高低溫環(huán)境金屬橡膠減振器阻尼性能試驗(yàn)研究
   傳統(tǒng)的減振緩沖材料如橡膠材料能夠滿足一般環(huán)境下減振緩沖的需要, 因而得到廣泛應(yīng)用。但其缺點(diǎn)也是顯而易見的, 在較寬的溫域下, 橡膠材料的阻尼性能和力學(xué)特性不夠穩(wěn)定, 承載能力也較低, 特別是隨環(huán)境溫度的升高, 橡膠的承載能力顯著下降,而且橡膠材料的導(dǎo)熱性較差, 這就使在較寬溫域下的減振緩沖問題難以得到很好地解決。金屬橡膠材料正是在不斷克服橡膠材料的這些不足的努力中發(fā)展起來的一種功能結(jié)構(gòu)材料, 由細(xì)金屬絲經(jīng)一定工序
[ 1]制成, 具有類似橡膠材料那樣的空間網(wǎng)狀鏈接結(jié)構(gòu), 當(dāng)受到載荷作用產(chǎn)生變形時(shí), 宏觀上呈現(xiàn)類似粘彈性材料的非線性滯遲泛函本構(gòu)關(guān)系, 微觀上表現(xiàn)為細(xì)金屬絲纏繞結(jié)構(gòu)之間的滑移、摩擦、擠壓和變形, 由此耗散大量的振動(dòng)能量, 起到減振緩沖的作用。由于金屬橡膠由螺旋狀金屬絲制成, 不僅有橡膠材料良好的彈性, 而且還有金屬材料所具有的耐高低溫、不易老化等特性, 這對解決惡劣環(huán)境下的減振緩沖問題具有重要意義。本工作針對高低溫環(huán)境下金屬橡膠減振器的阻尼性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。
  固支圓盤金屬橡膠減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
剪切式固支圓盤金屬橡膠減振器結(jié)構(gòu)如圖 1。圓環(huán)形金屬橡膠試件 3的外沿由四個(gè)螺栓 5壓緊在碗形托盤 1和環(huán)形壓盤 4之間, 金屬橡膠件的中間部位通過螺母 6和墊片 2壓緊在中間拉桿 7的左端。為防止金屬橡膠件在變形時(shí)被夾具的尖銳棱角損傷, 與試件相接觸的碗形托盤 1、壓盤 4、拉桿端面和墊片均采用倒角結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)時(shí), 減振器兩端通過聯(lián)結(jié)桿與材料試驗(yàn)機(jī)上下夾頭相連, 由上夾頭拉動(dòng)中間拉桿 7上下振動(dòng), 使金屬橡膠試件產(chǎn)生剪切變形。
 
   試驗(yàn)時(shí)調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的上下夾頭對中, 從而使上夾頭的位移激勵(lì)沿軸向傳給減振器, 試件不受徑向力, 只受軸向剪切作用產(chǎn)生彎曲變形。試件變形過程中體積不發(fā)生變化, 即材料孔隙度基本保持不變,依靠試件形狀的變化使其內(nèi)部螺旋卷絲線之間發(fā)生滑移、摩擦和變形, 這種變形形式與壓縮試件使試件體積變小的變形形式不同
試件及實(shí)驗(yàn)設(shè)備
高 /低溫試驗(yàn)用的金屬橡膠試件如圖 2, 選用牌號為 0Cr18N i9T i的奧氏體 不銹鋼絲制 成, 絲徑013mm, 螺旋卷外徑 2. 25mm, 毛坯制取采用編網(wǎng)方式, 成型壓力 0. 517t/cm2, 成型后厚度 11mm, 密度2. 05g /cm3, 采用 400e 回火處理, 以消除試件在冷成型時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。
 
 
試驗(yàn)系統(tǒng)包括長春試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的 PLS-20電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)、溫度控制系統(tǒng)和東華 DH5936數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分, 圖 3為試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)由液壓伺服系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)幾部分組成, 靜載拉壓力 20kN, 加載行程50mm, 可實(shí)施正弦位移加載, 振動(dòng)頻率 40H z。試驗(yàn)環(huán)境溫度由溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn), 它由高低溫試驗(yàn)箱、溫控盒、液氮瓶和冷卻系統(tǒng)組成。由箱內(nèi)電阻絲加熱控制升溫, 通過液氮控制降溫, 溫度控制精度為 1e 。
 
高低溫阻尼試驗(yàn)及結(jié)果分析
由于高溫和低溫環(huán)境對金屬橡膠試件有不同影響, 為避免給試驗(yàn)結(jié)果帶來不利影響, 將高溫和低溫試驗(yàn)分開進(jìn)行, 用兩組金屬橡膠試件分別對高溫和低溫下的阻尼性能進(jìn)行測試。
高溫阻尼試驗(yàn)
   高溫試驗(yàn)時(shí), 將材料試驗(yàn)機(jī)和高溫控制系統(tǒng)調(diào)整好后, 按設(shè)定的振幅和頻率對金屬橡膠減振器施加振動(dòng), 在試驗(yàn)過程中采用東華數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對力和位移信號進(jìn)行采樣并記錄, 采樣頻率 1000H z。首先在室溫 20e 時(shí)對減振器施加振動(dòng), 并測試記錄恢復(fù)力和位移數(shù)據(jù), 后每升高 20e 測試記錄一次,采集數(shù)據(jù)之前應(yīng)使溫度穩(wěn)定一段時(shí)間, 直至 300e試驗(yàn)結(jié)束, 振動(dòng)過程無停留。用 M atlab對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 即可繪出試件損耗因子和動(dòng)態(tài)平均剛度隨溫度的變化曲線 (圖5)。圖 5a和 b是在振幅 1mm, 頻率 1Hz條件下測得的損耗因子、耗能量和動(dòng)態(tài)平均剛度隨溫度的變化曲線; 圖 5c和 d分別為損耗因子和耗能在 300e時(shí)隨振幅和頻率的變化曲線。由于儀器精度和夾具調(diào)整誤差的影響, 所測數(shù)據(jù)有一定的誤差存在, 但在5%范圍內(nèi), 影響較小, 仍可明顯看出試驗(yàn)曲線的總體變化趨勢。
 
   由試驗(yàn)曲線可以看出:   ( 1)溫度從室溫升高至 300e , 金屬橡膠試件在振幅 1mm, 頻率 1H z的條件下阻尼損耗因子在 0. 20附近稍有波動(dòng), 幅度不大于 0. 02, 基本保持穩(wěn)定, 這表明金屬橡膠材料的損耗因子 G對溫度變化不敏感; 試件振動(dòng)一周的摩擦耗能在 100e 之前變化較小, 在 100~ 200e 之間隨溫度升高逐漸減小, 到 200~ 300e 時(shí)不再明顯下降, 出現(xiàn)波動(dòng)情況。  ( 2)溫度從室溫升高至 120e , 平均剛度基本維持室溫時(shí)的剛度; 溫度繼續(xù)升高, 平均剛度下降速度明顯加快, 在 200~ 300e 之間出現(xiàn)波動(dòng)。   ( 3)在高溫 300e 條件下, 金屬橡膠材料阻尼損耗因子隨頻率的增大逐漸減小, 隨振幅的增大也逐漸減小。
    低溫試驗(yàn)與高溫大體相同, 不同的是低溫試驗(yàn)需要附加液氮罐和氣泵向高低溫箱內(nèi)提供液氮制冷。低溫試驗(yàn)從室溫開始, 每降 10e 測試記錄一次數(shù)據(jù), 直至 - 70e 結(jié)束, 振動(dòng)過程無停留。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以得到試件損耗因子和動(dòng)態(tài)平均剛度隨溫度的變化關(guān)系曲線 (圖 6)。圖6a和 b分別是在振幅 1mm, 頻率 1Hz條件下測得損耗因子和動(dòng)態(tài)平均剛度隨溫度的變化曲線; 圖 6c和d分別為損耗因子和耗能在 - 70e 時(shí)隨振幅和頻率的變化曲線。由圖中曲線可以看出:
( 1) 溫度從室溫降至 - 70e , 金屬橡膠試件在振幅 1mm, 頻率 1H z的振動(dòng)條件下?lián)p耗因子在 0. 25~ 0. 23范圍內(nèi)略下降, 基本保持穩(wěn)定, 表明金屬橡膠材料損耗因子 G在低溫下對溫度相關(guān)性也很小;試件振動(dòng)一周摩擦耗能量隨溫度的降低總體呈下降趨勢, 從 0. 45降至 0. 41, 下降幅度較小。
  ( 2) 溫度從室溫降至 - 70e , 金屬橡膠試件平均剛度稍有波動(dòng), 變化幅度比較小, 僅為 0. 04kN /mm, 基本維持室溫時(shí)的剛度。
( 3) 金屬橡膠材料阻尼損耗因子在低溫下隨頻率和振幅的變化規(guī)律與高溫環(huán)境相同, 也是隨頻率和振幅的增大而減小。雖然不銹鋼材料的強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的降低而增大, 但整個(gè)試件而言, 在室溫至 - 70e 較小的溫度范圍內(nèi), 溫度的變化對試件動(dòng)態(tài)剛度的影響并不太明顯, 對減振器而言, 也就是固有頻率保持穩(wěn)定。隨著溫度的降低, 金屬橡膠試件耗能和彈性儲(chǔ)能在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)的變化均不太顯著, 由此計(jì)算得到的阻尼損耗因子也基本保持穩(wěn)定。低溫時(shí)金屬橡膠的阻尼損耗因子隨振幅和頻率的變化規(guī)律和機(jī)理與高溫一致。
   綜合高溫和低溫阻尼試驗(yàn)結(jié)果可以看出, 金屬橡膠材料在 - 70~ 300e 的溫度范圍內(nèi), 阻尼損耗因子基本保持穩(wěn)定, 從試驗(yàn)角度證實(shí)金屬橡膠材料阻尼性能對溫度只有很小的相關(guān)性。從耗能機(jī)理來看, 相比于橡膠等粘彈阻尼而言, 金屬橡膠具有耐高低溫環(huán)境的優(yōu)勢, 適合于在溫差較大的環(huán)境工作, 如高溫條件下發(fā)動(dòng)機(jī)空氣管道的減振, 低溫液氧燃?xì)廨啺l(fā)動(dòng)機(jī)中的軸承部件在低溫介質(zhì) (如液態(tài)甲烷和液氫等 )中的減振, 以及高、低溫工作環(huán)境兼有的宇宙空間飛行器中安裝的電子儀器設(shè)備的隔振等。
   首先對原有基于曲線擬合的比阻尼測試方法進(jìn)行改進(jìn), 提高阻尼測試精度, 然后在高低溫環(huán)境下對金屬橡膠材料的阻尼耗能特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明, 金屬橡膠材料在低溫 - 70e 至高溫 300e 的溫度范圍內(nèi)具有良好的阻尼性能, 動(dòng)態(tài)平均剛度隨溫度升高有所減小, 相比于橡膠阻尼材料, 更適合于在高溫和低溫等惡劣極端環(huán)境下用作耗能減振元件。
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