金屬橡膠減振器振動及沖擊特性實驗研究

金鳴，薛前光，田立強(qiáng)，宋新波

（北京航空工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

0 引言

隨著電子產(chǎn)品使用范圍的擴(kuò)展，惡劣力學(xué)環(huán)境下電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性要求也逐漸提高，舊式的金屬彈簧及橡膠減振器越來越難以符合一些領(lǐng)域（如航空航天）電子產(chǎn)品的應(yīng)用要求[1]。20世紀(jì)60年代，前蘇聯(lián)為了解決空間飛行器上的減振、過濾、密封等問題，成功地研制出金屬橡膠材料。金屬橡膠材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是金屬絲相互交錯勾聯(lián)形成的類似橡膠高分子結(jié)構(gòu)那樣的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它受到、振動位移時，金屬橡膠的干摩擦阻尼可耗散大量的能量而起到減振作用[2-3]。用金屬橡膠材料制成的金屬橡膠減振器（MRD：Metal Rubber Damper）不僅耐高低溫，而且耐腐蝕、不易老化、抗沖擊，具有很長的工作壽命，在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于具有明顯的非線性本構(gòu)關(guān)系，所以金屬橡膠減振器的振動以及沖擊特性也較為復(fù)雜。為了使金屬橡膠減振器能夠在電子產(chǎn)品防振工程上得到更好的應(yīng)用，本文采用正弦掃描以及沖擊實驗對金屬橡膠減振器的減振及抗沖擊性能進(jìn)行了研究。

1 實驗設(shè)備及原理

為了研究金屬橡膠減振器的振動及沖擊特性，作者采用如圖1所示的金屬橡膠減振器進(jìn)行實驗。減振器主要由上下兩塊金屬橡膠材料以及金屬彈簧構(gòu)成。金屬彈簧用于彌補(bǔ)金屬橡膠材料剛度太小的缺點(diǎn)。

圖1 金屬橡膠減振器結(jié)構(gòu)圖

實驗原理圖如圖2所示。圖中的電荷傳感器1內(nèi)置在振動臺中，它與振動臺以及控制與功率放大器三者構(gòu)成了一個實時循環(huán)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證了振動臺能產(chǎn)生出所需的振動信號。整個實驗信號的傳遞過程為：由PC機(jī)設(shè)定參考信號，內(nèi)置控制器根據(jù)參考信號來輸出驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動振動臺的振動，振動加速度信號經(jīng)電荷傳感器反饋到內(nèi)置電荷放大器，電荷放大器調(diào)整加速度信號為電壓信號后輸入到控制器，控制器根據(jù)反饋的信號和參考信號對比，根據(jù)偏差調(diào)整得到穩(wěn)定的振動臺輸出信號。輸出信號經(jīng)過金屬橡膠減振器放大或衰減后由電荷傳感器2采集并傳輸?shù)娇刂婆c功率放大器，然后反饋到PC機(jī)。圖3為實驗現(xiàn)場。

圖2 實驗原理圖

圖3 實驗現(xiàn)場

2 正弦掃頻實驗結(jié)果及其分析

金屬橡膠材料振動特性的影響因素較多，本文只研究不同的配重以及不同的正弦激勵幅值下金屬橡膠減振器的振動特性。假設(shè)金屬橡膠減振器是線性系統(tǒng)，單自由度線性粘性阻尼系統(tǒng)的傳遞率T的表達(dá)式為[3]:

式（1）中：f0——系統(tǒng)固有頻率；

f——激振頻率；

ξ——阻尼比。

可以得到金屬橡膠減振器的傳遞率曲線，即可求得系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，再根據(jù)以下公式則可求得系統(tǒng)的剛度k[4]。

2.1 不同的配重對金屬橡膠減振器振動特性的影響

對配重分別為0.26、0.32、0.38、0.44 kg的金屬橡膠減振器進(jìn)行正弦掃頻實驗，正弦加速度峰值為1 g，頻率范圍為10～1 000 Hz。實驗結(jié)果如圖4所示。

從實驗結(jié)果求出的不同配重下系統(tǒng)的固有頻率、等效剛度以及等效阻尼比如表1所示。由此可見，隨著配重的增加，金屬橡膠減振器的固有頻率、等效剛度以及阻尼比都呈現(xiàn)出先下降后趨于平穩(wěn)的趨勢。

表1 不同配重時的系統(tǒng)參數(shù)

2.2 不同的激勵幅值對金屬橡膠減振器振動特性的影響

對配重為200 g的金屬橡膠減振器進(jìn)行加速度幅值分別為0.5、1、1.5、2 g的正弦掃頻實驗，頻率范圍為10～1 000 Hz，實驗結(jié)果如圖5所示。

從實驗結(jié)果可以求出在系統(tǒng)質(zhì)量不變的情況下，加速度幅值分別為0.5、1、1.5、2 g時的固有頻率、等效剛度以及等效阻尼比如表2所示。由此可見，隨著加速度幅值的增加，金屬橡膠減振器的固有頻率、等效剛度以及等效阻尼比都將降低，而共振放大倍數(shù)將增大，金屬橡膠減振器的剛度呈現(xiàn)出軟特性。

圖5 不同的激勵幅值時的響應(yīng)及傳遞率

表2 不同的激勵幅值時的系統(tǒng)參數(shù)

3 沖擊實驗結(jié)果及其分析

采用沖擊隔離系數(shù)ηs作為考察金屬橡膠減振器沖擊特性的指標(biāo)。沖擊隔離系數(shù)ηs定義為[4]:

3.1 不同的配重

在線性系統(tǒng)中，質(zhì)量的增加使系統(tǒng)的固有頻率ωn降低。在沖擊持續(xù)時間τ和沖擊加速度峰值不變的情況下，ωnτ降低，ηs系統(tǒng)的沖擊隔離系數(shù)降低，提高了緩沖效果。但在非線性隔沖系統(tǒng)中，有時負(fù)載質(zhì)量的增加并不一定就會提高緩沖效果，圖6為沖擊加速度峰值為9 g，持續(xù)時間為11 ms的半正弦波沖擊下，配重分別為0.23、0.30、0.37、0.44 kg時的金屬橡膠減振器的加速度響應(yīng)曲線及沖擊隔離系數(shù)。由此可見，在隨著配重的增加，響應(yīng)峰值發(fā)生的時間緩慢延后，最大正值響應(yīng)的變化不大，而最大負(fù)值響應(yīng)則不斷增大，但金屬橡膠減振器的沖擊隔離系數(shù)卻先增大后減小。

3.2 不同沖擊的加速度峰值

在無阻尼線性系統(tǒng)中，沖擊加速度的峰值對沖擊隔離系數(shù)的影響很小。但對于金屬橡膠隔振器，不但沖擊響應(yīng)最大峰值加速度和最大變形與沖擊加速度峰值有關(guān)，而且沖擊隔離系數(shù)也隨著沖擊加速度峰值的變化而變化。圖7是在配重為0.30 kg時金屬橡膠減振器在峰值分別為6、7、8、9 g的持續(xù)時間為11 ms的半正弦波沖擊下的加速度響應(yīng)曲線以及沖擊隔離系數(shù)?？梢钥闯?，隨著沖擊峰值的增加，響應(yīng)的峰值也隨著增大，而且沖擊隔離系數(shù)也越來越大。

圖7 沖擊峰值不同時的沖擊響應(yīng)及ηs

3.3 不同的沖擊持續(xù)時間

沖擊時間是影響沖擊隔離效果的主要因素，在短沖擊時增加沖擊持續(xù)時間增大了沖擊隔離系數(shù)和最大變形，而在長沖擊時沖擊隔離系數(shù)和最大變形不但與沖擊持續(xù)時間有關(guān)而且與沖擊脈沖波形有關(guān)。圖8是負(fù)載質(zhì)量為0.3 kg，沖擊峰值為6 g時金屬橡膠減振器在沖擊時間分別為6、8、10、12 ms時的沖擊加速度響應(yīng)以及沖擊隔離系數(shù)。可以看出，隨著沖擊持續(xù)時間的增大，響應(yīng)的峰值以及沖擊隔離系數(shù)也隨著增大。

圖8 持續(xù)時間不同時的沖擊響應(yīng)及ηs

4 結(jié)束語

本文通過正弦掃頻和沖擊實驗，研究了金屬橡膠減振器的振動及沖擊特性，結(jié)論如下：

1）金屬橡膠減振器具有明顯的非線性特征，隨著激勵幅值的增加，其固有頻率和剛度減小，呈現(xiàn)出軟特性；

2）金屬橡膠材料的阻尼較金屬彈簧要高，與金屬彈簧相結(jié)合的話，不僅能保證所需剛度的要求，而且具有更好的阻尼減振效果；

3）配重和沖擊峰值對金屬橡膠減振器的沖擊隔離系數(shù)負(fù)載的影響與線性系統(tǒng)不同。

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