淺析金屬橡膠減振構(gòu)件特性

張曉再 楊紅超

摘 ?要：本文在介紹金屬橡膠技術(shù)的發(fā)展歷史背景的基礎(chǔ)上，介紹了當(dāng)前金屬橡膠減振技術(shù)的靜態(tài)剛度分析方法，分析了當(dāng)前靜態(tài)剛度分析方法的局限性，闡述了金屬橡膠減振技術(shù)的阻尼特性分析方法和難點，并介紹了當(dāng)前金屬橡膠減振技術(shù)的理論建模方法和主要研究成果，還對以后的研究方向和工作重點進(jìn)行介紹和歸納。

關(guān)鍵詞：金屬橡膠、減振器、阻尼、建模、剛度

金屬橡膠構(gòu)件以金屬絲為原材料，不含任何普通橡膠，但卻具有橡膠一樣的彈性和多孔性，特別適合于解決高低溫、大溫差、高壓、高真空、強輻射、劇烈振動及腐蝕等環(huán)境下的阻尼減振、過濾、密封、節(jié)流及吸音降噪等疑難問題，可以根據(jù)不同工況需要制備出各種結(jié)構(gòu)形狀，而且具有儲存和使用壽命長，沒有老化現(xiàn)象等特點，是航空航天、國防武器裝備及民品特殊工況下普通橡膠的最佳替代品。

1 ?引言

20世紀(jì)50年代末，美國的V2偵察機就開始采用由金屬橡膠制成的構(gòu)件;20世紀(jì)60年代，原蘇聯(lián)在截獲的美國軍用飛機上發(fā)現(xiàn)金屬減振器后，研制開發(fā)出大量的金屬橡膠制品，解決了很多國防及航空航天領(lǐng)域的疑難問題;由于原蘇聯(lián)、美國對金屬橡膠減振器的嚴(yán)密封鎖，我國的金屬減振器研制工作于20世紀(jì)90年代末開始，起步較晚。

目前，金屬橡膠構(gòu)件用途較廣，已被廣泛應(yīng)用在潛艇、船舶、導(dǎo)彈、火箭、飛機、高速列車、特種車輛、石油化工等裝備產(chǎn)品中，具有軍民兩用的鮮明特征。有論文可查的應(yīng)用有：炮用緩沖件、聯(lián)軸器用減振器、月球著陸器用緩沖件、汽車用減振器、航空發(fā)動機外部管路卡箍的減振襯墊、慣導(dǎo)平臺減振器、氫渦輪泵轉(zhuǎn)子阻尼器等[1]。經(jīng)過對比試驗驗證發(fā)現(xiàn)，金屬橡膠減振器不但可以很好的代替橡膠減振器，而且在很多惡劣環(huán)境中可以更穩(wěn)定地工作。

2 ?金屬減振橡膠構(gòu)件特性分析

與傳統(tǒng)的高分子粘彈性橡膠構(gòu)件相比，金屬橡膠減振構(gòu)件作為一類重要的減振元件，有著優(yōu)異的特性，如抗高低溫、不易老化、強度高、阻尼大、耐介質(zhì)腐蝕、密封、節(jié)流、過濾、不怕空間輻射和粒子撞擊等，其性能指標(biāo)具有可設(shè)計性，改變不同的工藝參數(shù)和方法，可以制備出具有不同結(jié)構(gòu)尺寸和性能特點的金屬橡膠產(chǎn)品。因此可以有效的提高武器裝備的精度、可靠性等性能，還可以應(yīng)用在特殊的環(huán)境中。

金屬減振器的結(jié)構(gòu)形式有多種，主要有：I形減振器、環(huán)形減振器、鐘形減振器、彈簧組合金屬橡膠減振器等。為了更好地代替?zhèn)鹘y(tǒng)橡膠減振器，現(xiàn)在研究最多的是I形結(jié)構(gòu)的金屬橡膠減振器。

2.1 靜態(tài)動態(tài)剛度特性分析

研究金屬橡膠減振器的靜態(tài)動態(tài)特性的方法一般有兩種：

1.用材料機拉壓試驗繪出減振器的滯環(huán)回線，從中分析剛度和能量耗散特性;

2.用振動臺進(jìn)行隨機振動或正弦掃描，根據(jù)傳遞特性曲線分析彈性阻尼特性。

利用上述方法將橡膠金屬減振構(gòu)件和傳統(tǒng)橡膠減振構(gòu)件進(jìn)行對比分析可以得出以下結(jié)論：

a.金屬橡膠減振器的承載能力、耗散能量能力、過臨界能力、性能穩(wěn)定性、抗沖擊能力、高低溫工作穩(wěn)定性、工作壽命等特性，優(yōu)于傳統(tǒng)的橡膠減振器。

b.金屬絲材料、絲徑、簧徑、減振墊密度、墊尺寸、激振力量級、安裝預(yù)壓量、彈簧纏繞走向等參數(shù)，對金屬橡膠減振器的彈性阻尼特性有很大的影響。

并且可以從相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)[2]得出以下定性結(jié)論：

1.金屬橡膠減振器的剛度隨絲材彈性模量E、絲徑、墊密度的增大而增大。

2.金屬橡膠減振器的剛度隨簧徑、激振力的增大而減小。

3.減振墊的尺寸與彈性阻尼特性密切相關(guān)。一般的，垂直于載荷的截面面積和剛度成正比，平行于載荷的高度和剛度成反比。

4.預(yù)壓量增大，減振墊剛度增大，硬特性增強，壽命減小。

5.彈簧纏繞走向?qū)Νh(huán)形金屬橡膠減振器的承載能力和阻尼性能的影響可達(dá)2～3倍。

6.金屬減振墊的成型受壓方向和非受壓方向有不同的剛度阻尼特性，表現(xiàn)為各向異性。從滯環(huán)回線可以看出，成型受壓方向表現(xiàn)為非線性特性，非受壓方向更接近線性特性。

上述是金屬橡膠減振構(gòu)件的定性研究結(jié)果，由于諸多因素的限制，如金屬橡膠減振的加工工藝參數(shù)差異較大，減振墊的安裝方式、配合尺寸也會極大地影響彈性阻尼特性等，目前很難給出金屬橡膠減振構(gòu)件的定量結(jié)論。

2.2阻尼特性分析

金屬橡膠材料的阻尼成分和變化規(guī)律比較復(fù)雜，且其阻尼特性存在較明顯的各向異性，因而也就無法直接建立方程推導(dǎo)金屬橡膠減振器的動態(tài)特性。對金屬橡膠材料阻尼的各種假設(shè)和探討成為研究金屬橡膠材料的一個焦點。

金屬橡膠材料內(nèi)部是金屬絲彈簧相互嚙合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似天然橡膠的大分子，并因此而得名。與天然橡膠相比，金屬橡膠與天然橡膠有類似的阻尼特性。微觀上，金屬橡膠的阻尼主要由金屬絲之間的干摩擦引起，但是宏觀上，金屬橡膠的阻尼特性是不能用簡單的干摩擦阻尼特性來描述的。

現(xiàn)在利用假設(shè)建立阻尼模型對滯環(huán)回線或動態(tài)曲線的擬和結(jié)果很難推廣應(yīng)用，主要受到兩個方面因素的限制。一方面通過改變工藝參數(shù)，金屬橡膠會有完全不同的剛度阻尼特性，與現(xiàn)有的擬和曲線很難找到對應(yīng)關(guān)系;另一方面同一種工藝參數(shù)，由于工藝過程的不可控因素，加工生產(chǎn)的金屬橡膠的剛度阻尼特性離散性比較大，通過個體試驗結(jié)果的擬和曲線不能代表共性。由于金屬橡膠減振器振動過程是由非線性的干摩擦力和非線性的剛度特性疊加決定的，所以金屬橡膠減振器的工作機理至今還很難明確的表示出來。

目前，限于固體物理學(xué)的研究水平，還不能根據(jù)天然橡膠的基本物理參數(shù)定量計算內(nèi)阻尼力，只能在具體條件下試驗測定。金屬橡膠的阻尼特性也一樣，因此，目前對金屬橡膠阻尼特性的研究內(nèi)容主要在兩個方面：假設(shè)阻尼參數(shù)模型對滯環(huán)回線、動態(tài)曲線進(jìn)行曲線擬和;設(shè)計試驗總結(jié)阻尼規(guī)律。

對于摩擦力的研究方法包括兩固體接觸表面間的干摩擦力模型以及含有各種干摩擦環(huán)節(jié)的振動系統(tǒng)在簡諧振動、隨機振動和沖擊激勵下的響應(yīng)計算方法。由于這些方法是以線性彈性恢復(fù)力系統(tǒng)為基礎(chǔ)，所以不能直接適用于剛度為非線性的金屬橡膠減振器，但是可以作為研究金屬橡膠阻尼特性的出發(fā)點，例如利用唯象的宏觀力學(xué)分析方法建立了金屬橡膠隔振器的力—位移之間的三次非線性粘性阻尼雙線性滯遲泛涵本構(gòu)關(guān)系、以雙折線干摩擦力模型為基礎(chǔ)進(jìn)行動態(tài)特性分析、應(yīng)用小波變換的方法對金屬橡膠減振器的非線性阻尼進(jìn)行干摩擦阻尼識別、在動態(tài)試驗測得減振器滯環(huán)回線的基礎(chǔ)上，利用面積等效原則可以簡單的計算出滯環(huán)回線包圍的面積，從而可以計算出阻尼比。該方法相對更方便，計算結(jié)果更精確。

2.3 細(xì)觀建模分析

材料的細(xì)觀本構(gòu)模型是進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、壽命評估和制定工藝規(guī)范的關(guān)鍵所在，因此建立正確有效的細(xì)觀本構(gòu)模型對于進(jìn)一步開拓金屬橡膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

從目前的資料報道來看，對于金屬橡膠材料的細(xì)觀本構(gòu)關(guān)系的研究還是處于起步階段[3]。俄國專家索弗爾教授提出了一個基于金屬絲線匝三維垂直軸等概率分布假設(shè)下的壓力計算模型，但僅適合于各向同性體，對于具有工藝各向異性金屬橡膠材料依然有較大的誤差;鄧劍波、陳艷秋提出了用小曲梁的模型（小曲梁是一端固支一端自由的半圓環(huán)）推導(dǎo)出成型受壓和非受壓兩個方向的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，因此該模型具有一定的理論指導(dǎo)意義，工程直接應(yīng)用卻比較復(fù)雜;彭威、白鴻柏在以微彈簧軸向徑向變形規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出一個新的材料參數(shù)鋪層比例系數(shù) ，該參數(shù)可以較好的反映因鋪層引起的各向異性，該方法可以較方便的應(yīng)用于工程研究中，但是參數(shù)的確定完全依賴于試驗結(jié)果。

3 ?結(jié)束語

我國在十幾年的時間里，在金屬減振器研究研制方面做了大量工作，為制定提高武器裝備可靠性穩(wěn)定性方面提供了一種全新的選擇。但是作為一種重要的將在武器裝備中大批量使用的元器件，金屬橡膠減振構(gòu)件至少在以下幾個方面還需要做大量工作。

1.加強金屬橡膠材料的工藝研究工作。從目前研究工作來看，工藝加工已經(jīng)成為所有研究工作的瓶頸;此外為了實現(xiàn)大批量生產(chǎn)使用，需要提高并保證金屬橡膠產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性，則工藝方法研究是必要的途徑。

2.金屬橡膠材料的阻尼特性規(guī)律研究。

3.金屬橡膠減振器的沖擊環(huán)境下規(guī)律、工作壽命和貯存期限的研究。

4.金屬橡膠減振器的動態(tài)和靜態(tài)剛度阻尼特性的關(guān)系研究。其意義在于能夠用靜態(tài)試驗取代動態(tài)試驗，會大大減少研制和生產(chǎn)中的試驗成本。

參考文獻(xiàn)

[1] ?李中郢，盧正人.金屬橡膠減振器組合剛度特性研究.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005（Vol.37 No.11）：1294～1297

[2] ?王佳民，裴聽國.慣性平臺新型金屬橡膠減振器非線性特性分析.宇航學(xué)報，2004（Vol.25 No.3）：256～261

[3] ?金鳴，薛前光，田立強.金屬橡膠減振器振動及沖擊特性實驗研究.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境分析，2012（2）：20～24

作者簡介：張曉再（1978-），男，漢族，陜西省周至縣，海裝駐廣州地區(qū)第三軍事代表室，工程師，學(xué)士，研究方向艦船裝備質(zhì)量監(jiān)督。