайба из той же марки при равном давлении сожмётся в несколько раз меньше высокого цилиндра, потому что материалу некуда растекаться.

Из этого следует ошибка, которую делают при замене по образцу «примерно того же размера». Если старый буфер был высотой 80 мм, а новый сделали 50 мм того же диаметра и той же твёрдости, он и короче по ходу, и жёстче по форме. Тормозной путь сократится, сила вырастет, удар уйдёт в упор и металлоконструкцию. При замене сохраняют высоту и диаметр, а если их приходится менять, пересчитывают твёрдость.

Резину и полиуретан разводят по энергии и среде

Литой полиуретан при равном размере принимает больше энергии и лучше держит истирание, масло и многократное сжатие. Резина мягче, лучше гасит вибрацию и дешевле в формовом изготовлении больших партий. Для скребков, роликов и футеровки выбор полиуретан или резина делают по общему сравнению двух материалов; для буфера решающими оказываются три вопроса: сколько энергии, какой ход разрешён и что вокруг.

Среда выбирает каучук. Натуральный каучук даёт самый упругий отскок и хорош на морозе, но разбухает в масле и стареет на солнце. NBR держит масло, EPDM и хлоропрен держат улицу и озон. Полиуретан плохо переносит горячую воду и пар: в таких условиях идёт гидролиз, и буфер из обычной марки размягчается и крошится. Для горячих цехов и мойки под паром материал выбирают отдельно, без переноса опыта с сухого участка.

Схема показывает ориентир рабочих температур для марок общего назначения: натуральный каучук примерно от −50 до +70 °C, NBR от −30 до +100 °C, EPDM от −40 до +120 °C, хлоропрен от −40 до +100 °C. Для полиуретанового буфера каталог Enidine даёт диапазон от −40 до +80 °C (каталог промышленных буферов ITT Enidine). Марку для конкретного буфера фиксируют в КП.

Краны, прессы, рампы и ворота нагружают буфер по-разному

Концевые упоры кранов, кран-балок и тележек принимают редкие, но тяжёлые удары. Буферы здесь входят в конструкцию механизма, и их тип и характеристики заданы изготовителем крана. Новые буферы делают по чертежу или образцу с сохранением размеров и материала, а замену материала согласуют со специалистом, который отвечает за кран.

В прессах и штампах полиуретановый буфер работает пружиной: прижимает заготовку и выталкивает деталь миллионы раз за срок службы. Там на первый план выходит нагрев за цикл и усталость, а подбор ведут по усилию и ходу пружины; как это считают, видно в разборе полиуретановых пружин. На рампах и у ворот удары частые, лёгкие и приходятся в разные точки, поэтому там важнее стойкость к погоде и истиранию, чем энергоёмкость.

Отдельно стоит задача гашения вибрации. Буфер останавливает массу, а виброопора несёт её постоянно и изолирует колебания. Путать их нельзя: мягкая виброопора под ударом пробивается, а жёсткий буфер вибрацию передаёт; подбор опор под массу и частоту показан на примере резиновых виброопор.

Разрушенный буфер показывает причину, если смотреть по фактам

Новый буфер того же размера и материала проживёт столько же, сколько старый, если причина разрушения в узле. Поэтому перед заказом собирают факты: фото буфера со всех сторон и места его установки, остаточную высоту против исходной, твёрдость старого буфера по Шору, если есть твердомер, следы контакта металла с металлом на упоре, частоту ударов и примерную скорость, температуру в зоне и что попадает на буфер: масло, вода, солнце.

Признаки читаются так. Трещина от центра торца и крошение в середине говорят о перегрузке по энергии: буфер сжимали дальше, чем выдерживает материал. Разрушение изнутри с размягчённой сердцевиной указывает на нагрев от частых ударов. Разрывы по боковой поверхности появляются при сжатии сверх допустимого хода. Отрыв по границе с пластиной означает слабую связь с металлом или клеевое крепление. Набухший мягкий буфер побывал в масле, а мелкая сетка трещин на поверхности осталась от озона и солнца.

Если буфер изготавливали по заказу, к рекламации прикладывают тот же набор: фото, остаточную высоту, число дефектных из партии, номер партии или артикул, условия работы. По этим данным видно, где ошибка: в материале, в размере или в нагрузке, которая выросла после модернизации механизма.

Почему крошится полиуретановый буфер?

Полиуретановый буфер крошится по трём основным причинам: энергия удара больше той, что он принимает на своём ходу, частые удары разогревают его изнутри, или он работает в горячей воде и паре, где обычные марки разрушаются гидролизом. Первую причину лечат высотой и расчётом, вторую запасом по ходу, третью сменой материала.

Технологию выбирают по партии и закладной детали

Единичный буфер из полиуретана точат из литой заготовки без оснастки. Партию и буферы со стальной пластиной или закладной гайкой отливают в форму, металл при этом заливают полиуретаном сразу; так работает литьё полиуретана. Резиновые буферы формуют и вулканизуют в пресс-форме, привулканизируя основание. Пресс-форма для формовой детали стоит от 25 000 ₽ (ориентировочно, с НДС, точная цена в КП), и она окупается на серии, а не на двух штуках.

Полиуретановые буферы льют или точат так же, как другие изделия из полиуретана, резиновые формуют по правилам формовых РТИ. Для расчёта нужны размеры старого буфера и крепления, масса и скорость механизма или хотя бы то, что он тормозит, допустимый ход и условия работы. Если старый буфер разрушился, пришлите его фото с описанием, как именно: по признакам разрушения станет понятно, повторять его один в один или менять высоту и материал.