金属橡胶减振器振动及冲击特性实验研究

金鸣，薛前光，田立强，宋新波

（北京航空工程技术研究中心，北京 100076）

0 引言

随着电子产品使用范围的扩展，恶劣力学环境下电子产品的环境适应性要求也逐渐提高，旧式的金属弹簧及橡胶减振器越来越难以符合一些领域（如航空航天）电子产品的应用要求[1]。20世纪60年代，前苏联为了解决空间飞行器上的减振、过滤、密封等问题，成功地研制出金属橡胶材料。金属橡胶材料的内部结构是金属丝相互交错勾联形成的类似橡胶高分子结构那样的空间网状结构，它受到、振动位移时，金属橡胶的干摩擦阻尼可耗散大量的能量而起到减振作用[2-3]。用金属橡胶材料制成的金属橡胶减振器（MRD：Metal Rubber Damper）不仅耐高低温，而且耐腐蚀、不易老化、抗冲击，具有很长的工作寿命，在航空航天领域有着广泛的应用前景。由于具有明显的非线性本构关系，所以金属橡胶减振器的振动以及冲击特性也较为复杂。为了使金属橡胶减振器能够在电子产品防振工程上得到更好的应用，本文采用正弦扫描以及冲击实验对金属橡胶减振器的减振及抗冲击性能进行了研究。

1 实验设备及原理

为了研究金属橡胶减振器的振动及冲击特性，作者采用如图1所示的金属橡胶减振器进行实验。减振器主要由上下两块金属橡胶材料以及金属弹簧构成。金属弹簧用于弥补金属橡胶材料刚度太小的缺点。

图1 金属橡胶减振器结构图

实验原理图如图2所示。图中的电荷传感器1内置在振动台中，它与振动台以及控制与功率放大器三者构成了一个实时循环的闭环控制系统，保证了振动台能产生出所需的振动信号。整个实验信号的传递过程为：由PC机设定参考信号，内置控制器根据参考信号来输出驱动信号，驱动信号经功率放大器放大后驱动振动台的振动，振动加速度信号经电荷传感器反馈到内置电荷放大器，电荷放大器调整加速度信号为电压信号后输入到控制器，控制器根据反馈的信号和参考信号对比，根据偏差调整得到稳定的振动台输出信号。输出信号经过金属橡胶减振器放大或衰减后由电荷传感器2采集并传输到控制与功率放大器，然后反馈到PC机。图3为实验现场。

图2 实验原理图

图3 实验现场

2 正弦扫频实验结果及其分析

金属橡胶材料振动特性的影响因素较多，本文只研究不同的配重以及不同的正弦激励幅值下金属橡胶减振器的振动特性。假设金属橡胶减振器是线性系统，单自由度线性粘性阻尼系统的传递率T的表达式为[3]:

式（1）中：f0——系统固有频率；

f——激振频率；

ξ——阻尼比。

可以得到金属橡胶减振器的传递率曲线，即可求得系统的固有频率和阻尼比，再根据以下公式则可求得系统的刚度k[4]。

2.1 不同的配重对金属橡胶减振器振动特性的影响

对配重分别为0.26、0.32、0.38、0.44 kg的金属橡胶减振器进行正弦扫频实验，正弦加速度峰值为1 g，频率范围为10～1 000 Hz。实验结果如图4所示。

从实验结果求出的不同配重下系统的固有频率、等效刚度以及等效阻尼比如表1所示。由此可见，随着配重的增加，金属橡胶减振器的固有频率、等效刚度以及阻尼比都呈现出先下降后趋于平稳的趋势。

表1 不同配重时的系统参数

2.2 不同的激励幅值对金属橡胶减振器振动特性的影响

对配重为200 g的金属橡胶减振器进行加速度幅值分别为0.5、1、1.5、2 g的正弦扫频实验，频率范围为10～1 000 Hz，实验结果如图5所示。

从实验结果可以求出在系统质量不变的情况下，加速度幅值分别为0.5、1、1.5、2 g时的固有频率、等效刚度以及等效阻尼比如表2所示。由此可见，随着加速度幅值的增加，金属橡胶减振器的固有频率、等效刚度以及等效阻尼比都将降低，而共振放大倍数将增大，金属橡胶减振器的刚度呈现出软特性。

图5 不同的激励幅值时的响应及传递率

表2 不同的激励幅值时的系统参数

3 冲击实验结果及其分析

采用冲击隔离系数ηs作为考察金属橡胶减振器冲击特性的指标。冲击隔离系数ηs定义为[4]:

3.1 不同的配重

在线性系统中，质量的增加使系统的固有频率ωn降低。在冲击持续时间τ和冲击加速度峰值不变的情况下，ωnτ降低，ηs系统的冲击隔离系数降低，提高了缓冲效果。但在非线性隔冲系统中，有时负载质量的增加并不一定就会提高缓冲效果，图6为冲击加速度峰值为9 g，持续时间为11 ms的半正弦波冲击下，配重分别为0.23、0.30、0.37、0.44 kg时的金属橡胶减振器的加速度响应曲线及冲击隔离系数。由此可见，在随着配重的增加，响应峰值发生的时间缓慢延后，最大正值响应的变化不大，而最大负值响应则不断增大，但金属橡胶减振器的冲击隔离系数却先增大后减小。

3.2 不同冲击的加速度峰值

在无阻尼线性系统中，冲击加速度的峰值对冲击隔离系数的影响很小。但对于金属橡胶隔振器，不但冲击响应最大峰值加速度和最大变形与冲击加速度峰值有关，而且冲击隔离系数也随着冲击加速度峰值的变化而变化。图7是在配重为0.30 kg时金属橡胶减振器在峰值分别为6、7、8、9 g的持续时间为11 ms的半正弦波冲击下的加速度响应曲线以及冲击隔离系数。可以看出，随着冲击峰值的增加，响应的峰值也随着增大，而且冲击隔离系数也越来越大。

图7 冲击峰值不同时的冲击响应及ηs

3.3 不同的冲击持续时间

冲击时间是影响冲击隔离效果的主要因素，在短冲击时增加冲击持续时间增大了冲击隔离系数和最大变形，而在长冲击时冲击隔离系数和最大变形不但与冲击持续时间有关而且与冲击脉冲波形有关。图8是负载质量为0.3 kg，冲击峰值为6 g时金属橡胶减振器在冲击时间分别为6、8、10、12 ms时的冲击加速度响应以及冲击隔离系数。可以看出，随着冲击持续时间的增大，响应的峰值以及冲击隔离系数也随着增大。

图8 持续时间不同时的冲击响应及ηs

4 结束语

本文通过正弦扫频和冲击实验，研究了金属橡胶减振器的振动及冲击特性，结论如下：

1）金属橡胶减振器具有明显的非线性特征，随着激励幅值的增加，其固有频率和刚度减小，呈现出软特性；

2）金属橡胶材料的阻尼较金属弹簧要高，与金属弹簧相结合的话，不仅能保证所需刚度的要求，而且具有更好的阻尼减振效果；

3）配重和冲击峰值对金属橡胶减振器的冲击隔离系数负载的影响与线性系统不同。

[1]葛祖德，姚起杭.航空用新型减振器 [J].应用力学学报，2001，18(增刊)： 110-113.

[2]黄协清，张铁山，张俊华.金属橡胶材料隔振特性研究[J].机械科学与技术，2000，19(6)：977-980.

[3]李中郢，卢正人.航天器用新型金属橡胶减振器 [J].上海航天，2005，21(5)：58-61.

[4]殷祥超.振动理论与测试技术 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[5]付永辉.金属丝网阻尼器建模及其减振应用研究 [D].西安：西北工业大学，2007.

[6]夏宇宏，姜洪源，魏浩东，等.金属橡胶隔振器抗冲击性能研究 [J].振动与冲击，2009，28(1)：72-75.