T型減振墊徑向壓縮量對(duì)減振墊性能的影響*

郭瑞毅，涂春潮，任玉柱，陳子昂

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院有限公司，北京 100095)

T型減振墊通常由金屬套筒、橡膠墊、金屬墊片等構(gòu)成。由于其安裝方便、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)被大量用于電器[1]、電子設(shè)備[2]、慣導(dǎo)控制[3]、航空航天[4]等系統(tǒng)。和所有橡膠類減振器一樣，其可以通過(guò)改變橡膠配方的方法改變橡膠模量，從而改變減振器的諧振[5-7]，然而不利的是橡膠材料的多種力學(xué)性能與溫度也有著密切的關(guān)系，在不發(fā)生相變的前提下，隨著溫度的升高，橡膠材料的彈性模量不斷降低[8]，摩擦因數(shù)也與溫度關(guān)系密切[9-11]。因此，通常橡膠制品隨溫度變化，產(chǎn)品性能波動(dòng)較大。在實(shí)際應(yīng)用中，楊殊珍等[12]指出，隨著環(huán)境溫度的增加，橋梁用橡膠隔振器的動(dòng)剛度和阻尼系數(shù)均逐漸減小；劉迪輝等[13]指出，溫度對(duì)于車用分動(dòng)箱橡膠隔振器力學(xué)性能有較大的影響，溫度升高，分動(dòng)箱隔振器的動(dòng)剛度和阻尼系數(shù)逐漸減小。因此，尋找降低橡膠減振器溫度敏感性的方式就顯得十分必要。此外，由于橡膠材料模量的非線性特點(diǎn)[14]，T型減振墊也可以通過(guò)改變套筒或者橡膠體尺寸的方式改變橡膠墊的壓縮量，從而影響橡膠墊表現(xiàn)出的模量，進(jìn)而影響動(dòng)態(tài)性能[15]。也正是由于橡膠T型減振墊的可調(diào)節(jié)參數(shù)較多且隨環(huán)境變化較大，因此，設(shè)計(jì)使用時(shí)如何合理選擇壓縮量參數(shù)就顯得十分重要。本文通過(guò)測(cè)試不同徑向壓縮率的減振墊在不同溫度點(diǎn)下的動(dòng)態(tài)性能，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出優(yōu)化的徑向壓縮率設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，為今后T型減振墊的選型和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試件

JZT-3減振墊(北京航空材料研究院產(chǎn)品)單只額定載荷為1 kg。JZT-3減振墊(見(jiàn)圖1)的套筒部分為不銹鋼材質(zhì)，橡膠體與套筒兩者之間為接觸關(guān)系。減振墊安裝在被減振物(負(fù)載)與夾具之間(見(jiàn)圖2)，利用橡膠體的粘彈性特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)減振。

圖1 JZT-3減振墊等軸爆炸視圖

圖2 JZT-3減振墊安裝方式示意圖

試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整橡膠體內(nèi)徑的方式改變壓縮量，從而討論了徑向壓縮量對(duì)減振墊性能的影響。其尺寸及對(duì)應(yīng)徑向壓縮量見(jiàn)表1。

表1 JZT-3減振墊部分尺寸及對(duì)應(yīng)徑向壓縮量

徑向壓縮率定義如下：

(1)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

DC-4000-40電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，蘇州蘇試實(shí)驗(yàn)儀器股份有限公司；ETHV-1200-70-30H恒溫恒濕試驗(yàn)箱，巨孚儀器工業(yè)股份有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

振動(dòng)試驗(yàn)條件：試驗(yàn)類型為隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為5 min，試驗(yàn)譜如圖3所示。

圖3 振動(dòng)試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法及測(cè)量參數(shù)定義：將減振墊安裝在負(fù)載上，并通過(guò)螺釘安裝在夾具上組成測(cè)試系統(tǒng)，將測(cè)試系統(tǒng)固定在測(cè)試振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。常溫試驗(yàn)在室溫(25 ℃±5 ℃)條件下進(jìn)行；高低溫試驗(yàn)將整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)放入恒溫恒濕箱內(nèi)并調(diào)節(jié)至指定溫度(T)，待溫度穩(wěn)定后保溫1 h，在溫度T下進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。輸出響應(yīng)最大值對(duì)應(yīng)的頻率定義為諧振頻率(ft)。諧振頻率點(diǎn)輸出與輸入振動(dòng)量級(jí)比值的平方根值為放大倍數(shù)(Dt)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 徑向壓縮量對(duì)室溫諧振頻率的影響

諧振頻率是整個(gè)減振系統(tǒng)剛度的綜合表現(xiàn)。隨著徑向壓縮量的增大，徑向諧振頻率有增大的趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)，這主要是由于橡膠材料為非線性材料，隨著應(yīng)變?cè)龃螅鹉z材料的模量會(huì)不斷增大。此外，軸向諧振也出現(xiàn)了明顯的增大趨勢(shì)，這是由于隨著徑向壓縮量的增大，軸向摩擦力也會(huì)逐步增大，同時(shí)由于橡膠體為近似不可壓縮體，因此壓縮徑向時(shí)軸向壓縮量也有一定的增加。也正是由于軸向和徑向諧振頻率增大的原因不同，因此徑向諧振頻率的增速明顯快于軸向諧振頻率的增速。比較特殊的是當(dāng)壓縮量達(dá)到8.1%時(shí)，由于摩擦力的阻礙，安裝變得十分困難，因此減振墊將無(wú)法達(dá)到理想的安裝狀態(tài)，從而軸向的諧振頻率出現(xiàn)了些許降低。同時(shí)，由于壓縮不均問(wèn)題的出現(xiàn)，減振墊徑向諧振頻率出現(xiàn)明顯的離散傾向，這一現(xiàn)象十分不利于產(chǎn)品的一致性。

圖4 不同壓縮率下減振墊諧振頻率

2.2 徑向壓縮量對(duì)室溫放大倍數(shù)的影響

放大倍數(shù)是整個(gè)減振體系阻尼性能的綜合表現(xiàn)。圖5所示，隨著徑向壓縮量的增大，減振墊放大點(diǎn)振動(dòng)位移降低，從而使得橡膠的形變降低，更小的橡膠形變?cè)谙嗤枘岵牧系那疤嵯乱馕吨〉哪芰繐p耗，最終表現(xiàn)為徑向放大倍數(shù)的增大。特殊的是當(dāng)壓縮量達(dá)到8.1%時(shí)，減振墊徑向的放大倍數(shù)出現(xiàn)了明顯降低，這是由于壓縮量過(guò)大時(shí)，減振墊安裝后小臺(tái)部分無(wú)法完全安裝入法蘭板孔內(nèi)，安裝孔內(nèi)參與振動(dòng)的橡膠體部分減少，增大了單位面積橡膠體承載，從而使得諧振頻率降低并且放大倍數(shù)降低。此外也可以看出，隨著壓縮量的增大，徑向放大倍數(shù)的離散性更加明顯，這也是由于摩擦力的引入使得橡膠體在安裝孔內(nèi)周向的分布無(wú)法做到完全均勻，并且當(dāng)有壓縮時(shí)減振墊的橡膠體還可能發(fā)生不規(guī)則的折疊，從而使得徑向放大倍數(shù)出現(xiàn)更大范圍的波動(dòng)。

圖5 不同壓縮率下減振墊放大倍數(shù)

減振墊的軸向放大倍數(shù)由橡膠體本身的粘彈性和接觸界面間的相對(duì)滑動(dòng)摩擦共同影響。壓縮量越大，摩擦力越大，但過(guò)大的摩擦力將阻礙相對(duì)滑動(dòng)距離，因此由摩擦造成的能量損耗降低；壓縮量過(guò)低時(shí)，過(guò)小的摩擦力雖然滑動(dòng)距離較大，但滑動(dòng)距離還受到軸向橡膠墊本身的約束，從而摩擦力做功也降低。因此，徑向壓縮量只有在合適時(shí)才能提供最大的能量損耗，使得放大倍數(shù)最小，由試驗(yàn)可知，放大倍數(shù)最小點(diǎn)為壓縮量2.6%。

2.3 徑向壓縮量對(duì)軸向高低溫諧振頻率的影響

圖6所示為不同徑向壓縮率減振墊在不同溫度點(diǎn)下的諧振頻率。文中使用的減振器橡膠材料無(wú)結(jié)晶性，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于-100 ℃，因此測(cè)試段減振墊為橡膠態(tài)，然而其模量依然會(huì)隨溫度變化發(fā)生改變，從而影響減振墊的諧振頻率，通常高溫條件下模量降低，低溫條件下模量升高，模量越高，諧振頻率越高。對(duì)于研究的減振墊的軸向諧振頻率，這一理論在壓縮量小于2.6%時(shí)是成立的，但在壓縮量達(dá)到5.4%時(shí)，這一規(guī)律便無(wú)法完全解釋諧振頻率的變化。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要是由于橡膠材料的熱膨脹系數(shù)相較于金屬要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)溫度降低時(shí)，由于橡膠體的收縮較金屬更多，這相當(dāng)于同時(shí)降低了減振墊的軸向和徑向壓縮量，更低的軸向及徑向壓縮量意味著更低的諧振頻率，這與低溫對(duì)模量的改變從而對(duì)諧振頻率的影響相互拮抗，綜合表現(xiàn)為減振墊在5.4%壓縮量以上時(shí)，-40 ℃的諧振頻率低于常溫的諧振頻率。類比可知，高溫情況下模量降低與橡膠體積膨脹造成的諧振頻率的變化也是相互拮抗的，因此在徑向壓縮量為8.1%時(shí)，60 ℃下軸向諧振頻率甚至高于常溫諧振頻率。有趣的是，徑向壓縮量在2.6%～5.4%之間某處，由于模量與熱膨脹之間對(duì)諧振頻率的拮抗作用，-40 ℃、60 ℃和常溫下的諧振頻率將會(huì)非常接近，也就是減振墊軸向諧振頻率對(duì)溫度的變化不那么敏感。利用這一特點(diǎn)可以十分簡(jiǎn)便地克服橡膠減振墊易受環(huán)境溫度影響的缺點(diǎn)，從而應(yīng)用于需要在大溫度范圍內(nèi)保持諧振頻率相對(duì)穩(wěn)定的產(chǎn)品中。

圖6 不同溫度及徑向壓縮率下減振墊軸向諧振頻率

2.4 徑向壓縮量對(duì)徑向高低溫放大倍數(shù)的影響

圖7所示為不同徑向壓縮率減振墊在不同溫度點(diǎn)下的放大倍數(shù)。由于溫度的升高，橡膠材料中分子間相互作用力降低，分子內(nèi)摩擦損耗降低，橡膠材料的阻尼能力隨溫度升高而降低，因此總體來(lái)看，在大多數(shù)壓縮率條件下，隨著溫度升高，放大倍數(shù)均較大。在相同的溫度下，當(dāng)徑向壓縮率為2.6%時(shí)會(huì)出現(xiàn)放大倍數(shù)的降低，這是由于在壓縮量低于2.6%時(shí)，滑動(dòng)摩擦造成的阻尼是減振墊軸向阻尼的重要組成部分，徑向壓縮量越大，摩擦力越大，能力損耗越高；然而當(dāng)徑向壓縮量過(guò)大時(shí)，滑動(dòng)摩擦將轉(zhuǎn)變?yōu)殪o摩擦，摩擦阻尼消失，使得減振墊的放大倍數(shù)增大。此外，因?yàn)槟Σ亮κ軓较驂嚎s量和摩擦因數(shù)共同影響，溫度越低，摩擦力越小，因此溫度越高，摩擦力造成的放大倍數(shù)的變化越大，表現(xiàn)為2.6%壓縮率時(shí)放大倍數(shù)的下凹更加明顯。

圖7 不同溫度及徑向壓縮率下減振墊軸向放大倍數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)徑向壓縮量不僅會(huì)對(duì)減振墊的徑向性能產(chǎn)生影響，對(duì)減振墊軸向全溫范圍內(nèi)諧振頻率和放大倍數(shù)也會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的影響。

2)為了保證產(chǎn)品安裝的一致性，徑向壓縮量不宜大于5.4%。

3)當(dāng)徑向壓縮量為2.6%～5.4%時(shí)，減振墊軸向諧振頻率受溫度的影響明顯降低，可以用于對(duì)諧振頻率敏感且有高低溫需求的部件中。

4)2.6%徑向壓縮量下可以為軸向增加阻尼，降低放大倍數(shù)。