金屬橡膠-硅橡膠復合阻尼結構的減振性能

任志英， 堯杰程， 黃 偉， 張 彬， 路純紅， 鐘舜聰

(1. 福州大學 機械工程及自動化學院 金屬橡膠與振動噪聲研究所，福州 350116;2. 福建省特種設備檢驗研究院，福州 350004; 3. 河北工業(yè)職業(yè)技術學院 汽車工程系，石家莊 050091)

振動是日常生活和工程實際中的常見現(xiàn)象，會帶來諸如噪聲污染，機械設備工作的穩(wěn)定性和可靠性下降等各種危害。近年來，阻尼材料及其相關制品廣泛應用于車輛、航空、船舶、武器裝備等領域的振動控制中[1]。尹志勇等[2]研究了管路鋪設不同面積阻尼材料后的減振效果，發(fā)現(xiàn)管路與阻尼層的截面慣性矩及阻尼鋪設位置對阻尼效果影響較大；魏宇宏等[3]針對飛機短艙尾罩振動問題，利用阻尼材料減振方式在不對稱結構進行較大的改進條件下取得了良好的抑振效果；陳雨等[4]設計了一種適用于農(nóng)業(yè)機械的包含尼龍摩擦阻尼器的懸架系統(tǒng)，實現(xiàn)良好的抑振效果。

在自由阻尼結構、約束阻尼結構等[5-6]常見阻尼結構中，單層結構在工程設計中難以滿足實際設計需求。因此，多層阻尼結構由于經(jīng)濟性好、可設計性強[7]等優(yōu)點逐漸得到了重視。熊志遠等[8]利用強迫共振法對不同層數(shù)的阻尼結構進行測試，發(fā)現(xiàn)隨著阻尼結構層數(shù)的增加，阻尼性能越好，減振效果增強；張洪寧等[9]針對風力機的葉片振動問題，設計了多層約束阻尼結構，在規(guī)定風速下通過數(shù)值模擬規(guī)定風速下葉片的振動情況得出所設計阻尼結構可有效降低葉片的振動響應；戴德沛[10]在多層阻尼結構中設計了不同模量和溫域的阻尼材料，發(fā)現(xiàn)其具備較大的適用溫域和頻帶。然而，目前組成多層阻尼結構的黏彈性橡膠材料受環(huán)境影響較大，在實際應用中，特別是高溫環(huán)境下具有顯著的局限性。

金屬橡膠是一種復雜螺旋網(wǎng)狀結構的新型黏彈性減振材料。由于金屬絲的骨架基體，金屬橡膠除了具有傳統(tǒng)高分子橡膠材料的大阻尼、高彈性特性外，還具備良好的熱穩(wěn)定性和阻尼可調(diào)性[11-12]。近年來，金屬橡膠廣泛應用于不同工況的阻尼結構中[13-15]，特別是在高溫減振領域展現(xiàn)出了良好的發(fā)展前景。但目前國內(nèi)外的研究工作多集中于單一金屬橡膠材料的研究，在阻尼復合化方面的研究較少。路純紅等[16]設計了一種金屬橡膠復合疊層耗能器，發(fā)現(xiàn)該結構是一種具有多種阻尼成分的非線性遲滯系統(tǒng)，性能優(yōu)于普通橡膠耗能器，但未探究多種密度阻尼層與振動響應之間的關系；趙程等[17]用金屬橡膠和硅橡膠制備了新的復合材料，試驗研究了其動、靜態(tài)性能，但所制備的復合材料的實際動態(tài)損耗因子不高，此結構在實際應用時局限性較大?？偟膩碚f，對于金屬橡膠與高分子橡膠材料阻尼復合化的研究較少，且沒有深入的工程應用研究。

因此，這項工作以管路減振問題為背景，通過金屬橡膠-硅橡膠(metal rubber/silicone rubber， MR-SR)復合阻尼材料的制備，設計了適用于狹小空間的減振結構?；诓煌枘峤Y構與芯層密度、激振力以及預緊量的單因素對照試驗，深入探究金屬橡膠型復合阻尼減振結構的減振特性，為金屬橡膠阻尼結構設計及寬溫域環(huán)境下的大阻尼結構設計提供工程依據(jù)。

1 復合阻尼減振器結構設計

為滿足狹小空間內(nèi)管路系統(tǒng)減振需求，在考慮到減振環(huán)境和減振器安裝問題后，將減振器結構設計為包覆環(huán)形式，如圖1所示。包覆環(huán)結構上設計有固定孔，其通過螺栓與安裝基體連接。兩個包覆環(huán)間預留5 mm的間隙，其上下分別設計有緊固螺栓孔，通過調(diào)節(jié)緊固螺栓可以得到不同的包覆環(huán)間距。在實際應用中，為得到不同預緊力下阻尼層的阻尼減振效果，設計的固定孔直徑稍大于固定用螺栓的直徑尺寸，裝配過程中，先調(diào)節(jié)緊固螺栓來得到需要的間距后，通過固定螺栓對其進行固定。試驗過程中，將阻尼層替換為等厚度的墊環(huán)，在包覆環(huán)上的連接孔處用螺栓進行緊固，進而可滿足管路剛性連接時的對比試驗需求，進一步評估加裝阻尼層后減振器的阻尼減振效果。

圖1 減振器結構示意圖Fig.1 Structural diagram of shock absorbe

當管路振動時，緊貼在管路表面的阻尼層將機械能轉(zhuǎn)換為熱能和其他形式的能量，從而產(chǎn)生減振效果。包覆形式的阻尼層占用空間小且可以抵抗管路徑向各個方向的振動。耐高溫的阻尼材料可以使減振器在高溫環(huán)境下依然保持良好的減振效果。通過調(diào)節(jié)兩個包覆環(huán)間的間距限制來限制管路振動的位移極限，以滿足狹小空間的減振需求。

2 試驗樣件及測試系統(tǒng)

2.1 試驗樣件準備

試驗過程中所用的金屬橡膠(metal rubber，M)的原材料選用絲徑為0.3 mm的304奧氏體不銹鋼絲，其不僅具備良好的加工性能，在高溫環(huán)境下也可保持優(yōu)異的彈塑性和耐磨性。通過CNC-05型繞絲機將金屬絲繞制成螺旋卷，再經(jīng)過導絲機構制成金屬橡膠毛坯，最后通過冷沖壓成型技術完成對金屬橡膠的制備。成型后的金屬橡膠工藝參數(shù)如表1所示。試驗中所用的硅橡膠(silicone rubber，S)為密度為1.4 g/cm3的純硅橡膠，其具備良好的力學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。成型后的金屬橡膠尺寸和硅橡膠尺寸均為175 cm×40 cm×4 cm，不同組合結構的阻尼材料如圖2所示。

表1 金屬橡膠元件成型參數(shù)Tab.1 Forming parameters of metal rubber components

圖2 試件尺寸及不同包覆阻尼結構Fig.2 Specimen size and different coating damping structures

2.2 測試試驗系統(tǒng)

在這項工作中需要進行試驗臺架系統(tǒng)搭建，如圖3所示?；谠囼炁_架系統(tǒng)尺寸參數(shù)選用外徑d=108 mm，壁厚h=15 mm，長度l=5 600 mm的管路作為被減振對象，管路材質(zhì)為304奧氏體不銹鋼。調(diào)整兩個吊架的位置使得兩個減振器之間的跨距為4 000 mm。管路經(jīng)由減振器安裝在吊架上。吊架與支架固定連接，其連接點處安裝有力傳感器，用來測量管路振動所引起支架上的激勵響應。支架與支承平臺固定連接，支撐平臺的質(zhì)量遠大于整個管路減振系統(tǒng)，故可將減振系統(tǒng)視為與剛性基礎相連。利用激振器對管路中心位置施加激振力，激振桿上安裝有力傳感器，用來測量基礎激振力。所有力傳感器的測量數(shù)據(jù)通過連接線傳輸?shù)接嬎銠C數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。激振器安裝位置確定后，需調(diào)節(jié)激振桿高度來對管路施加適當?shù)念A緊力。施加預緊力大小以施加最大激振力時，激振桿剛好不脫離管路為基準。預緊力過大，會使增益過大而導致數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法正常工作；預緊力過小會使大激振力情況下出現(xiàn)激振桿撞機管路的現(xiàn)象，影響測量數(shù)據(jù)的準確性。

圖3 試驗臺架Fig.3 Test bench

測試系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、測試工裝和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本試驗采用力控制的方式，位于激振桿上的力傳感器實時監(jiān)測輸出的激振力，確保整個掃頻過程中激振力保持設定值不變；位于支架上的力傳感器接受減振器傳遞的力響應并將信號值輸出給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 減振性能表征

減振結構中，阻尼結構通過自身耗能作用來減小振動能量。常用的表述結構阻尼特性的參數(shù)有結構損耗因子、力傳遞率等。

3.1 力傳遞率

力傳遞率是指傳遞至基礎的力與激勵力之比，它是最早的隔振效果評估指標[18]。對于本研究中的包覆阻尼減振系統(tǒng)，激振器作用在管道上的激振力為F1，作用力經(jīng)由管道和減振器系統(tǒng)后作用于支架上的殘余力為F2，則系統(tǒng)的力傳遞率可表示為

(1)

傳遞率的概念是以剛性基礎為前提，沒有考慮基礎阻抗帶來的影響。所討論的減振系統(tǒng)振動頻率處于低頻段，此時基礎的阻抗相對于減振系統(tǒng)阻抗大的多，減振基礎可近似視為純剛性，故力傳遞率可以作為該減振系統(tǒng)的評價標準。

3.2 結構損耗因子

結構在不同激振頻率的激振力作用下，產(chǎn)生的響應不同。結構發(fā)生共振時的激振頻率為共振頻率，在共振頻率處，結構產(chǎn)生的振動響應較大[19]。阻尼材料依靠自身的耗能作用可以將外界的激勵能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芗捌渌问降哪芰?，從而使振動得到緩和。材料阻尼越大，共振峰值越小，頻率響應函數(shù)變化越平緩。通過掃頻試驗可以得到頻率響應曲線，如圖4所示。

圖4 頻率響應曲線Fig.4 Frequency response curve

(2)

常用的頻率響應曲線有導納(速度與力之比)，慣性率(加速度與力之比)和動柔度(動位移與力之比)。根據(jù)公式F=ma，在管路質(zhì)量不變的情況下管路加速度響應與力響應成正比，故利用力傳遞率曲線來近似反應慣性率曲線的變化趨勢。

4 測試結果及分析

4.1 剛性連接試驗

為確定管路系統(tǒng)的共振頻率階次，首先對剛性連接的管路系統(tǒng)進行了掃頻試驗，激振力為20 N，掃頻區(qū)間為5～200 Hz，得到的力傳遞率曲線如圖5所示。工程實際中，外界載荷的頻率一般都較低，其引起的管路系統(tǒng)的共振頻率往往位于系統(tǒng)的低階共振頻率處，系統(tǒng)的高階共振頻率能量占比較小，換言之，系統(tǒng)的低階固有頻率對系統(tǒng)的影響最大。僅以系統(tǒng)低階共振頻率點的振動為研究對象。由圖5可知，一階共振頻率點為15.228 Hz,此時的力傳遞率峰值為29.666 N/N，此時管路系統(tǒng)的共振響應最大。為方便研究，后續(xù)掃頻區(qū)間設定為10～17 Hz,掃頻速度為1.0 ∝t/min。

圖5 管路力傳遞率-頻率曲線Fig.5 Pipeline force transmissibility frequency curve

4.2 減振試驗

4.2.1 不同阻尼結構的影響

常溫條件下(25 ℃)，在激振力20 N的條件下對單一阻尼結構(S-S-S，M-M-M)和復合阻尼結構(S-M-S)的減振器進行掃頻試驗。根據(jù)剛性連接時一階共振頻率的掃頻結果，將掃頻區(qū)間設定在10～17 Hz，并將預緊量設定為0.5 mm，掃頻結果如圖6所示。不同阻尼結構下的減振性能，如表2所示。

由圖6可知,相較于3層硅橡膠阻尼結構，3層金屬橡膠阻尼結構具備較低的力傳遞率峰值，其阻尼耗能性能更好。隨著金屬橡膠密度的增加，力傳遞率峰值逐漸變大，共振頻率逐漸增高。金屬橡膠的阻尼效果是由金屬絲螺旋卷間的接觸摩擦耗能產(chǎn)生[20]，而硅橡膠作為一種高分子材料，其阻尼效果源于分子間的摩擦耗能作用。由試驗結果可得,相較于分子間的摩擦耗能，金屬絲間摩擦耗能更大，密度較低的金屬橡膠更容易達到耗能效果。根據(jù)共振頻率的計算公式[21]可知，在質(zhì)量保持不變時，共振頻率的大小反映了剛度的大小。金屬橡膠的密度越大，其內(nèi)部金屬絲螺旋卷受到周圍金屬絲的限制增多，導致總體剛度和共振頻率增加。金屬橡膠存在剛度非線性特性，在受到動態(tài)壓縮力時，其內(nèi)部不同方向的金屬絲存在不同的接觸狀態(tài)[22]。

圖6 不同阻尼結構下的力傳遞率-頻率曲線Fig.6 Force transmissibility frequency curves of structures with different damping

表2 不同阻尼結構下的減振性能Tab.2 The vibration damping performance of different damping structures

不同的接觸階段對應不同的剛度變化速率。金屬橡膠的密度越大，其內(nèi)部處于壓縮狀態(tài)的金屬絲占比越大，線匝受到的約束越多，其剛度增大越快，表現(xiàn)為共振頻率的增長變快，其接觸受力示意圖如圖7所示。結合表2，3層硅橡膠減振器結構的損耗因子小于3層金屬橡膠減振器結構的對應值。這是因為金屬橡膠的阻尼效果源于其內(nèi)部金屬絲間的摩擦耗能，在金屬絲受到的限制較少時，其具備較強的耗能能力。隨著金屬橡膠密度的增加，損耗因子呈下降趨勢。金屬橡膠的密度越大，參與摩擦的金屬絲數(shù)量增多，表現(xiàn)為總體的耗能增加。相較于耗能的變化，密度的增長帶來的剛度增速更快，使總體損耗因子表現(xiàn)為下降趨勢。

圖7 減振器受力狀況Fig.7 Force condition of shock absorber

4.2.2 單因素變量對復合阻尼結構的影響

為探究芯層金屬橡膠密度、激振力、預緊量等參數(shù)對減振器阻尼性能的影響，將每組試驗均控制為以唯一參數(shù)為變量，每組試驗參數(shù)如表3所示。采集力傳遞率曲線上每個點的數(shù)據(jù)后，利用半功率法計算得到損耗因子。

表3 試驗參數(shù)Tab.3 Test parameters

(1)芯層密度的影響

不同芯層密度下的力傳遞率曲線，如圖8所示。由圖8可知，隨著芯層密度的增加，減振結構的共振頻率增加，共振放大因子增加。一方面，減振器中減振材料受到壓縮力的作用，隨著芯層密度的增加，金屬橡膠內(nèi)部金屬絲的接觸點增加，摩擦點數(shù)量增多，其抵御變形的能力增加。在激振力不變的情況下，金屬橡膠的變形幅度減小，耗能減少。當預緊量較小時，金屬橡膠的耗能能力大于硅橡膠的耗能能力，其對減振器總體性能影響占比較大，這使總體耗能減小。另一方面，減振材料也受到切向力的作用，相比于硅橡膠，金屬絲的剛度較大，在一定預緊力下，金屬絲可以嵌入硅橡膠中，隨著金屬橡膠的密度增加，其總體剛度增加，相同壓縮量下，金屬橡膠的相對壓縮量減小，其嵌入硅橡膠的程度加深。在激振力不變的情況下，相對滑動程度減小，總體耗能減小。這些因素導致密度增加時，共振頻率和共振放大因子都呈現(xiàn)上升趨勢，不同芯層密度下的減振特性，如表4所示。

表4 不同芯層密度下的減振特性Tab.4 Vibration reduction characteristics of different core density

圖8 不同芯層密度下的力傳遞率曲線Fig.8 Force transmissibility curves under different core density

由表4可知，隨著密度的增加，損耗因子呈現(xiàn)下降趨勢，其大小與耗能和動態(tài)平均剛度大小有關，金屬橡膠存在剛度非線性和阻尼非線性特性，在激振力不變的條件下，隨著密度的增加，耗能的降低速率大于動態(tài)平均剛度的降低速率進而使損耗因子呈現(xiàn)下降趨勢。

(2)激振力的影響

不同激振力下的力傳遞率曲線，如圖9所示。不同激振力下的減振特性，如表5所示。由圖9和表5可知，隨著激振力的增加，共振放大因子和結構損耗因子都有下降趨勢。而幅值響應增加，金屬橡膠和硅橡膠的壓縮量增加，金屬絲間的相對滑動幅度增加，硅橡膠內(nèi)部分子間也會有更充分的相對滑動，這使共振放大因子有降低趨勢。當預緊量較小時，金屬橡膠的阻尼特性對減振器總體特性影響較大。金屬橡膠的壓縮量增加，也會使得金屬絲相對滑動過程中受到的限制增加，金屬橡膠的動態(tài)剛度增加，而由結構損耗因子的增加趨勢可看出，金屬橡膠的耗能增長量更多。結合圖9中共振頻率的變化趨勢，隨著激振量級的增加，共振頻率向左偏移，減振器出現(xiàn)了剛度軟化和阻尼增強的效果?？梢?，減振器具有變剛度和變阻尼的動態(tài)非線性特性。

圖9 不同激振力下的力傳遞率曲線Fig.9 Force transmissibility curves under different excitation forces

表5 不同激振力下的減振特性Tab.5 Vibration reduction characteristics under different excitation forces

為進一步探究減振器的非線性特性，對S-M(80)-S阻尼結構在20 N激振力下進行了正反向掃頻試驗，試驗結果如圖10所示。從圖10可知，頻率響應曲線出現(xiàn)了諧振峰漂移和峰值變化的現(xiàn)象。由于金屬橡膠減振器具備剛度漸軟的特性，這會導致其掃頻曲線存在彎曲跳躍現(xiàn)象，如圖11所示。當從低頻到高頻掃頻時，其沿1～2的線路；當從高頻到低頻掃頻時，其沿3～4的線路；f1～f2區(qū)間為頻率測不準區(qū)間[23]。由此也可看出，減振器含有高次非線性剛度特性。

圖10 不同掃頻方向的力傳遞率曲線Fig.10 Force transmissibility curves in different sweep directions

圖11 頻率響應曲線彎曲跳躍現(xiàn)象Fig.11 Bending and jumping phenomenon of frequency response curve

(3)預緊量的影響

不同預緊量下的力傳遞率曲線，如圖12所示。不同預緊量下的減振特性，如表6所示。由圖12和表6可知，隨著預緊量的增加，復合阻尼結構的共振頻率和共振放大因子都有上升趨勢，損耗因子呈現(xiàn)下降趨勢。而阻尼材料的壓縮量增加，金屬橡膠表面金屬絲嵌入硅橡膠的程度加深，層間滑動趨勢減弱。此時減振器的阻尼作用主要由材料本身的耗能產(chǎn)生。在激振力不變的條件下，預緊量增加使金屬橡膠的摩擦接觸點增多，其抵御外力的能力增強，總體摩擦耗能減少，動態(tài)平均剛度增加和耗能的減少導致?lián)p耗因子的降低。

圖12 不同預緊量下的力傳遞率曲線Fig.12 Force transmissibility curves under different preloads

表6 不同預緊量下的減振特性Tab.6 Vibration reduction characteristics under different preloads

5 結 論

針對狹小空間管路的減振問題，本文設計了一種新型的MR-SR復合阻尼減振器結構。以力傳遞率和結構損耗因子為評判標準，通過正弦掃頻試驗深入探討不同結構形式、不同芯層密度、不同激振量級和不同預緊量對MR-SR復合阻尼結構的力傳遞率和結構損耗因子的影響，進一步探究材料在實際應用中的減振性能。

(1)通過不同阻尼結構的對照試驗發(fā)現(xiàn)：單一金屬橡膠阻尼結構的阻尼特性主要源于金屬絲間的對磨耗能，其耗能特性較好；而MR-SR復合阻尼結構存在阻尼層間金屬絲與橡膠件的對磨阻尼成分，因此該結構共振頻率較低。

(2)通過芯層密度、激振力以及預緊量的單因素對照試驗發(fā)現(xiàn)：對于MR-SR復合阻尼結構，增加芯層金屬橡膠密度或增加預緊量都會使金屬橡膠的摩擦接觸點數(shù)量增加，在激振力不變的條件下，復合阻尼結構抵御外界變形的能力增加，其共振頻率和共振放大因子上升，而損耗因子都有下降趨勢。隨著激振量級的增加，減振器出現(xiàn)了剛度軟化阻尼增強的現(xiàn)象，這與復合阻尼結構的變剛度、變阻尼的動態(tài)非線性特性有關。