李靖飛,樊文欣，史曹楊，馬藝霖

(1.中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 太原 030051； 2.陸軍裝備部北京地區(qū)軍代局駐大同地區(qū)軍代室， 山西 大同 037000)

1 引言

金屬橡膠材料是一種由不銹鋼金屬絲經(jīng)過(guò)一定的編織工藝形成的新型減振材料，將金屬橡膠填充在各種設(shè)備的縫隙、管道處能夠有效起到減振、密封、降噪的作用。金屬橡膠構(gòu)件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)防武器裝備領(lǐng)域當(dāng)中，用其作隔振器的彈性阻尼元件可以獲得較好的隔振效果，并且金屬橡膠材料具有抗沖擊能力強(qiáng)、阻尼大、能適應(yīng)強(qiáng)輻射環(huán)境、耐高低溫、耐疲勞老化、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。金屬橡膠材料根據(jù)編織工藝不同可以分為金屬橡膠和金屬絲網(wǎng)(金屬橡膠材料為金屬絲網(wǎng)與金屬橡膠的統(tǒng)稱(chēng)，金屬橡膠專(zhuān)指金屬橡膠以作區(qū)分)，其中金屬絲網(wǎng)是由金屬絲編織成金屬絲網(wǎng)墊再冷沖壓制成的彈性多孔材料。對(duì)于金屬橡膠這種隔振材料振動(dòng)特性的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量的研究。其中以哈爾濱工程大學(xué)的鄒廣平教授的研究最具代表，其針對(duì)金屬絲網(wǎng)單種材料振動(dòng)特性的影響因素及變化規(guī)律進(jìn)行了較多研究，董萬(wàn)元等學(xué)者針對(duì)金屬絲網(wǎng)與金屬橡膠2種材料開(kāi)展靜態(tài)壓縮特性這方面的研究。但目前針對(duì)2種金屬橡膠材料的振動(dòng)特性還沒(méi)有相關(guān)方面的研究，其實(shí)這2種材料不僅僅是制作工藝和內(nèi)觀特征這方面有差異，其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也有著很大的不同。本項(xiàng)目中針對(duì)由不同編織工藝制成的金屬絲網(wǎng)與金屬橡膠的振動(dòng)特性展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

2 金屬絲網(wǎng)與金屬橡膠對(duì)比

金屬橡膠與金屬絲網(wǎng)都屬于非線(xiàn)性干摩擦阻尼材料。雖然二者的力學(xué)性能特征相似，但其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能有著很大的差異。2種材料根本上的區(qū)別在于編織工藝的不同，金屬橡膠材料制作工藝流程為：首先將選取的金屬絲通過(guò)彈簧纏繞設(shè)備卷繞成一根根規(guī)格參數(shù)相同的金屬絲螺旋卷，然后通過(guò)繞簧機(jī)將成型螺旋卷定螺距拉伸、纏繞成金屬橡膠毛胚，最后將其放入特制模具中經(jīng)過(guò)液壓機(jī)冷壓成型制成金屬橡膠試件如圖1所示。

圖1 金屬絲螺旋卷與金屬橡膠試件圖Fig.1 Spiral coil of metal wire and metal rubber test piece

金屬絲網(wǎng)材料制作工藝流程為：首先將選取的金屬絲按照一定規(guī)則編織成矩形且厚度均勻的平面金屬絲網(wǎng)墊，然后將金屬絲網(wǎng)墊均勻纏繞到成型中心軸上，最后將其填充于模腔，經(jīng)模具冷沖壓成型如圖2所示。

圖2 金屬絲網(wǎng)墊與金屬絲網(wǎng)試件圖Fig.2 Wire mesh pad and wire mesh test piece

雖然2種材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)都類(lèi)似于橡膠聚合物空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，但仔細(xì)觀察比較兩者細(xì)觀特征還是有很大的不同。金屬橡膠構(gòu)件內(nèi)部絲與絲之間相互勾聯(lián)，組織錯(cuò)綜復(fù)雜。其內(nèi)部有纏繞、相互擠壓、錯(cuò)位摩擦等多種接觸方式，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。因此金屬橡膠構(gòu)件可以看作是許多微元彈簧軸向或徑向，串聯(lián)或并聯(lián)在一起的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其具有高分子材料的特性，因而命名為金屬橡膠。金屬絲網(wǎng)構(gòu)件的金屬絲與絲之間交叉平鋪成波浪似的網(wǎng)狀，通過(guò)一定的紋路規(guī)則將網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)一層層的平鋪成金屬絲網(wǎng)構(gòu)件。絲與絲之間的接觸方式多為交叉、擠壓。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)材料及隔振器設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)選取自行設(shè)計(jì)的2種金屬橡膠隔振器中的彈性元件即金屬橡膠網(wǎng)塊與金屬絲網(wǎng)網(wǎng)塊。本實(shí)驗(yàn)基于控制變量的原則，2種網(wǎng)塊絲材、形狀、尺寸大小、相對(duì)密度都相同，具體參數(shù)見(jiàn)表1所示。下網(wǎng)塊為環(huán)形柱狀結(jié)構(gòu)，如圖3所示(上網(wǎng)塊除高度為15mm外，其余參數(shù)與下網(wǎng)塊皆相同，單位mm)。

表1 金屬橡膠(絲網(wǎng))結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of metal rubber (wire mesh)

圖3 金屬橡膠(絲網(wǎng))網(wǎng)塊圖Fig.3 Two dimensional view of metal rubber (wire mesh) mesh block

金屬橡膠隔振器主要由軸、座、蓋、上網(wǎng)塊、下網(wǎng)塊5部分組成如圖4所示。其軸、座、蓋包圍起來(lái)的內(nèi)部空間包含上下2個(gè)金屬橡膠網(wǎng)塊。

圖4 金屬橡膠隔振器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural diagram of metal rubber vibration isolator

3.2 試驗(yàn)臺(tái)架

本次實(shí)驗(yàn)選用了由蘇式實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的DC-10000-10型號(hào)的電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)的技術(shù)水平，設(shè)備具有低頻失真小，承載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，工作穩(wěn)定可靠。電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)及隔振器安裝如圖5所示。本次掃頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由振動(dòng)臺(tái)、振動(dòng)控制儀、數(shù)據(jù)采集分析儀INV3020C、功率放大器、電荷放大器、壓電式加速度傳感器CA-YD-186，計(jì)算機(jī)等裝置組成。振動(dòng)試驗(yàn)原理如圖6所示。

圖5 振動(dòng)臺(tái)及隔振器裝置圖Fig.5 Installation drawing of vibration table and vibration isolator

圖6 振動(dòng)試驗(yàn)原理示意圖Fig.6 Schematic diagram of vibration test

3.2 試驗(yàn)方案

參考同類(lèi)別金屬橡膠隔振器的技術(shù)指標(biāo)要求及工況條件，選擇與其相似的實(shí)驗(yàn)條件，制定本次金屬橡膠橡膠隔振器正弦掃頻振動(dòng)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)中隔振器上方的配重塊為400 kg，掃頻方式為對(duì)數(shù)掃頻，控制通道靈敏度設(shè)置為300 mV/g，掃頻循環(huán)范圍為5 Hz-500 Hz-5 Hz，輸入的最大振幅限定為12.7 mm，一次循環(huán)時(shí)間設(shè)為15 min，循環(huán)次數(shù)定位4次，掃頻包線(xiàn)段(拐點(diǎn))設(shè)為兩段，設(shè)定正弦掃頻實(shí)驗(yàn)量級(jí)為2 g。

掃頻實(shí)驗(yàn)中，電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)激振控制方式為加速度控制，即輸入加速度為定值。加速度增加階段為位移控制，輸入加速度達(dá)到設(shè)定值后改為加速度控制。控制方式由位移控制改為加速度控制處稱(chēng)為拐點(diǎn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)量級(jí)和位移可以求得拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的頻率其表達(dá)式為

(1)

式中：為掃頻試驗(yàn)拐點(diǎn)處頻率，Hz；為激振量級(jí)，g；為振動(dòng)幅值，mm。

表2 激勵(lì)為2 g時(shí)掃頻實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)譜的設(shè)置參數(shù)Table 2 Setting parameters of target spectrum of frequency sweep experiment when the excitation is 2 g

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)正弦掃頻振動(dòng)試驗(yàn)可以獲得2種材料隔振器的傳遞函數(shù)、固有頻率等振動(dòng)特性表征參數(shù)。表3、表4分別為2種材料在不同振動(dòng)量級(jí)下的振動(dòng)特性參數(shù)表。

表3 金屬橡膠隔振器在不同振動(dòng)量級(jí)下振動(dòng)特性參數(shù)Table 3 Vibration characteristic parameters of metal rubber isolator under different vibration orders

表4 金屬絲網(wǎng)隔振器在不同振動(dòng)量級(jí)下振動(dòng)特性參數(shù)Table 4 Vibration characteristic parameters of wire mesh isolator under different vibration orders

4.1 編織工藝對(duì)傳遞函數(shù)的影響

圖7為裝有金屬橡膠和金屬絲網(wǎng)的金屬橡膠隔振器在振動(dòng)量級(jí)為2 g的試驗(yàn)條件下的傳遞率函數(shù)曲線(xiàn)。從其中可以看到金屬橡膠的傳遞率函數(shù)曲線(xiàn)圖在頻率為29 Hz左右處達(dá)到峰值，此時(shí)傳遞率為291.133%，金屬橡膠相比于金屬絲網(wǎng)更早達(dá)到峰值。當(dāng)頻率為55 Hz時(shí)，金屬橡膠傳遞率小于1，金屬橡膠隔振器率先進(jìn)入隔振狀態(tài)，而金屬絲網(wǎng)隔振器在頻率為140 Hz左右處進(jìn)入隔振狀態(tài)，因此金屬橡膠能夠比金屬絲網(wǎng)提前進(jìn)入隔振狀態(tài)。圖8為隔振器在3 g、4 g振動(dòng)量級(jí)下傳遞函數(shù)曲線(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示隨著量級(jí)的增大，金屬橡膠隔振器依舊比金屬絲網(wǎng)先到達(dá)峰值，并且率先進(jìn)入隔振狀態(tài)。這說(shuō)明在相同試驗(yàn)條件下，金屬橡膠隔振器始終比金屬絲網(wǎng)的隔振效率好；并且隨著試驗(yàn)量級(jí)增大，2種材料傳遞函數(shù)曲線(xiàn)向左移動(dòng)，峰值下降。

圖7 振動(dòng)量級(jí)為2 g時(shí)傳遞函數(shù)曲線(xiàn)Fig.7 Transfer function curve when the vibration magnitude is 2 g

圖8 振動(dòng)量級(jí)為3 g、4 g時(shí)傳遞函數(shù)曲線(xiàn)Fig.8 Transfer function curve when the vibration magnitude is 3 g or 4 g

4.2 編織工藝對(duì)固有頻率的影響

圖9為裝有金屬橡膠和金屬絲網(wǎng)的金屬橡膠隔振器在振動(dòng)量級(jí)為1～7 g的試驗(yàn)條件下的固有頻率-振動(dòng)量級(jí)曲線(xiàn)。從圖9中可以看到，金屬橡膠隔振器固有頻率在任一振動(dòng)量級(jí)試驗(yàn)條件下總是低于金屬絲網(wǎng)隔振器的固有頻率。分析2種材料的細(xì)觀特征，可以從側(cè)面看到金屬絲網(wǎng)內(nèi)金屬絲呈波浪狀線(xiàn)型，沿環(huán)形層疊分布，絲與絲之間并排擠壓，因此金屬絲網(wǎng)內(nèi)部空間狹小，剛度較大。由固有頻率與剛度之間的關(guān)系表達(dá)式

圖9 不同振動(dòng)量級(jí)下固有頻率-振動(dòng)量級(jí)曲線(xiàn)Fig.9 Natural frequency vibration magnitude curve under different vibration magnitude

(2)

可知固有頻率與剛度成正比，因此剛度較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致固有頻率增大；而金屬橡膠側(cè)面顯示金屬絲之間折彎成小圓頭，絲與絲之間咬合、勾聯(lián)呈無(wú)序分布，因此金屬橡膠內(nèi)部有較多孔洞縫隙，剛度較小時(shí)，導(dǎo)致固有頻率較小。同時(shí)可以看到隨著振動(dòng)量級(jí)的增加，金屬橡膠隔振器與金屬絲網(wǎng)隔振器的固有頻率都呈現(xiàn)不同程度的下降趨勢(shì)，這是由于隨著振動(dòng)量級(jí)增大，網(wǎng)塊內(nèi)部金屬絲之間滑移、擠壓現(xiàn)象增多，隔振器產(chǎn)生剛度軟化和阻尼增強(qiáng)效應(yīng)，導(dǎo)致網(wǎng)塊固有頻率下降。并且下降幅度不斷減小。當(dāng)振動(dòng)量級(jí)達(dá)到5 g之后，兩者固有頻率都基本維持不變，2種隔振器都表現(xiàn)出穩(wěn)定的隔振性能。

4.3 編織工藝對(duì)阻尼比的影響

在頻率域中通常用半功率法來(lái)計(jì)算阻尼比，阻尼比反映了金屬橡膠材料阻尼性能的大小。圖10為裝有金屬橡膠和金屬絲網(wǎng)的金屬橡膠隔振器在振動(dòng)量級(jí)為2～7 g的試驗(yàn)條件下的阻尼比變化曲線(xiàn)。圖10中金屬橡膠阻尼比略高于金屬絲網(wǎng)，且金屬橡膠與金屬絲網(wǎng)阻尼變化趨勢(shì)基本一致，隨著試驗(yàn)振動(dòng)量級(jí)的加大，阻尼比先增大后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)榻饘傧鹉z內(nèi)部空間縫隙相對(duì)金屬絲網(wǎng)較多，金屬絲滑移空間大，滑動(dòng)摩擦較強(qiáng)烈，耗能能力較強(qiáng)，所以其阻尼比較大。當(dāng)振動(dòng)量級(jí)增大時(shí)，金屬橡膠材料內(nèi)部金屬絲之間受力增大，絲與絲之間摩擦現(xiàn)象增多，隔振器耗散能量的能力增強(qiáng)，所以隨著振動(dòng)量級(jí)增大，金屬橡膠與金屬絲網(wǎng)的阻尼比均呈增大趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)不會(huì)一直保持，當(dāng)振動(dòng)量級(jí)到達(dá)6 g之后，此時(shí)的金屬橡膠材料進(jìn)入硬特性變形階段，金屬橡膠材料剛度變得很大，隔振器耗能能力下降，阻尼比呈下降趨勢(shì)并趨于穩(wěn)定。

圖10 不同振動(dòng)量級(jí)下阻尼比變化曲線(xiàn)Fig.10 Damping ratio vibration magnitude curve under different vibration magnitude

5 結(jié)論

依據(jù)金屬絲網(wǎng)與金屬橡膠2種材料不同的編織工藝和細(xì)觀特征預(yù)測(cè)了2種材料不同的振動(dòng)特性。通過(guò)正弦掃頻試驗(yàn)論證了2種材料具有不同振動(dòng)特性的預(yù)測(cè)。在結(jié)構(gòu)參數(shù)(絲徑、預(yù)緊量、相對(duì)密度)與試驗(yàn)條件相同的前提下，金屬橡膠比金屬絲網(wǎng)能提前進(jìn)入隔振狀態(tài)，傳遞率較低，即隔振效率較高；金屬橡膠固有頻率較小；金屬橡膠阻尼性能更好，耗能能力更強(qiáng)。隔振器工作環(huán)境要求激振力為2 g左右，激振頻率為130～160 Hz，圖7中顯示此時(shí)金屬橡膠的傳遞率為35%，而金屬絲網(wǎng)隔振器的傳遞率為91%。因此金屬橡膠相比于金屬絲網(wǎng)具有更優(yōu)異的隔振性能。金屬橡膠隔振器更適合在發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)這種高強(qiáng)度，大載荷的環(huán)境中工作。