金属橡胶隔振器隔振性能的实验研究

1 引 言

舰船在服役期间，由于主、辅机运转时会产生振动，因此必须对舰船上的振动源进行隔振设计，这样做一方面可以降低由于振动源的振动对舰船上设备造成的损害，另一方面通过减小振动可以降低舰船向外辐射的机械噪声，从而增强声隐身的效果。金属橡胶隔振器是一种性能优良的新型隔振器，对其进行实验研究可以更好地掌握其隔振性能。

金属橡胶隔振器是以不同规格尺寸的金属丝为原材料，经螺旋缠绕、拉伸、模压等特殊制备工艺成型的，它因具有橡胶的弹性而得名。由该种材料制成的隔振器在高低温、腐蚀环境等特种工况下具有良好的隔振性能。由于金属橡胶隔振器本质上是由金属材料制作而成的，因此它比真实的橡胶隔振器的环境适应能力强。金属橡胶在受力变形时，由于其内部金属丝之间产生滑移，由此产生的金属丝相对位移变形产生摩擦而耗散振动能量，因此其隔振性能好。金属橡胶还具有易制成各种形状、各种相对密度、重量轻、刚度可调节等优点，在高低温、大温差及腐蚀性介质等环境下所具有的良好隔振性能是普通橡胶隔振器所无法比拟的[1]。正是由于金属橡胶具有这样的优点，使得其在各种舰船机械等隔振领域中具有广泛的应用前景。由于在具体使用环境下，金属橡胶的弹性模量、平均刚度和隔振特性与金属橡胶的各个参数密切相关[2，3]，因此，本文通过实验研究了金属橡胶隔振器的各个参数对其隔振特性的影响。

2 试验设备及隔振器

图1 金属橡胶隔振器

试验设备采用美国MTS公司810型通用液压伺服静态及动态试验系统，该系统全程由计算机编程控制，数据由计算机直接采集，其控制及数据采集精度基本满足试验要求。由于该试验机只能使用直径25 mm以下的上、下夹头夹持实验件，因此金属橡胶隔振器不能直接夹持于实验机上，必须配以适当的夹具，图2为作者设计的夹具原理图。

图2 隔振器尺寸及夹具图

3 静态试验

试验主要针对环形金属橡胶隔振器进行，受力方向为径向。在MTS试验机上进行静态、动态力学试验。该实验机最大静载荷可达100 kN，误差为20 N。

1) 金属橡胶隔振器迟滞特性实验

图3 静态试验原理框图

实验时，采取位移控制的方式施加载荷，由力传感器和位移传感器采集力和位移的数据，并将采集到的数据输入数据采集系统，通过计算机软件分析力和位移数据，可以得到迟滞特性曲线。通过改变参数对金属橡胶隔振器进行实验，分析各参数对其迟滞特性的影响规律，由迟滞曲线所围成的面积表示隔振器耗散的能量。根据金属橡胶隔振器迟滞特性实验所获得的数据，得到图4所示的典型的金属橡胶隔振器迟滞特性曲线(图中曲线为经过拟合的曲线，下同)。由图中曲线可以看出，环形金属橡胶隔振器表现出弱非线性刚度特性，刚度呈现线性段所占比例较大，在刚度出现非线性的阶段，随着变形量的增加，环形金属橡胶隔振器的刚度也逐渐增大，即刚度呈现渐硬特性。

图4 金属橡胶隔振器的弹性迟滞回线

2) 环形金属橡胶隔振器弹性模量的确定及平均刚度的计算

① 弹性模量的确定

制作金属橡胶隔振器所使用的材料属于结构阻尼材料,其非线性特性较弱,主要原因是由于工作过程中内部金属丝接触点的数量变化小,内摩擦力基本恒定,在变形幅值范围内,变形量的大小对最大摩擦力的影响很小[5]。为了计算环形金属橡胶隔振器的弹性模量,首先分析纯金属环沿图2所示y轴方向力与变形之间的计算公式[6]。

(1)

由式(1)可得纯金属环的弹性模量：

(2)

② 平均刚度的计算

金属橡胶隔振器内部的金属丝之间是相互勾连在一起的,可以把金属橡胶隔振器看成是平均半径为R, 横截面尺寸为b×h的弹性圆环。分析式(2),R,b和h对于具体的金属橡胶隔振器而言是固定的；对于环形金属橡胶隔振器,只有平均刚度是未知的。因此，只要算出金属橡胶隔振器的平均刚度，其弹性模量即可算出。由于金属橡胶隔振器的刚度取决于金属丝的直径、金属橡胶隔振器的成型密度、金属橡胶隔振器的形状以及制备工艺等因素,所以为了计算环形金属橡胶隔振器平均刚度,要利用金属橡胶隔振器的弹性迟滞回线(如图4所示)。弹性迟滞回线中的加载曲线和卸载曲线与力轴p和变形轴x各有两个交点:与力轴p的两个交点是总摩擦力T1和T2;与变形轴x的两个交点是总变形量(即残余变形)a1和a2。

金属橡胶隔振器所使用的材料具有非线性特性，但是其在工作振幅范围内的弹性阻尼性能接近于线性(如图3所示),所以利用环形金属橡胶隔振器的弹性迟滞回线可以近似得到其平均刚度，平均刚度的计算公式为:

(3)

分别对不同外形尺寸的金属橡胶隔振器进行迟滞特性实验，得到不同的弹性迟滞回线，由弹性迟滞回线可以分别计算出不同外形尺寸的金属橡胶隔振器的平均刚度Cp，列于表1。

表1 实验数据

分析表1中的试验数据可知,随着金属橡胶隔振器中径R的增大，它的平均刚度呈现逐渐减小的变化趋势，但是不同中径的金属橡胶隔振器，在b和h相同的情况下，其弹性模量是相同的。由试验数据计算得到4种不同尺寸隔振器的平均弹性模量为E=2.385 MPa。由此可以得出，具有不同几何参数的环形金属橡胶隔振器,当其相对密度相同、金属丝直径相同、截面尺寸b×h(mm)相同时,其弹性模量也相同，但是其平均刚度随着中径R的增大而减小。

4 动态试验

为考察环形金属橡胶隔振器在振动状态下的各项性能，进行了一系列的动态实验。

动态实验原理图如图5所示。

图5 动态实验原理图

将安装好夹具的环形金属橡胶隔振器平衡放置于试验机上，并与试验机的夹头连接，调整试验机夹头的位置，使夹头处于不受力的状态；选定激励频率及峰峰值对金属橡胶隔振器进行稳态正弦试验，即选定正弦频率，对振动位移的峰峰值进行控制(Control Mode=Displacement)，采用循环方式(Buffer Type=Circular)对正弦试验过程中的载荷及位移等参数进行计算机采集，并形成数据文件。

进行新的参数条件下的测试之前，应使试验机的位移值回零。

5 动态实验结果分析

本文主要从振动频率、成型密度及振幅对迟滞特性的影响进行了分析。

1) 振动频率对迟滞特性的影响

对金属橡胶隔振器进行振动测试，预压缩(或初始位移)为0 mm，即在自然状态下，振动幅值为1.0 mm，振动频率分别为2 Hz,4 Hz和6 Hz，实验结果如图6所示。

图6 振动频率对迟滞回线的影响

由图6可以看出，在不同振动频率激励下的金属橡胶隔振器的迟滞回线基本上重合，由此可以得出，金属橡胶隔振器的迟滞曲线所包围的面积不因频率的改变而改变，也即是振动频率对金属橡胶隔振器消耗振动能量没有影响。因此，可以认为在本实验中振动频率对金属橡胶隔振器的迟滞特性曲线没有影响。

2) 成型密度对迟滞特性的影响

图7 成型密度对迟滞回线的影响

由图可见，金属橡胶隔振器的成型密度对其迟滞特性的影响几乎是和其成型密度成正比的。随着金属橡胶隔振器成型密度的增加，其加载—卸载曲线所包围的面积越来越大，这是因为，成型密度越大，表明单位体积内的金属丝数目也越多，在相同的变形下，发生摩擦的金属丝的数量也越多，金属丝之间的摩擦力也就越大，加载—卸载曲线所包围的回线面积也越来越大，并呈现渐硬刚度特性，对于相同的变形，所需要施加的载荷也越来越大，迟滞曲线所围的面积也越来越大，其阻尼比率也越来越大。这表明金属橡胶隔振器随着成型密度的增大，在振动中所损耗的能量越来越强，其隔振效果也越来越好。

3) 振幅对迟滞特性的影响

对金属橡胶隔振器进行振动测试实验，振动频率为4 Hz，预压缩(或初始位移)为0 mm，即在自然状态下，振动幅值分别为1.0 mm， 1.5 mm和2.0 mm，实验结果如图8所示。

图8 振幅对迟滞回线的影响

由图可见，随着振动幅值的增大，金属橡胶隔振器迟滞曲线所围成的面积越来越大，表明金属橡胶隔振器在振动中随着振动幅值的增大，其消耗的能量也随着增大，其隔振特性逐步增强。这是因为振幅很小时，金属丝没有克服它们之间的摩擦力，不会发生滑移现象或者发现滑移的现象表现得不明显；当振动幅值加大，振动表现得剧烈时，金属丝间发生滑移的现象表现得更加明显，金属橡胶隔振器的刚度减小，隔振特性增强，迟滞曲线所包围的面积增大，其在振动中所损耗的能量也越来越大。

6 结 论

通过对不同外形尺寸的金属橡胶隔振器进行了静态、动态试验，以及对取定外形尺寸的金属橡胶隔振器进行了振动试验，得出了以下结论：

1) 通过实验证明，金属橡胶隔振器的弹性模量取决于其相对密度、金属丝直径以及制备工艺方法等。在相对密度、截面尺寸b×h和金属丝直径相同的情况下,当环形金属橡胶隔振器的中径发生变化时,其弹性模量保持不变。

2) 金属橡胶隔振器具有非线性阻尼特性，但是在工作振幅范围内它的弹性阻尼性能接近于线性,所以可以利用环形金属橡胶隔振器的弹性迟滞回线计算得到其近似平均刚度，从而计算出金属橡胶隔振器的弹性模量。

3) 不锈钢丝金属橡胶隔振器具有良好的隔振性能，其迟滞特性受成型参数，尤其是成型密度、振幅的影响较大，随着这些参数的增大，金属橡胶隔振器的隔振性能增强；成型密度对金属橡胶隔振器迟滞特性的影响几乎与其成型密度成正比关系，随着成型密度的增大，迟滞回线包围的面积呈正比例增加。由实验还得知，振动频率对金属橡胶隔振器的迟滞特性几乎没有影响。所以通过合理地优化这些参数，可以设计出性能优良的金属橡胶隔振器。

参考文献：

[1] 姜洪源,夏宇宏,敖宏瑞.金属橡胶构件的性能分析与实验研究.中国机械工程, 2001, 12 (11): 1294-1297.

[2] 陈艳秋,朱梓根.用于管路的薄金属橡胶减振器的性能研究[J].航空动力学报,2001,16(2):175-178.

[3] 李瑰贤,敖宏瑞,АМУ ланов,等.汽车用环形金属橡胶弹性元件的性能研究[J].机械设计,2002,19(11):8-10，17.

[4] 杨俊良.1Cr18Ni9Ti钢的抗冲击性能实验研究[J].舰船科学技术,2007,29(4):82-85.

[5] Тимошенко С К. Сопротив лениематериа лов[M]. Том 1.М.:Наука, 1965.