預(yù)壓量對橡膠減振器減振效果的影響分析

楊杰 ，李宛駿 ，張祥 ，汪玲 ，張紅

(1. 合肥同智機(jī)電控制技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230088 ；2. 安徽大學(xué)物理學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

物體或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在其平衡位置附近的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是普遍存在的一種運(yùn)動(dòng)形式。過于劇烈的振動(dòng)往往帶來危害，比如地震波引起的房屋振動(dòng)[1]，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的噪音，還有一些設(shè)備振動(dòng)導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效等，強(qiáng)烈的振動(dòng)對生產(chǎn)活動(dòng)、科學(xué)研究和日常生活都有嚴(yán)重的危害[2]。如果把振動(dòng)中產(chǎn)生激振力的物體叫做振源體，需要降低其振動(dòng)強(qiáng)度的物體就稱為減振體，相應(yīng)的減振措施則歸納為三類：抑制振源強(qiáng)度，隔振和消振[3]。其中，降低路面的不平衡度以減輕車輪受到的激勵(lì)，在振源和減振體之間安裝減振器，發(fā)動(dòng)機(jī)艙上黏貼高阻尼黏彈性材料分別是三種減振措施的典型例子。顯然，抑制振源強(qiáng)度從理論上是解決減振問題的最佳方法，如果振源強(qiáng)度無法改變，則需要通過隔振措施進(jìn)行減振。機(jī)電產(chǎn)品大部分都通過隔振措施進(jìn)行減振，即加裝不同類型的減振器[4～7]。

減振器作為一種工業(yè)產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)、生活的活動(dòng)中，以降低振動(dòng)帶來的損壞或不適，如汽車上的減振器，大型風(fēng)機(jī)減振器等。對于輕量級(jí)的產(chǎn)品，市面上的大部分減振器產(chǎn)品承重量較大，無法為輕量級(jí)產(chǎn)品提供良好的減振效果，而承重適合的減振器多用于精密設(shè)備或航天設(shè)備等，成本較高。對于這種情況，需要設(shè)計(jì)與開發(fā)新的減振器。并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

橡膠減振器是最常見的減振器，通常包含金屬，由橡膠與金屬在制造過程黏貼而成。橡膠減振器基于橡膠的彈性和阻尼實(shí)現(xiàn)減振功能，其中的金屬部件主要提供限位和安裝固定螺栓之用[8]，如圖1 所示是常用的橡膠減振器。這類減振器的性能主要取決與膠料的特性和添加劑等。橡膠減振器的減振性能主要表現(xiàn)為動(dòng)剛度，由于其彈性段為非線性，不同的壓縮量對其動(dòng)剛度存在顯著的影響[9]。本文通過試驗(yàn)考察預(yù)壓縮量對減振器的減振效果的影響。

圖1 常用橡膠減振器示意圖

1 材料和結(jié)構(gòu)

本文選用邵氏硬度分別43 和51 的天然橡膠，通過模具制造如圖2 所示的橡膠塊。使用兩塊該橡膠配合加工的鋼套和墊片，得到如圖3 所示的組合式橡膠減振器。通過改變鋼套的高度，控制減振器組合后橡膠的預(yù)壓量，即當(dāng)鋼套尺寸小于橡膠的原始高度時(shí)，減振器安裝后橡膠即會(huì)被壓縮[10]。根據(jù)橡膠的硬度，取預(yù)壓量分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm，同樣作為試驗(yàn)的變量，具體如表1 所示。

表1 減振器試驗(yàn)安裝情況示意圖

圖2 減振器橡膠示意圖

圖3 減振器組合示意圖

振動(dòng)試驗(yàn)的設(shè)備是振動(dòng)臺(tái)，試樣的安裝情況如圖4 所示，試驗(yàn)過程中在試驗(yàn)箱體上端黏貼加速度傳感器，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)上的加速度傳感器，記錄試驗(yàn)過程箱體的輸入振動(dòng)和輸出振動(dòng)的量級(jí)，評(píng)價(jià)減振器的減振效果。

圖4 減振器試驗(yàn)安裝情況示意圖

振動(dòng)輸入量級(jí)遵循GJB 150.16A-2009 中的C.3圖譜，如圖5 所示，對水平橫向（箱體短邊方向）、水平縱向（箱體長邊方向）和垂直方向分別進(jìn)行振動(dòng)加載，每個(gè)軸向振動(dòng)時(shí)間為30 min。同樣的，試驗(yàn)結(jié)果以振動(dòng)的加速度譜密度作為評(píng)價(jià)振動(dòng)量級(jí)大小的指標(biāo)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)條件GJB 150.16A-2009 C.3 圖譜示意圖

2 預(yù)壓量對減振效果的影響

通過對同一硬度橡膠的減振器在不同預(yù)壓量下的振動(dòng)加速度譜密度進(jìn)行對比，比較減振效果的差異。其中，代表譜密度的坐標(biāo)軸為對數(shù)形式，因此，譜密度較大的頻率范圍在考慮減振效果時(shí)的比重更大。

如圖6～ 圖8 所示，是硬度43 的橡膠對應(yīng)的減振器（編號(hào)1～4）在預(yù)壓量分別為0.5 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm 時(shí)的振動(dòng)傳遞情況。由結(jié)果可知，減振器對于低頻段（水平橫向振動(dòng)下低于約200 Hz，水平縱向和垂直方向振動(dòng)下低于約100 Hz）的減振效果較差，幾乎是放大了振動(dòng)，而高頻段的減振效果明顯。在水平橫向振動(dòng)中，預(yù)壓量為1.5 mm 時(shí)的減振效果最好，隨著預(yù)壓量的增加，振動(dòng)量級(jí)先變小后變大，預(yù)壓量為0.5 mm 時(shí)的減振效果最差；在水平縱向振動(dòng)中，當(dāng)預(yù)壓量為0.5 mm 時(shí)，減振效果最好，隨著預(yù)壓量的增加，振動(dòng)量級(jí)先變大后變小，預(yù)壓量為1.5 mm 時(shí)的減振效果最差；在垂直方向振動(dòng)中，當(dāng)預(yù)壓量為0.5 mm 時(shí)，減振效果最好，隨著預(yù)壓量的增加，振動(dòng)量級(jí)先變大后變小，預(yù)壓量為1.5 mm 時(shí)的減振效果最差。

圖6 水平橫向振動(dòng)中，硬度43 橡膠在不同預(yù)壓量下的減振器減振效果對比示意圖

圖7 水平縱向振動(dòng)中，硬度43 橡膠在不同預(yù)壓量下的減振器減振效果對比示意圖

圖8 垂直方向振動(dòng)中，硬度43 橡膠在不同預(yù)壓量下的減振器減振效果對比示意圖

如圖9～ 圖11 所示，考察硬度51 的橡膠對應(yīng)的減振器（編號(hào)5～8）在預(yù)壓量分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm 時(shí)的振動(dòng)傳遞情況。由結(jié)果可知，減振器對于低頻段（水平橫向振動(dòng)下低于約200 Hz，水平縱向和垂直方向振動(dòng)下低于約150 Hz）的減振效果較差，幾乎是放大了振動(dòng)，而高頻段的減振效果明顯。在水平橫向振動(dòng)中，隨著預(yù)壓量的增加，振動(dòng)量級(jí)先變小后變大，預(yù)壓量為1.0 mm 時(shí)的減振效果最好，預(yù)壓量為0.5 mm 時(shí)的減振效果最差；在水平縱向振動(dòng)中，隨著預(yù)壓量的增加，減振效果沒有明顯的規(guī)律，當(dāng)預(yù)壓量為1.5 mm 和2.0 mm 時(shí)，減振效果幾乎相同，預(yù)壓量為0.5 mm 時(shí)在頻率低于300 Hz 時(shí)的減振效果是最好的；在垂直方向振動(dòng)中，隨著預(yù)壓量的增加，振動(dòng)量級(jí)先變大后變小，當(dāng)預(yù)壓量為0.5 mm時(shí)，減振效果明顯好于其他預(yù)壓量的情形。

圖9 水平橫向振動(dòng)中，硬度51 橡膠在不同預(yù)壓量下的減振器減振效果對比示意圖

圖10 水平縱向振動(dòng)中，硬度51 橡膠在不同預(yù)壓量下的減振器減振效果對比示意圖

圖11 垂直方向振動(dòng)中，硬度51 橡膠在不同預(yù)壓量下的減振器減振效果對比示意圖

綜合以上結(jié)果，當(dāng)預(yù)壓量為0.5 mm 時(shí)，減振器的減振效果在水平縱向和垂直方向的振動(dòng)中均最好，在水平橫向的振動(dòng)中反而最差。其原因是減振器安裝在箱體上時(shí)，箱體自重引起的橡膠壓縮量大于0.5 mm，此時(shí)安裝支角和減振器之間存在間隙，當(dāng)水平橫向振動(dòng)時(shí)，更容易時(shí)箱體發(fā)生傾斜，相同時(shí)間內(nèi)更大的水平振動(dòng)幅度引起了更大的加速度。垂直方向振動(dòng)時(shí)，安裝支角和減振器之間的間隙會(huì)引起額外的摩擦，也會(huì)降低振動(dòng)的幅值。這個(gè)過程可能對橡膠的使用壽命造成不良影響。

3 預(yù)壓量對減振器壽命的影響

基于前一節(jié)的結(jié)果，考慮到預(yù)壓量為最大的2.0 mm 或2.5 mm 時(shí)，減振效果不存在最差的情況，因此選擇水平縱向和垂直方向的振動(dòng)中減振效果均最好0.5 mm預(yù)壓量和最大預(yù)壓量的試驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行對比，觀察橡膠材料的完好情況。需要注意的是，同一個(gè)試驗(yàn)通常先進(jìn)行垂直方向的振動(dòng)試驗(yàn)，再進(jìn)行水平方向的振動(dòng)試驗(yàn)，垂直方向振動(dòng)和水平方向振動(dòng)時(shí)，橡膠的受力方向有所不同。

硬度43 橡膠對應(yīng)的減振器在預(yù)壓量0.5 mm 和2.5 mm 時(shí)，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后的橡膠試樣圖如圖12 所示，可看出，預(yù)壓量0.5 mm 組的橡膠存在裂痕在深度和長度上明顯大于預(yù)壓量2.5 mm 組的橡膠上的裂痕。

圖12 硬度43 橡膠預(yù)壓量不同時(shí)，振動(dòng)后的材料損傷情況

硬度51 橡膠對應(yīng)的減振器在預(yù)壓量0.5 mm 和2.0 mm 時(shí)，振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后的橡膠試樣圖如圖13 所示，可看出，兩種預(yù)壓量下，橡膠表面均存在較淺的裂痕，且裂痕均。

圖13 硬度51 橡膠預(yù)壓量不同時(shí)，振動(dòng)后的材料損傷情況

4 結(jié)論

橡膠具有良好的彈性和適宜的阻尼，常常被用在減振器上。本文分別采用了兩種硬度的橡膠、四種不同的預(yù)壓量，共設(shè)計(jì)八種減振器，并分別安裝與試驗(yàn)箱體上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，通過箱體上的加速度傳感器計(jì)算振動(dòng)過程中的振動(dòng)譜密度曲線，對比不同減振器的減振效果。試驗(yàn)結(jié)果顯示，橡膠減振器由于自身的頻率，對于低頻的振動(dòng)的減振效果較差，甚至放大了振動(dòng)，對高頻振動(dòng)具有良好的減振效果。當(dāng)預(yù)壓量為0.5 mm 時(shí)，兩種硬度橡膠對應(yīng)的減振器在水平縱向和垂直方向振動(dòng)下的減振效果均優(yōu)于其他預(yù)壓量，但此時(shí)減振器在安裝后與安裝支腳之間存在間隙，在振動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生額外的摩擦，其中硬度為43 的橡膠上更容易產(chǎn)生明顯的裂痕，降低了橡膠的使用壽命。當(dāng)預(yù)壓量增加到2.5 mm（橡膠硬度43）或2.0 mm（橡膠硬度51）時(shí)，橡膠上的裂痕較淺，其使用壽命更長。

綜上所述，橡膠減振器的使用過程應(yīng)適當(dāng)增加預(yù)壓量，減振效果的降低并不明顯且減振器的使用壽命將提高，本例中的設(shè)計(jì)可以根據(jù)硬度選擇預(yù)壓量為2.0 mm 或2.5 mm。