非成型向金屬橡膠的大載荷管路減振器的阻尼耗能特性

梁翼，任志英，李成威，祝維文，白鴻柏

(1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，福建 福州 350108; 2.福州大學(xué)金屬橡膠工程研究中心，福建 福州 350108)

0 引言

管路系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國防裝備、航空航天以及大型工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，是介質(zhì)和能量傳輸?shù)妮d體，在不同的裝置之間起著連接作用.然而管路系統(tǒng)在工作時總會伴隨著振動和噪聲的產(chǎn)生.振動和噪聲一方面會影響管路系統(tǒng)的正常工作，縮短管路元件的壽命，甚至造成管路接頭松動，引起流體泄漏和管路破損，另一方面對于艦艇、潛艇等國防裝備，還會嚴(yán)重影響其隱蔽性[1].此外，有些管路還會面臨高溫高壓的工作環(huán)境，例如新一代大功率作戰(zhàn)飛機(jī)、核/常規(guī)動力艦船、核電站的高溫流體截止管路等[2-3].目前，為解決設(shè)備內(nèi)的振動問題所采用的常規(guī)阻尼減隔振材料主要是高分子橡膠材料和其合成物，這類材料存在使用環(huán)境限制較大、壽命短等問題[4].在這種情況下，金屬橡膠材料作為一種金屬彈性多孔阻尼材料，成為替代傳統(tǒng)橡膠減振材料的良好選擇.金屬橡膠不僅有著類似于橡膠的彈性和阻尼特性，還有抗高低溫、在真空中不易揮發(fā)、抗輻射、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[5].

得益于金屬橡膠優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性和減振能力，采用金屬橡膠的減隔振技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域[6-7].國內(nèi)外的許多學(xué)者也加緊了在采用金屬橡膠作為阻尼元件的減振器方面的研究設(shè)計工作，劉濤等[8]針對艦載高頻振動環(huán)境，設(shè)計了一種基于金屬橡膠的導(dǎo)彈存放架復(fù)合減振器, 并分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)分析和動、靜力學(xué)試驗(yàn), 結(jié)果表明該減振器有效隔振頻帶符合振動環(huán)境要求, 減振效果良好.Cao等[9]將金屬橡膠用于運(yùn)載火箭與衛(wèi)星之間隔振器的設(shè)計，對該減振系統(tǒng)的動力學(xué)行為進(jìn)行了綜合分析，并研究了隔振結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對系統(tǒng)振動特性的影響.此外，文獻(xiàn)[10-12]針對金屬橡膠減振器的非線性遲滯力學(xué)特點(diǎn)，基于干摩擦阻尼理論模型、粘性阻尼模型和雙折線模型等進(jìn)行了參數(shù)識別，建立了參數(shù)方程并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，方程曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的重合度較高.

金屬橡膠減振器的設(shè)計與研究大多基于金屬橡膠的成型方向，本研究針對艦艇用大載荷管路的減振需求，設(shè)計了以金屬橡膠非成型方向承受載荷的金屬橡膠管路減振器，并采用單因素控制變量法分別研究了外部激勵頻率、金屬橡膠密度、外部激勵振幅、減振器的預(yù)緊間距以及溫度對該減振器阻尼耗能特性的影響情況.此外，還進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)，以了解該金屬橡膠減振器阻尼耗能特性受各因素影響的敏感程度.

1 金屬橡膠減振器的設(shè)計與制備

1.1 金屬橡膠減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 非成型向金屬橡膠減振器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of non-forming metal rubber shock absorber

根據(jù)艦艇用大載荷管路的實(shí)際尺寸設(shè)計出非成型向金屬橡膠減振器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.該減振器系統(tǒng)主要由吊耳、上下吊架、螺栓、端蓋、金屬橡膠、管路和螺釘?shù)冉M成.

該減振器采用空心圓柱形金屬橡膠作為阻尼材料，金屬橡膠嵌入到上下吊架的槽內(nèi)與中間的管路直接接觸，管路中存在的振動可直接通過金屬橡膠進(jìn)行衰減.減振器的上下吊架之間留有間隙，可通過調(diào)節(jié)螺栓預(yù)緊力對金屬橡膠與管路的接觸程度進(jìn)行調(diào)節(jié).前后端蓋通過螺釘與上下支吊架連接，可防止金屬橡膠在沿管路方向的移動.通過吊耳可滿足大載荷管路在艦艇內(nèi)的懸空布置要求.

1.2 金屬橡膠阻尼元件制備

金屬橡膠材料是一種多孔的彈性阻尼材料，其力學(xué)性能受到材質(zhì)、工藝、成型方法等影響.金屬橡膠阻尼元件的制備流程如圖2所示，本研究設(shè)計的減振器阻尼元件采用空心圓柱形金屬橡膠，初始毛胚選擇纏繞方式成型.

圖2 金屬橡膠阻尼元件制備流程圖Fig.2 Preparation flow chart of metal rubber damping element

根據(jù)艦艇大載荷管路系統(tǒng)減振的研究背景，選擇的金屬絲需要較大的彈性模量和剛度以承受較大載荷，同時考慮到艦艇的高溫環(huán)境，選擇采用304(06Cr19Ni10)不銹鋼絲作為原材料，絲徑為0.3 mm.將選擇好的金屬絲利用纏繞設(shè)備繞制成螺旋卷, 在制備毛胚前需要對螺旋卷進(jìn)行拉伸.拉伸后的螺旋卷螺距等于金屬絲直徑, 這樣才能保證金屬橡膠成型時各層螺旋卷相嵌最好，并使最后毛坯壓制時金屬絲之間達(dá)到最佳嚙合狀態(tài), 獲得較高的體積穩(wěn)定性[13].

根據(jù)表1所示的工藝參數(shù)制備金屬橡膠，制備完成后的金屬橡膠尺寸為內(nèi)圓直徑6 mm，外圓直徑24 mm，高度40 mm.成型后的金屬橡膠阻尼元件如圖3所示.

表1 金屬橡膠工藝參數(shù)

圖3 金屬橡膠阻尼元件實(shí)物圖Fig.3 Physical diagram of metal rubber damping element

2 阻尼耗能特性的測試原理

金屬橡膠作為彈性阻尼材料，具有變剛度、變阻尼的非線性遲滯特性[14].針對所設(shè)計的金屬橡膠減振器，采用損耗因子法，又稱正弦激勵法來測試其阻尼耗能特性.通過模擬該非成型向金屬橡膠減振器的實(shí)際工況，通過動靜萬能試驗(yàn)機(jī)對其施加正弦位移載荷激勵，位移載荷激勵可表達(dá)為：

X=X0cos(ωt+α)

(1)

圖4 金屬橡膠減振器遲滯回線圖Fig.4 Hysteresis loop diagram of metal rubber shock absorber

然后采集受激勵后的金屬橡膠減振器位移和恢復(fù)力信號，利用計算機(jī)繪制遲滯回線，如圖4所示.遲滯回線體現(xiàn)了金屬橡膠減振器耗能的根本特征，可根據(jù)遲滯回線圖近似計算減振器的損耗因子和最大彈性勢能來表征阻尼耗能特性[15].

一個周期內(nèi)的實(shí)測滯環(huán)面積，也即如圖4所示的遲滯回線所包圍的面積，為該減振器的絕對耗能ΔW：

(2)

式中:F為恢復(fù)力；X0為位移幅值；α為位移的初始相位；ω為加載周期.

根據(jù)試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)情況，將積分式(2)在一個周期內(nèi)離散化可得：

(3)

如圖4所示，近似采用三角形面積表示該減振器的最大彈性勢能W，考慮到恢復(fù)力正負(fù)值可能不對稱，定義動態(tài)平均剛度K為：

(4)

則最大彈性勢能W：

(5)

式中：Fmax、Fmin為采樣系統(tǒng)中采集的恢復(fù)力的最大值與最小值.

該金屬橡膠減振器的損耗因子η為：

(6)

將式(3)和式(5)代入式(6)得：

(7)

3 阻尼耗能實(shí)驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)臺與實(shí)驗(yàn)工裝

本次試驗(yàn)設(shè)備采用長春機(jī)械科學(xué)研究所SDS-200高低溫動靜萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)以及減振器試驗(yàn)工裝如圖5所示.該試驗(yàn)機(jī)由液壓站、主機(jī)、控制器、水冷箱、操作面板等部分組成，最大作用載荷±200 kN，作動器行程為±50 mm，試驗(yàn)加載頻率為0.01～40 Hz，可以通過位移控制和頻率控制來實(shí)現(xiàn)循環(huán)加載動態(tài)試驗(yàn).通過LBGDJW-20高低溫環(huán)境箱以恒定加熱速率來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況中的高溫環(huán)境，溫度環(huán)境控制范圍為-70～300 ℃.

金屬橡膠減振器試驗(yàn)工裝三維示意圖如圖6所示.空心圓柱形金屬橡膠安裝在上下吊架中，均勻包覆在管段的外壁，由蓋板固定避免其橫向運(yùn)動.安裝時，試驗(yàn)機(jī)上下夾頭分別夾持住試驗(yàn)工裝的上下夾持桿.在上下吊架之間設(shè)計留有6 mm間隙，通過控制上下吊架之間預(yù)緊間距，來調(diào)節(jié)金屬橡膠減振器中彈性阻尼元件的預(yù)緊量.

圖5 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)工裝Fig.5 Test equipment and test tooling

圖6 金屬橡膠減振器試驗(yàn)工裝三維示意圖Fig.6 3D schematic diagram of test tooling for metal rubber shock absorber

試驗(yàn)時，調(diào)節(jié)高低溫環(huán)境箱位置，避免其與工裝和上下夾頭接觸，造成試驗(yàn)誤差.將減振器工裝上下夾持桿分別夾持到上下夾頭，通過調(diào)節(jié)上夾頭位置，使拉壓曲線基本保持一致，達(dá)到平衡位置，再對減振器施加正弦激勵(采用位移控制).運(yùn)用數(shù)據(jù)采集裝置對力、位移信號進(jìn)行采樣，其中采樣頻率f0=2.5 kHz.試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，考慮將正弦位移中點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，恢復(fù)力軸的平移值為對應(yīng)的恢復(fù)力值，即僅考慮新增長的動態(tài)最大彈性勢能.

3.2 單因素對照實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在正式的試驗(yàn)開始前，預(yù)先進(jìn)行了500個正弦加載循環(huán)試驗(yàn)，以消除金屬橡膠彈性阻尼元件內(nèi)部殘余變形等因素產(chǎn)生的誤差，提高實(shí)驗(yàn)的精度.如表2所示，本研究的動態(tài)試驗(yàn)共設(shè)置了5個試驗(yàn)對照組，采用單因素控制變量法分別研究激勵頻率、金屬橡膠的密度、激勵振幅、預(yù)緊間距以及溫度對減振器的阻尼耗能特性影響.

表2 阻尼耗能試驗(yàn)安排表

3.2.1 不同激勵頻率對阻尼耗能特性的影響

表3 不同頻率下減振器耗能特性

選用表2中頻率組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，計算得到不同頻率下減振器耗能特性參數(shù)如表3所示.可以看出隨著激勵頻率的增加，該減振器的恢復(fù)力略有減少，耗能和最大彈性勢能整體呈降低的趨勢.損耗因子則隨著激勵頻率的增加而逐漸增加.由此可知，隨著激勵頻率的增加，該金屬橡膠減振器絕對耗能特性逐漸減小，相對耗能逐漸增加.

分析可知，這是由于當(dāng)激勵頻率增加時，金屬橡膠彈性阻尼元件內(nèi)部金屬絲之間滑移速度加快，金屬絲之間相應(yīng)的干摩擦次數(shù)以及金屬絲與空氣之間的摩擦次數(shù)都增加，相應(yīng)的耗能也隨之增加.由于該減振器以金屬橡膠的非成型方向承受載荷，類似于螺旋彈簧非承載方向上承受徑向載荷，隨著金屬絲層層疊加，金屬絲產(chǎn)生彎曲變形所需的力更大.隨著頻率的增加，部分金屬絲還未產(chǎn)生充分的變形便受到了相反的力，使得最大彈性勢能降低，并且最大彈性勢能的降低趨勢大于耗能的減小趨勢，由式(6)可知，損耗因子會呈現(xiàn)出隨激勵頻率的增加而增大的趨勢.

3.2.2 金屬橡膠不同密度對阻尼耗能特性的影響

為了研究金屬橡膠密度對減振器減振性能的影響，選用表2密度組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同金屬橡膠密度下金屬橡膠減振器的遲滯回線如圖7所示.隨著金屬橡膠密度的增加，該減振器的恢復(fù)力明顯增大.計算得到減振器耗能特性參數(shù)如表4所示，隨著金屬橡膠彈性阻尼元件密度的增加，最大彈性勢能和耗能均呈增加趨勢，而損耗因子則呈現(xiàn)出波動變化.

圖7 金屬橡膠不同密度下金屬橡膠減振器遲滯回線Fig.7 Hysteresis loop of metal rubber shock absorber under different density

表4 不同金屬橡膠密度下減振器耗能特性

隨著金屬橡膠密度的增加，在金屬橡膠體積不變的情況下，金屬橡膠單位體積內(nèi)的金屬絲數(shù)量以及金屬絲之間的接觸點(diǎn)會相應(yīng)增加，使得金屬橡膠減振器的耗能增加.此外，單位體積內(nèi)金屬絲數(shù)量的增加使得金屬橡膠的整體剛度增大，最大恢復(fù)力和最大的彈性勢能相應(yīng)增加，并且最大彈性勢能的增加速度與耗能的增加速度存在差異，這也就導(dǎo)致了該金屬橡膠減振器的損耗因子隨金屬橡膠密度的增加呈現(xiàn)出波動的現(xiàn)象.

3.2.3 不同振幅對阻尼耗能特性的影響

根據(jù)表2振幅組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同加載振幅下該金屬橡膠減振器的遲滯回線如圖8所示, 隨著加載振幅的增加，恢復(fù)力顯著增加.計算得到該減振器耗能特性如表5所示，隨著加載振幅的增加，該金屬橡膠減振器的耗能和最大彈性勢能均增加，損耗因子則降低.

隨著加載振幅的增加，該減振器所采用的金屬橡膠阻尼元件，其內(nèi)部金屬之間的滑移距離會相應(yīng)增加，干摩擦力也隨之增大，必然使得減振器的耗能增加.載荷振幅的增加也會使得金屬橡膠受載后的壓縮量增加，恢復(fù)力和最大彈性勢能相應(yīng)的隨著增大，并且由損耗因子的變化可以看出，最大彈性勢能的增加速度會高于能量損耗的速率，這也是導(dǎo)致?lián)p耗因子隨著加載增幅增加而降低的原因.由試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，振動幅值越低，阻尼耗能特性越好.由此，為保持金屬橡膠減振器阻尼耗能特性滿足要求，應(yīng)考慮其承受載荷幅值的范圍.

圖8 不同振幅下金屬橡膠減振器遲滯回線Fig.8 Hysteresis loop of metal rubber shock absorber under different amplitudes

表5 不同振幅下減振器耗能特性

3.2.4 不同預(yù)緊間距對阻尼耗能特性的影響

表6 不同預(yù)緊間距下減振器耗能特性

減振器耗能特性計算結(jié)果如表6所示，隨著預(yù)緊間距的增加，該減振器的耗能、最大彈性勢能和損耗因子都減小.

當(dāng)該減振器上下吊架之間預(yù)緊間距增加時，金屬橡膠受到管路的預(yù)壓力會降低，金屬橡膠內(nèi)部金屬絲之間的接觸數(shù)量減少，使得金屬橡膠內(nèi)部的干摩擦力減小.因此在受到相同程度的外部激勵時，減振器的耗能會隨預(yù)緊間距的增加而減少.此外，隨著預(yù)緊間距的增加，減振器內(nèi)的金屬橡膠受到管路的預(yù)壓縮減少，金屬橡膠的剛度減小，使得該減振器的最大彈性勢能降低，并且最大彈性勢能降低的速度要小于能量的損耗速度，損耗因子也就隨著預(yù)緊間距的增加而減小.

3.2.5 不同溫度對阻尼耗能特性的影響

根據(jù)表2溫度組的參數(shù)設(shè)置，利用高低溫箱控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境依次從30 ℃升溫到100、200、300 ℃，每次升至指定溫度后保溫30 min，使得整個工裝環(huán)境內(nèi)外溫度均達(dá)到指定溫度，確保試驗(yàn)的規(guī)范化.計算得到該減振器耗能特性如表7所示，隨著溫度的升高，該減振器的耗能、最大彈性勢能以及損耗因子都減小.

表7 不同溫度下減振器耗能特性

該減振器的耗能特性隨溫度的這種變化趨勢與金屬橡膠阻尼元件的金屬絲表面特性有關(guān), 隨著溫度的升高，金屬絲表面形成氧化膜，使得金屬絲之間摩擦系數(shù)降低.在振幅和加載頻率等條件不變的情況下，該減振器耗能呈現(xiàn)降低趨勢.由材料力學(xué)的知識，金屬的彈性模量隨溫度的升高而降低[16]，金屬橡膠內(nèi)的金屬絲也受此性質(zhì)的影響，因此該減振器的恢復(fù)力和最大彈性勢能隨著溫度的增加有所下降.此外，從表7可以看出，實(shí)驗(yàn)溫度在30～200 ℃之間時，該減振器的損耗因子變化很小，當(dāng)溫度范圍在200 ℃以上時，減振器的損耗因子降低較為明顯.

3.3 正交試驗(yàn)與結(jié)果分析

在實(shí)際工程中，不僅需要考慮單因素對該金屬橡膠減振器阻尼性能的影響，還需綜合考慮各因素對金屬橡膠減振器阻尼耗能特性影響的敏感程度，從而更準(zhǔn)確地選擇合適的金屬橡膠減振器來應(yīng)對各種復(fù)雜工況.

為了解外部激勵頻率、振幅、金屬橡膠密度和減振器預(yù)緊間距等各因素對阻尼耗能特性影響的敏感程度，設(shè)計正交試驗(yàn)，在控制變量法試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取激勵頻率(A)、密度(B)、振幅(C)、預(yù)緊間距(D)作為試驗(yàn)因素，每個因素選取3個水平，將各具體的因素及水平設(shè)置如表8所示.

表8 正交試驗(yàn)因素及其水平安排表

本次試驗(yàn)選取損耗因子作為試驗(yàn)指標(biāo)，選用L9(34)正交表.其中:L為正交實(shí)驗(yàn)符號；3為水平數(shù)；4為影響因素數(shù)；9為試驗(yàn)次數(shù).實(shí)驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果的直觀分析如表9所示.

表9 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表9中的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到不同參數(shù)水平下的損耗因子數(shù)值，由于在一定范圍內(nèi)，金屬橡膠減振器損耗因子值越大阻尼耗能性能越好.通過對比各參數(shù)水平下的極差，得到不同因素影響的主次關(guān)系為：C>D>B>A，即是振幅>預(yù)緊間距>密度>激勵頻率.從正交試驗(yàn)的結(jié)果可以看出，振幅對損耗因子的影響最為明顯，激勵頻率的影響較小.而密度和預(yù)緊間距的極差較為接近，這兩者分別為設(shè)計參量和安裝使用參量，且對動剛度存在較為明顯的影響.所以在工程上，對金屬橡膠減振器進(jìn)行設(shè)計使用時，根據(jù)實(shí)際使用工況和減振需求，應(yīng)優(yōu)先考慮振幅水平，且可以在安裝使用過程中適度調(diào)節(jié)其中的預(yù)緊間距，從而設(shè)計最為合理有效的非成型向金屬橡膠減振器.

4 結(jié)論

本研究針對所設(shè)計的艦艇用大載荷管路系統(tǒng)減振器，進(jìn)行了阻尼耗能特性研究，該減振器以金屬橡膠的非成型方向承受載荷.根據(jù)金屬橡膠材料的遲滯特性，通過單因素控制以及正交試驗(yàn)的方法，以損耗因子表征阻尼耗能性能，對該金屬橡膠減振器進(jìn)行不同激勵頻率、不同金屬橡膠密度、不同加載振幅、不同預(yù)緊間距、不同溫度的試驗(yàn)研究.計算得到耗能、最大彈性勢能和損耗因子在不同條件下的數(shù)值，還研究了各因素對該減振器阻尼耗能特性的影響程度，分析結(jié)論如下：

1) 隨著外部激勵頻率的增加，該金屬橡膠減振器的耗能和最大彈性勢能減小，然而最大彈性勢能的減小趨勢大于耗能的減小趨勢，使得減振器的損耗因子增加，阻尼耗能性能有所提升.

2) 隨著金屬橡膠阻尼元件密度的增加，該金屬橡膠減振器的耗能和最大彈性勢能都增加，由于增加速度不同，使得減振器的損耗因子呈現(xiàn)波動變化，且當(dāng)金屬橡膠阻尼元件的密度為 3.0 g·cm-3時，損耗因子相對較大，阻尼耗能性能最好.

3) 隨著加載振幅的增加，該金屬橡膠減振器的耗能和最大彈性勢能都增加，由于最大彈性勢能的增加速度高于能量損耗的速度，使得該減振器的損耗因子有所減小，阻尼耗能性能降低.

4) 隨著預(yù)緊間距的增加，該金屬橡膠減振器的耗能和最大彈性勢能明顯下降，并且由于最大彈性勢能的下降速度小于能量損耗的速度，使得該減振器的損耗因子有所減小，阻尼耗能性能降低.

5) 溫度范圍在30～300 ℃之間，該金屬橡膠減振器的耗能和最大彈性勢能隨溫度增加而降低，并且在200 ℃以下時兩者的降低速度較為接近，減振器的損耗因子有所降低但變化很小，阻尼耗能性能較為穩(wěn)定.當(dāng)溫度范圍在200 ℃以上時，減振器的損耗因子降低較為明顯，阻尼耗能性能下降較大.

6)通過正交試驗(yàn)分析，該金屬橡膠減振器的阻尼性能對各影響因素的敏感程度依次為： 外部激勵振幅>減振器預(yù)緊間距>金屬橡膠阻尼元件密度>外部激勵頻率.