金屬橡膠隔振器隔振性能的實(shí)驗(yàn)研究

1 引 言

艦船在服役期間，由于主、輔機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此必須對(duì)艦船上的振動(dòng)源進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，這樣做一方面可以降低由于振動(dòng)源的振動(dòng)對(duì)艦船上設(shè)備造成的損害，另一方面通過減小振動(dòng)可以降低艦船向外輻射的機(jī)械噪聲，從而增強(qiáng)聲隱身的效果。金屬橡膠隔振器是一種性能優(yōu)良的新型隔振器，對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究可以更好地掌握其隔振性能。

金屬橡膠隔振器是以不同規(guī)格尺寸的金屬絲為原材料，經(jīng)螺旋纏繞、拉伸、模壓等特殊制備工藝成型的，它因具有橡膠的彈性而得名。由該種材料制成的隔振器在高低溫、腐蝕環(huán)境等特種工況下具有良好的隔振性能。由于金屬橡膠隔振器本質(zhì)上是由金屬材料制作而成的，因此它比真實(shí)的橡膠隔振器的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。金屬橡膠在受力變形時(shí)，由于其內(nèi)部金屬絲之間產(chǎn)生滑移，由此產(chǎn)生的金屬絲相對(duì)位移變形產(chǎn)生摩擦而耗散振動(dòng)能量，因此其隔振性能好。金屬橡膠還具有易制成各種形狀、各種相對(duì)密度、重量輕、剛度可調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在高低溫、大溫差及腐蝕性介質(zhì)等環(huán)境下所具有的良好隔振性能是普通橡膠隔振器所無法比擬的[1]。正是由于金屬橡膠具有這樣的優(yōu)點(diǎn)，使得其在各種艦船機(jī)械等隔振領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。由于在具體使用環(huán)境下，金屬橡膠的彈性模量、平均剛度和隔振特性與金屬橡膠的各個(gè)參數(shù)密切相關(guān)[2，3]，因此，本文通過實(shí)驗(yàn)研究了金屬橡膠隔振器的各個(gè)參數(shù)對(duì)其隔振特性的影響。

2 試驗(yàn)設(shè)備及隔振器

圖1 金屬橡膠隔振器

試驗(yàn)設(shè)備采用美國(guó)MTS公司810型通用液壓伺服靜態(tài)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)全程由計(jì)算機(jī)編程控制，數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)直接采集，其控制及數(shù)據(jù)采集精度基本滿足試驗(yàn)要求。由于該試驗(yàn)機(jī)只能使用直徑25 mm以下的上、下夾頭夾持實(shí)驗(yàn)件，因此金屬橡膠隔振器不能直接夾持于實(shí)驗(yàn)機(jī)上，必須配以適當(dāng)?shù)膴A具，圖2為作者設(shè)計(jì)的夾具原理圖。

圖2 隔振器尺寸及夾具圖

3 靜態(tài)試驗(yàn)

試驗(yàn)主要針對(duì)環(huán)形金屬橡膠隔振器進(jìn)行，受力方向?yàn)閺较?。在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)機(jī)最大靜載荷可達(dá)100 kN，誤差為20 N。

1) 金屬橡膠隔振器遲滯特性實(shí)驗(yàn)

圖3 靜態(tài)試驗(yàn)原理框圖

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采取位移控制的方式施加載荷，由力傳感器和位移傳感器采集力和位移的數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過計(jì)算機(jī)軟件分析力和位移數(shù)據(jù)，可以得到遲滯特性曲線。通過改變參數(shù)對(duì)金屬橡膠隔振器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析各參數(shù)對(duì)其遲滯特性的影響規(guī)律，由遲滯曲線所圍成的面積表示隔振器耗散的能量。根據(jù)金屬橡膠隔振器遲滯特性實(shí)驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)，得到圖4所示的典型的金屬橡膠隔振器遲滯特性曲線(圖中曲線為經(jīng)過擬合的曲線，下同)。由圖中曲線可以看出，環(huán)形金屬橡膠隔振器表現(xiàn)出弱非線性剛度特性，剛度呈現(xiàn)線性段所占比例較大，在剛度出現(xiàn)非線性的階段，隨著變形量的增加，環(huán)形金屬橡膠隔振器的剛度也逐漸增大，即剛度呈現(xiàn)漸硬特性。

圖4 金屬橡膠隔振器的彈性遲滯回線

2) 環(huán)形金屬橡膠隔振器彈性模量的確定及平均剛度的計(jì)算

① 彈性模量的確定

制作金屬橡膠隔振器所使用的材料屬于結(jié)構(gòu)阻尼材料,其非線性特性較弱,主要原因是由于工作過程中內(nèi)部金屬絲接觸點(diǎn)的數(shù)量變化小,內(nèi)摩擦力基本恒定,在變形幅值范圍內(nèi),變形量的大小對(duì)最大摩擦力的影響很小[5]。為了計(jì)算環(huán)形金屬橡膠隔振器的彈性模量,首先分析純金屬環(huán)沿圖2所示y軸方向力與變形之間的計(jì)算公式[6]。

(1)

由式(1)可得純金屬環(huán)的彈性模量：

(2)

② 平均剛度的計(jì)算

金屬橡膠隔振器內(nèi)部的金屬絲之間是相互勾連在一起的,可以把金屬橡膠隔振器看成是平均半徑為R, 橫截面尺寸為b×h的彈性圓環(huán)。分析式(2),R,b和h對(duì)于具體的金屬橡膠隔振器而言是固定的；對(duì)于環(huán)形金屬橡膠隔振器,只有平均剛度是未知的。因此，只要算出金屬橡膠隔振器的平均剛度，其彈性模量即可算出。由于金屬橡膠隔振器的剛度取決于金屬絲的直徑、金屬橡膠隔振器的成型密度、金屬橡膠隔振器的形狀以及制備工藝等因素,所以為了計(jì)算環(huán)形金屬橡膠隔振器平均剛度,要利用金屬橡膠隔振器的彈性遲滯回線(如圖4所示)。彈性遲滯回線中的加載曲線和卸載曲線與力軸p和變形軸x各有兩個(gè)交點(diǎn):與力軸p的兩個(gè)交點(diǎn)是總摩擦力T1和T2;與變形軸x的兩個(gè)交點(diǎn)是總變形量(即殘余變形)a1和a2。

金屬橡膠隔振器所使用的材料具有非線性特性，但是其在工作振幅范圍內(nèi)的彈性阻尼性能接近于線性(如圖3所示),所以利用環(huán)形金屬橡膠隔振器的彈性遲滯回線可以近似得到其平均剛度，平均剛度的計(jì)算公式為:

(3)

分別對(duì)不同外形尺寸的金屬橡膠隔振器進(jìn)行遲滯特性實(shí)驗(yàn)，得到不同的彈性遲滯回線，由彈性遲滯回線可以分別計(jì)算出不同外形尺寸的金屬橡膠隔振器的平均剛度Cp，列于表1。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,隨著金屬橡膠隔振器中徑R的增大，它的平均剛度呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)，但是不同中徑的金屬橡膠隔振器，在b和h相同的情況下，其彈性模量是相同的。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到4種不同尺寸隔振器的平均彈性模量為E=2.385 MPa。由此可以得出，具有不同幾何參數(shù)的環(huán)形金屬橡膠隔振器,當(dāng)其相對(duì)密度相同、金屬絲直徑相同、截面尺寸b×h(mm)相同時(shí),其彈性模量也相同，但是其平均剛度隨著中徑R的增大而減小。

4 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

為考察環(huán)形金屬橡膠隔振器在振動(dòng)狀態(tài)下的各項(xiàng)性能，進(jìn)行了一系列的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)。

動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)原理圖如圖5所示。

圖5 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)原理圖

將安裝好夾具的環(huán)形金屬橡膠隔振器平衡放置于試驗(yàn)機(jī)上，并與試驗(yàn)機(jī)的夾頭連接，調(diào)整試驗(yàn)機(jī)夾頭的位置，使夾頭處于不受力的狀態(tài)；選定激勵(lì)頻率及峰峰值對(duì)金屬橡膠隔振器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)正弦試驗(yàn)，即選定正弦頻率，對(duì)振動(dòng)位移的峰峰值進(jìn)行控制(Control Mode=Displacement)，采用循環(huán)方式(Buffer Type=Circular)對(duì)正弦試驗(yàn)過程中的載荷及位移等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)采集，并形成數(shù)據(jù)文件。

進(jìn)行新的參數(shù)條件下的測(cè)試之前，應(yīng)使試驗(yàn)機(jī)的位移值回零。

5 動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文主要從振動(dòng)頻率、成型密度及振幅對(duì)遲滯特性的影響進(jìn)行了分析。

1) 振動(dòng)頻率對(duì)遲滯特性的影響

對(duì)金屬橡膠隔振器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，預(yù)壓縮(或初始位移)為0 mm，即在自然狀態(tài)下，振動(dòng)幅值為1.0 mm，振動(dòng)頻率分別為2 Hz,4 Hz和6 Hz，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 振動(dòng)頻率對(duì)遲滯回線的影響

由圖6可以看出，在不同振動(dòng)頻率激勵(lì)下的金屬橡膠隔振器的遲滯回線基本上重合，由此可以得出，金屬橡膠隔振器的遲滯曲線所包圍的面積不因頻率的改變而改變，也即是振動(dòng)頻率對(duì)金屬橡膠隔振器消耗振動(dòng)能量沒有影響。因此，可以認(rèn)為在本實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)頻率對(duì)金屬橡膠隔振器的遲滯特性曲線沒有影響。

2) 成型密度對(duì)遲滯特性的影響

圖7 成型密度對(duì)遲滯回線的影響

由圖可見，金屬橡膠隔振器的成型密度對(duì)其遲滯特性的影響幾乎是和其成型密度成正比的。隨著金屬橡膠隔振器成型密度的增加，其加載—卸載曲線所包圍的面積越來越大，這是因?yàn)?，成型密度越大，表明單位體積內(nèi)的金屬絲數(shù)目也越多，在相同的變形下，發(fā)生摩擦的金屬絲的數(shù)量也越多，金屬絲之間的摩擦力也就越大，加載—卸載曲線所包圍的回線面積也越來越大，并呈現(xiàn)漸硬剛度特性，對(duì)于相同的變形，所需要施加的載荷也越來越大，遲滯曲線所圍的面積也越來越大，其阻尼比率也越來越大。這表明金屬橡膠隔振器隨著成型密度的增大，在振動(dòng)中所損耗的能量越來越強(qiáng)，其隔振效果也越來越好。

3) 振幅對(duì)遲滯特性的影響

對(duì)金屬橡膠隔振器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，振動(dòng)頻率為4 Hz，預(yù)壓縮(或初始位移)為0 mm，即在自然狀態(tài)下，振動(dòng)幅值分別為1.0 mm， 1.5 mm和2.0 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 振幅對(duì)遲滯回線的影響

由圖可見，隨著振動(dòng)幅值的增大，金屬橡膠隔振器遲滯曲線所圍成的面積越來越大，表明金屬橡膠隔振器在振動(dòng)中隨著振動(dòng)幅值的增大，其消耗的能量也隨著增大，其隔振特性逐步增強(qiáng)。這是因?yàn)檎穹苄r(shí)，金屬絲沒有克服它們之間的摩擦力，不會(huì)發(fā)生滑移現(xiàn)象或者發(fā)現(xiàn)滑移的現(xiàn)象表現(xiàn)得不明顯；當(dāng)振動(dòng)幅值加大，振動(dòng)表現(xiàn)得劇烈時(shí)，金屬絲間發(fā)生滑移的現(xiàn)象表現(xiàn)得更加明顯，金屬橡膠隔振器的剛度減小，隔振特性增強(qiáng)，遲滯曲線所包圍的面積增大，其在振動(dòng)中所損耗的能量也越來越大。

6 結(jié) 論

通過對(duì)不同外形尺寸的金屬橡膠隔振器進(jìn)行了靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，以及對(duì)取定外形尺寸的金屬橡膠隔振器進(jìn)行了振動(dòng)試驗(yàn)，得出了以下結(jié)論：

1) 通過實(shí)驗(yàn)證明，金屬橡膠隔振器的彈性模量取決于其相對(duì)密度、金屬絲直徑以及制備工藝方法等。在相對(duì)密度、截面尺寸b×h和金屬絲直徑相同的情況下,當(dāng)環(huán)形金屬橡膠隔振器的中徑發(fā)生變化時(shí),其彈性模量保持不變。

2) 金屬橡膠隔振器具有非線性阻尼特性，但是在工作振幅范圍內(nèi)它的彈性阻尼性能接近于線性,所以可以利用環(huán)形金屬橡膠隔振器的彈性遲滯回線計(jì)算得到其近似平均剛度，從而計(jì)算出金屬橡膠隔振器的彈性模量。

3) 不銹鋼絲金屬橡膠隔振器具有良好的隔振性能，其遲滯特性受成型參數(shù)，尤其是成型密度、振幅的影響較大，隨著這些參數(shù)的增大，金屬橡膠隔振器的隔振性能增強(qiáng)；成型密度對(duì)金屬橡膠隔振器遲滯特性的影響幾乎與其成型密度成正比關(guān)系，隨著成型密度的增大，遲滯回線包圍的面積呈正比例增加。由實(shí)驗(yàn)還得知，振動(dòng)頻率對(duì)金屬橡膠隔振器的遲滯特性幾乎沒有影響。所以通過合理地優(yōu)化這些參數(shù)，可以設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的金屬橡膠隔振器。

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