隔振器和墊板貼合率的測(cè)量方法研究

徐建龍，許 銳，徐北平

（武昌船舶重工有限責(zé)任公司，武漢 430060）

0 引 言

在機(jī)械隔振系統(tǒng)中存在著大量的相互接觸的區(qū)域，如隔振器與墊板、墊板與基座等，這些組件間相互接觸的面積大小直接影響到接觸部位的接觸剛度[1]。而組件的靜剛度主要由結(jié)構(gòu)剛度和接觸面間的接觸剛度組成[2]，因此，組件接觸部位的連接狀態(tài)直接影響到系統(tǒng)組件的剛度特性和機(jī)械隔振系統(tǒng)的隔振效果。此外，盡管組件的實(shí)際接觸面積僅占名義接觸面積的 1%～30%[3]，其接觸剛度卻占了機(jī)械結(jié)構(gòu)總剛度的40%～50%[4]，由此可見，接觸面的接觸特性對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能研究具有重要的意義。

考慮到組件的實(shí)際接觸面積較難獲取，而傳統(tǒng)的藍(lán)油法及塞尺法無法完全反映出組件的接觸程度，因此，為克服傳統(tǒng)藍(lán)油法精度低，傳統(tǒng)Hertz理論結(jié)果不易驗(yàn)證的問題，通過接觸痕跡法獲取組件間的名義接觸面積。

1 一種新的金屬間貼合率的測(cè)量方法

提出了一種用于檢測(cè)墊板和金屬隔振器貼合率測(cè)量方法，該方法克服了傳統(tǒng)的Hertz理論中模型簡(jiǎn)化過多，結(jié)果不易驗(yàn)證的缺點(diǎn)。而工程中常用的藍(lán)油法，又因其存在偶然性而不能準(zhǔn)確得到金屬間的貼合率。

由于金屬間的貼合程度主要由組件所受的壓力以及兩接觸面的物理特性（如粗糙度、波紋度）所決定。因此，為了較準(zhǔn)確的測(cè)得接觸面的接觸面積，需要綜合考慮壓力、粗糙度和波紋度對(duì)貼合程度的影響。

1.1 壓力、粗糙度對(duì)系統(tǒng)貼合程度的影響分析

在工程應(yīng)用中，彈性體間的接觸通常為有限長(zhǎng)的線接觸，即在緊靠接觸區(qū)端部存在一個(gè)很小的應(yīng)力集中區(qū)域[5]，而接觸的程度則與接觸面波紋度和粗糙度相關(guān)。所以，研究?jī)山饘俦砻娴馁N合程度時(shí)，實(shí)際研究的是金屬表面的微小凸體間的接觸情況。由赫茲接觸理論可知，其中粗糙面的微小凸體可以近似地等效為球體，其等效曲率半徑為R1、R2[6]。在此情況下，兩接觸區(qū)域間的接觸變形可通過有限長(zhǎng)線接觸彈性接觸變形公式計(jì)算[7～9]，即：

通過對(duì)上式的計(jì)算可知，壓力與接觸變形基本呈線性關(guān)系；另外，當(dāng)壓力達(dá)到 2000N左右時(shí)，R在63.5mm以內(nèi)的形變均在20μm左右，故通常認(rèn)為表面粗糙度RZ值在0.4～20μm之間，波紋度WZ值在0.8～40μm之間。在承壓不小于5kN的工作條件下，表面粗糙度和波紋度的影響可以忽略。

1.2 貼合率的測(cè)量

1.2.1 接觸痕跡的獲取

對(duì)于隔振器與墊板組件在一定壓力情況下的接觸痕跡的獲取可以采取紅丹藍(lán)油法進(jìn)行著色處理。然后在組件間無相對(duì)滑動(dòng)的情況下，由螺栓將墊板和隔振器進(jìn)行固定，通過壓力試驗(yàn)機(jī)，對(duì)組件平緩、均勻的加載壓力至指定值。對(duì)于隔振器，應(yīng)充分考慮其自身的蠕變特性對(duì)系統(tǒng)預(yù)載荷的影響。以JCG-2500B型隔振器為研究對(duì)象，通過多次測(cè)量結(jié)果表明，當(dāng)壓力時(shí)間達(dá)到5min后，其蠕變特性對(duì)壓力的影響已可忽略（見圖1）。

1.2.2 接觸面積的獲取

在完成壓力試驗(yàn)機(jī)的加載后，通過用125mm×125mm范圍內(nèi)刻有2500個(gè)2.5mm×2.5mm的小方格（誤差≤0.1mm）的透明網(wǎng)格板平緩地放置在有接觸痕跡的被測(cè)面上，按區(qū)域用網(wǎng)格法測(cè)量?jī)山佑|面的貼合率（見圖 2）。測(cè)量過程中，不允許有碰撞和拖動(dòng)等破壞接觸痕跡的現(xiàn)象發(fā)生。由于被測(cè)機(jī)械隔振系統(tǒng)墊板和隔振器在未加載狀態(tài)下的表面粗糙度與波紋度的實(shí)際測(cè)量結(jié)果均≤20μm。因此可以判定，此時(shí)表面粗糙度和波紋度的影響可以忽略。認(rèn)定8.0mm（取樣長(zhǎng)度）的區(qū)域內(nèi)接觸痕跡不少于3個(gè)點(diǎn)為接觸區(qū)域。這樣，通過計(jì)算工作區(qū)域內(nèi)組件間貼合的總格數(shù)，即可獲得組件的貼合率。

圖1 隔振器和墊板貼合率測(cè)試系統(tǒng)

圖2 接觸面積的獲取

1.2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)

貼合率P的評(píng)定以認(rèn)定有接觸痕跡的區(qū)域占用2.5mm×2.5mm小方格的數(shù)量與機(jī)械隔振系統(tǒng)墊板和隔振器工作區(qū)域占用2.5mm×2.5mm小方格的總數(shù)量之百分比表示：

式中：nj——認(rèn)定有接觸痕跡的區(qū)域占用2.5mm×2.5mm小方格的數(shù)量；nz——機(jī)械隔振系統(tǒng)墊板和隔振器工作區(qū)域占用2.5mm×2.5mm小方格的總數(shù)量。根據(jù)貼合率的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算可得不同加工工藝下墊板和隔振器的貼合率。試驗(yàn)對(duì)象為分別采用車、刨、磨3種加工墊板各6塊，共18塊墊板進(jìn)行表面加工處理。不同加工工藝下墊板和隔振器的貼合率見圖3。

由圖3可知，雖然每種加工工藝下的墊板因在加工、安裝過程中以及安裝位置的差異性均會(huì)導(dǎo)致最終結(jié)果產(chǎn)生一定的偏離，但3種加工工藝下的墊板與隔振器的貼合率均在80%以上。

對(duì)3種加工工藝下的墊板與隔振器系統(tǒng)的貼合率作平均處理，可得精刨加工的平均貼合率為88.9%，精磨加工的平均貼合率為90.4%，精車加工的平均貼合率為89.1%，對(duì)比3種加工工藝可知，整體相差不大，最大僅差1.5%，整體離散度不大。

圖 3 不同加工方式下各墊板樣本與隔振器之間的貼合率變化曲線

2 結(jié) 語

通過對(duì)隔振器和墊板間的貼合率的測(cè)量方法的研究，結(jié)合3種不同加工工藝下得到的墊板與隔振器間貼合率的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果可知：

1) 提出的接觸痕跡法獲得隔振器和墊板間的名義貼合率具有簡(jiǎn)單可行的優(yōu)點(diǎn)，且可以擴(kuò)展到任意金屬間的貼合率的測(cè)量；

2) 當(dāng)金屬間承壓較大時(shí)，車、刨、磨 3種加工方式下金屬間的貼合程度均較好；

3) 考慮到試驗(yàn)中的隔振器樣本型號(hào)的特殊性，即中心有一個(gè)圓形內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)擴(kuò)展試驗(yàn)對(duì)象時(shí)，3種加工方式的貼合率將存在一定的偏差，此時(shí)磨床加工的樣本的貼合率優(yōu)于車床和刨床加工的樣本。

[1] 張學(xué)良，黃玉美，等. 粗糙表面法向接觸剛度的分形模型[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2000，17(2)：31-35.

[2] 陳志浩. 幾種典型機(jī)床調(diào)整墊鐵的接觸剛度[J]. 設(shè)備管理與維修. 1999，1(1).

[3] 余憲海. 船舶主機(jī)與基座連接件的接觸剛度研究[J]. 廣州航海高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào), 2002，1(18)：6-8.

[4] 尤晉閩，陳天寧. 結(jié)合面靜態(tài)接觸參數(shù)的統(tǒng)計(jì)模型研究[J]. 振動(dòng)與沖擊. 2010，29(11)：47-50.

[5] 馬家駒. 三維有限長(zhǎng)彈性接觸問題的數(shù)值解[A]. 河南省摩擦學(xué)會(huì)成立大會(huì)論文[C]，洛陽軸承研究所, 1984.

[6] 張學(xué)良，黃玉美，等. 基于接觸分形理論的機(jī)械結(jié)合面法向接觸剛度模型[J]. 中國(guó)機(jī)械工程. 2000, 11(7): 717-729.

[7] 丁長(zhǎng)安，張 雷，等. 線接觸彈性接觸變形的解析算法[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào). 2001,21(2): 55-58.

[8] 趙 韓，陳 奇，黃 康. 兩圓柱體結(jié)合面的法向接觸剛度分形模型[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2011,47(7):53-58.

[9] Bhushan B,Dugger M T. Real contact area measurements on magnetic rigid disks[J].Wear, 1990,137(1):41-50.