振幅對(duì)金屬橡膠耐久性的影響

喬恒穩(wěn)++馬艷紅

摘要本文從試驗(yàn)的角度研究金屬橡膠構(gòu)件在交變載荷作用下振幅對(duì)金屬橡膠耐久性的影響。分析金屬橡膠在不同振動(dòng)幅值下，其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)和力學(xué)性能參數(shù)（彈性模量、損耗因子）隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明：小振幅加載增強(qiáng)了金屬橡膠的承載能力；振幅越大，對(duì)成型方向尺寸、彈性模量和損耗因子影響越明顯；內(nèi)部金屬絲螺旋卷之間的接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致宏觀結(jié)構(gòu)尺寸和力學(xué)性能變化的根本原因。

關(guān)鍵詞金屬橡膠；交變載荷；耐久性；振幅影響

中圖分類號(hào)： V250.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）01（b）-0000-00

金屬橡膠是由金屬絲經(jīng)繞絲、拉伸、編織和模壓成型等一些列工藝過(guò)程制作而成的多孔的功能性結(jié)構(gòu)阻尼材料，主要依靠金屬螺旋絲間相對(duì)滑移時(shí)的干摩擦耗散振動(dòng)能量，達(dá)到阻尼減振效果[1]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)金屬橡膠材料振動(dòng)載荷作用下耐久性方面的理論和試驗(yàn)研究較少，且多集中在較大振幅作用下的疲勞特性[2][3]，本文在參考前人對(duì)金屬橡膠耐久性和疲勞特性方面的研究，對(duì)不同振幅下的金屬橡膠的耐久性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1金屬橡膠試驗(yàn)件與測(cè)試方法

1.1金屬橡膠試驗(yàn)件

本試驗(yàn)采用長(zhǎng)方體金屬橡膠構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)。金屬絲材料選用0Cr18Ni9不銹鋼，金屬絲直徑0.10mm，螺旋卷直徑1.11mm，金屬橡膠相對(duì)密度0.20，結(jié)構(gòu)尺寸為21-21-10mm，成型壓縮比（毛坯高度與試件成型高度之比）為5。將金屬橡膠與兩片金屬片用膠粘合，三者形成一個(gè)整體，試驗(yàn)件與夾具如圖1所示。

1.2測(cè)試系統(tǒng)與方法

金屬橡膠交變載荷作用下耐久性試驗(yàn)裝置包括激振系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)。激振器輸出信號(hào)通過(guò)頂桿傳遞到被測(cè)金屬橡膠試驗(yàn)件上，試驗(yàn)件夾具的兩個(gè)金屬片分別通過(guò)螺栓與激振器和試驗(yàn)臺(tái)上的支座相連。位移傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)件的振動(dòng)位移幅值，保證試驗(yàn)過(guò)程的幅值恒定不變。

試驗(yàn)采用位移控制、對(duì)稱拉壓的形式對(duì)金屬橡膠成型方向進(jìn)行激振。金屬橡膠構(gòu)件的初始預(yù)壓縮量為0mm，激振頻率為70Hz，總工作循環(huán)為107。為了研究振幅對(duì)金屬橡膠耐久性的影響，設(shè)置了3組不同位移幅值的對(duì)比試驗(yàn)，位移幅值分別為1.0mm、1.3mm和1.6mm。

試驗(yàn)時(shí)，每激振一定循環(huán)次數(shù)后，測(cè)量金屬橡膠構(gòu)件在三個(gè)方向的尺寸及其準(zhǔn)靜態(tài)加載/卸載遲滯回線。準(zhǔn)靜態(tài)加載/卸載遲滯循環(huán)試驗(yàn)在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置由力傳感器（量程2.5KN）、電子千分表（量程25mm）等組成。

2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

2.1評(píng)估參數(shù)的選取

在交變載荷作用下，金屬橡膠構(gòu)件在宏觀上主要表現(xiàn)為承載能力、阻尼性能和結(jié)構(gòu)尺寸變化，因此選用其割線模量、損耗因子和結(jié)構(gòu)尺寸作為評(píng)估參數(shù)來(lái)表征金屬橡膠的耐久性。

準(zhǔn)靜態(tài)加載/卸載試驗(yàn)后得到試驗(yàn)力-變形遲滯回線，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，將應(yīng)力-應(yīng)變曲線上的任意一點(diǎn)與試驗(yàn)坐標(biāo)原點(diǎn)連線，連線的斜率作為該點(diǎn)對(duì)應(yīng)應(yīng)變下的彈性模量，即為該應(yīng)變下的割線彈性模量，簡(jiǎn)稱割線模量，由公式（1）定義，反映了從初始零應(yīng)變到加載至此應(yīng)變下的整個(gè)過(guò)程的總體當(dāng)量彈性模量值。

其中： 、 為某點(diǎn)處的應(yīng)力、應(yīng)變， 、 為原點(diǎn)處的應(yīng)變，默認(rèn)為0。

將應(yīng)力-應(yīng)變曲線上每一應(yīng)變點(diǎn)的斜率，定義為該應(yīng)變下的切線模量，由公式（2）定義，即采用變化的正切模量-應(yīng)變曲線來(lái)描述金屬橡膠材料彈性性能。

2.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

建立不同振幅下結(jié)構(gòu)尺寸、割線模量、損耗因子隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線，分別如圖4、圖5和圖6所示。

成型方向尺寸即高度隨著循環(huán)次數(shù)增加先增大，后減小，最終穩(wěn)定。從0次循環(huán)至1.2x105次循環(huán)高度突增，說(shuō)明交變載荷作用使高度增加。振幅越大，成型方向尺寸變化越大。兩個(gè)非成型方向尺寸基本不隨循環(huán)次數(shù)增加而變化，變化在2%以內(nèi)。

割線模量隨著循環(huán)次數(shù)增加先增大，后趨于穩(wěn)定；振幅越大，割線模量趨于穩(wěn)定的速度越快，即達(dá)到穩(wěn)定所需的循環(huán)次數(shù)越少。

不同振幅激勵(lì)下，損耗因子變化不同。1）10mm幅值時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，損耗因子逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定。2）13mm幅值時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，損耗因子變化不大。3）16mm幅值時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，損耗因子逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。

對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線加載段進(jìn)行六次多項(xiàng)式擬合，再對(duì)擬合曲線求導(dǎo)得到圓滑的切線模量-應(yīng)變曲線，在其上選取七個(gè)點(diǎn)，繪制分段的切線模量-應(yīng)變曲線，如圖7所示。

小應(yīng)變段，在相同應(yīng)變下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，切線模量在小范圍上下波動(dòng)；大應(yīng)變段，在相同應(yīng)變下，從0次循環(huán)至2.52x105次循環(huán)，切線模量變化不穩(wěn)定，在小范圍上下波動(dòng)；從2.52x105次循環(huán)至1.01x107次循環(huán)，隨著循環(huán)次數(shù)增加，切線模量逐漸增大。應(yīng)變?cè)酱?，大?yīng)變段切線模量增大越快越明顯。

2.3理論分析

2.3.1細(xì)觀結(jié)構(gòu)

對(duì)金屬橡膠細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型[4]的研究表明，金屬橡膠的基本組成單元是螺旋卷，可簡(jiǎn)化為微元彈簧，該彈簧分為橫向彈簧和縱向彈簧。兩種彈簧在金屬橡膠內(nèi)組成三種接觸狀態(tài)，分別為未接觸、滑移接觸和擠壓接觸，如圖8所示。金屬橡膠剛度和阻尼非線性的根本原因是其內(nèi)部螺旋卷之間接觸狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。

根據(jù)金屬橡膠的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型[4]，各個(gè)接觸狀態(tài)下的彈性模量有如下關(guān)系：

（3）

其中： 為未接觸狀態(tài)加載彈性模量， 為滑移接觸狀態(tài)加載彈性模量， 為擠壓接觸狀態(tài)加載彈性模量。

2.3.2理論分析

金屬橡膠模壓成型后，性能初步穩(wěn)定（內(nèi)部螺旋卷的三種接觸狀態(tài)分布比例一定）。耐久性試驗(yàn)中，長(zhǎng)方體金屬橡膠試件一端固定，一端受對(duì)稱拉壓激振力作用，此時(shí)的金屬橡膠內(nèi)部各處的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化不同，將金屬橡膠簡(jiǎn)化為層狀結(jié)構(gòu)，假設(shè)金屬橡膠構(gòu)件是由沿模壓成型方向的多個(gè)層面構(gòu)成，每一層的變化相同。在對(duì)稱拉壓作用下，越靠近激振端，內(nèi)部螺旋卷位移變化大，越容易變松散，將靠近激振端的部分稱為松散區(qū)；越靠近固定端，內(nèi)部螺旋卷位移變化小，越容易被壓實(shí)，將靠近固定端的部分稱為密實(shí)區(qū)，如圖9所示。

圖9金屬橡膠結(jié)構(gòu)示意圖

循環(huán)初期，松散區(qū)中，擠壓接觸和滑移接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲唇佑|，導(dǎo)致加載方向即金屬橡膠成型方向尺寸“膨脹”明顯。密實(shí)區(qū)中，未接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛平佑|和擠壓接觸，其中未接觸向滑移接觸轉(zhuǎn)變占主要，導(dǎo)致此部分成型方向尺寸減小。此時(shí)，松散區(qū)成型方向尺寸“膨脹”起決定作用，導(dǎo)致金屬橡膠成型方向尺寸隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，而彈性模量和損耗因子變化不大。

經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后，松散區(qū)中，三種接觸狀態(tài)基本動(dòng)態(tài)平衡，成型方向尺寸穩(wěn)定。密實(shí)區(qū)中，未接觸逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛平佑|和擠壓接觸，滑移接觸向擠壓接觸轉(zhuǎn)變占主要，導(dǎo)致大應(yīng)變段切線模量增大。

振幅越大，松散區(qū)越大，密實(shí)區(qū)越小，并且螺旋卷接觸狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變?cè)娇臁?6mm振幅激勵(lì)作用下，松散區(qū)中，擠壓接觸和滑移接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槲唇佑|的比例最大，從而成型方向尺寸變化最大；密實(shí)區(qū)中，未接觸向滑移接觸和擠壓接觸轉(zhuǎn)變?cè)娇欤瑥亩髴?yīng)變段切線模量最大，損耗因子下降明顯。

3結(jié)論

1）金屬橡膠在交變載荷作用下，隨著循環(huán)次數(shù)增加，成型方向尺寸在循環(huán)初期不穩(wěn)定增加，最終逐漸趨于穩(wěn)定；割線模量逐漸增大，最終趨于穩(wěn)定；大應(yīng)變段的各個(gè)應(yīng)變點(diǎn)處的切線模量逐漸增大。

2）振幅越大，金屬橡膠成型方向尺寸變化越大，割線模量趨于穩(wěn)定速度越快，大應(yīng)變段切線模量最大；損耗因子受振幅影響較大，振幅大時(shí)，損耗因子趨于減小。

3）金屬橡膠內(nèi)部不同部位的金屬絲螺旋卷之間的接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變是導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)尺寸、彈性模量和損耗因子隨循環(huán)次數(shù)增加而變化的根本原因。

參考文獻(xiàn)

[1]契戈達(dá)耶夫. 金屬橡膠構(gòu)件的設(shè)計(jì)[M]. 李中郢， 譯. 北京： 國(guó)防工業(yè)出版社，2000：2-12.

[2]曹鳳利，白鴻柏，王尤顏，周景濤. 振幅對(duì)金屬橡膠材料疲勞壽命的影響分析[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2013，05：671-675.

[3]王尤顏，白鴻柏，侯軍芳. 金屬橡膠材料疲勞損傷性能研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，02：65-71.

[4]朱彬，馬艷紅，張大義，洪杰.金屬橡膠遲滯特性本構(gòu)模型研究[J].物理學(xué)報(bào)，2012，07：474-481.

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