某直升机橡胶减震器动刚度特性试验

和法家， 卢 曦

(上海理工大学机械工程学院，上海 200093)

0 引言

随着国防建设迅速发展，军用品的生产理念和宗旨更注重耐用性、持久性等方面，军用品要求适应极端环境的能力(温度、湿度、盐度、压力、过载)。在对某飞机发动机减振器设计中仅仅研究材料在准静态荷载下的力学性能已远远不能适应工业和国防建设等各方面的需要，材料的动力学性能研究越来越被人们所重视，特别是在精确制导、高强度打击成为现代高技术战争的主要作战形式的今天，传统的飞机减振器的结构和材料已经不能满足现代战争的需求。减振器结构的合理化和隔振吸振能力的提高成为当前减振器技术研究的热门课题。

动刚度是指动载荷下抵抗变形的能力，即引起单位振幅所需要的动态力。动刚度是衡量结构抵抗预定动态激扰能力的特性。特别地，对于橡胶等黏弹性体减振元件，其动刚度是描述减振性能的关键指标［1］。

橡胶材料具有较强的黏弹阻尼特性，其宏观力学性能表现为力与变形呈非线性关系［2］，动态刚度和阻尼系数随工作振动频率及振动振幅的变化而改变。准确地测试出飞机发动机橡胶隔振元件——橡胶减震器的动态刚度，对于正确评价其工作性能和工程设计起着十分重要的作用［3］。由于振动频率、幅值、预载荷对隔振元件的动态特性影响较大，测定振动元件在工作载荷下的动态刚度，不仅要求较为精确的振动频率控制，同时要精确地控制振动幅值。

本文以某飞机发动机橡胶减振器为研究对象，讨论预载荷、激振振幅和激振频率对橡胶减振器动刚度特性的影响。通过试验获得不同工况下减振器的动态性能，为减振器设计提供依据，同时可为同类产品的开发提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

试件为中间低碳钢的两侧均为螺纹孔的圆柱型天然橡胶制品，适用于压缩剪切以及压缩剪切结合的情况，具有容易安装、适用范围广的特点，在使用过程中通过橡胶部分的黏弹性特性达到减震吸能的效果。橡胶减震器的橡胶部分尺寸为Φ60 mm×36 mm，结构图如图1所示。

图1 试样

1.2 试验装置及方法

采用Bose ElectroForce 3330振动台自带的dma软件模块快速地记录振动试验中的位移-力数据，该振动台采用动磁式直线驱动方式，具有高保真度、高精度，测试频率最大100 Hz;最大力值3 kN噪音低于50 dB;最大动态位移12～50 mm;最低测试频率要求达到0.000 1 Hz;具有极高的控制及测量精度。

实验时，采用变载荷激振的方法［4］，减振器与发动机相连的一端与能产生正弦激励的激振器的作动头端相连;另一端固定于振动台上，在振动台的作动头端与固定端分别安装力传感器、位移传感器。振动过程中分别利用拉压力传感器和位移传感器采集橡胶减震器的动载荷和变形;由传感器测取获得的位移和拉压力信号经多通道数据采集模块传输到PC机。在LabVIEW环境下的专用测试系统软件，用于试验过程的控制及数据的采集、显示与存储。试验台如图2所示。试件装夹如图3所示。

图2 试验系统

图3 试件装夹图

考虑到产品的一致性，可忽略因制造差异产生的系统误差。试验样件从生产线上同一型号产品随机抽取的3个减振器，进行适当的改装而成为试验样件，为了分析橡胶减震器动刚度的影响因素，分别将橡胶减震器的振动频率、振幅、预载荷3个水平因素作为可变参数进行循环试验［5］。激励振幅的设置和激励频率的改变可分别由振动台中调节不同的电信号来实现。为了能与实际工作状态相接近，频率范围选择1～60 Hz，每次试验间隔1 Hz，激励振幅设定为0.6、0.8和1.0 mm。分别选择600、800和1 000 N的压力作为减振器预载荷，各试验因素水平值如表1所示。

表1 试验因素水平表

1.3 试验步骤

(1)在预载荷600、800、1 000 N，幅值为0.6、0.8、1.0 mm情况下分别从1～60 Hz进行振动试验共计540个工况点。用dma模块记录力-位移 信号获得约10 000个数据

(2)对试件2、3进行同样的试验共获得约30 000个数据。

2 试验结果及分析

2.1 试验数据处理

在各试验参数确定的前提下，分别用位移传感器和拉压力传感器采集得到橡胶减震器变形信号及动载荷信号，如图4、5所示。将采集到的同一试验参数下的多个波形进行傅里叶分析［7］，消除试验造成的误差，分别对位移时间历程，动载荷时间历程进行傅里叶分析之后，得到如图6、7所示的结果，低频项纵坐标即为在同一参数下的位移及动载荷幅值。动载荷幅值与位移幅值相除即得到橡胶减震器动刚度［8］，每次试验得到一组试验因素下的一个动刚度值。图4、5为某一组试验因素下(预载荷F=1 000 N，激振频率f=20 Hz，激振幅值A=1 mm)测得的橡胶减震器位移信号(由平衡位置橡胶减震器底端向下压缩时为负值，向下拉伸时为正值)和动载荷信号的时间历程。图6、7为对所采集的的数据通过Matlab进行傅里叶分析之后的频率幅值图。

图4 橡胶减震器位移时间历程

图5 橡胶减震器动载荷时间历程

图6 位移FFT线

图7 力FFT曲线

2.3 结果及分析

2.3.1 激励频率、预载荷对动刚度的影响

图8描述了激励振幅为1 mm、不同预载荷、不同频率情况下的橡胶减震器动刚度值及其变化规律。

图8 动刚度随频率、预载荷的变化情况

由图8可知，橡胶减震器的动刚度值与预载荷和激励频率有关。随着频率的增加呈先增长然后缓慢减少的趋势，其中激励频率在35～50Hz，动刚度变化相对较小;55 Hz之后3种预载荷下的动刚度均出现下降趋势。动刚度与激励频率的关系曲线表明，低频时橡胶减震器的刚度较小，可以降低发动机震动给机身带来的瞬态振动，减小机身相对动行程［9］;高频时橡胶减震器刚度较大，具有较好的支撑作用。橡胶减震器的动刚度随预载荷增加而增加，低频率时不同预载荷的曲线变化速度较大，随着频率的增大，不同预载荷的动刚度-频率曲线基本平行。

橡胶减震器是一个非线性系统是弹性与黏性的结合体，随着频率的增大，橡胶分子内部来不及变化，弹性部分表现明显，黏性部分降低，所以动刚度增大［10］。但是当频率达到一定程度之后，分子内部来不及变化，黏性部分开始增大，所以动刚度又有下降的趋势。预载荷增大，使橡胶减震器分子间变得越来越密集，所以使其动刚度有增大的趋势。

2.3.2 激励幅值对动刚度的影响

图9描述了预载荷为1.0 kN、不同激励振幅、不同频率下的橡胶减震器动刚度值及其变化规律。

由图9可知，频率-动刚度曲线变化趋势如2.1所述。在同一频率下，动刚度值随基本激励振幅增大而减小，随着振幅增大，减小的幅度也很相似［11］。激励振幅代表着分子间相对运动的距离，相对运动越剧烈，分子间的黏性阻尼越大，表现出来的就是随着激励振幅的增大，动刚度变小［12-13］。

图9 动刚度随频率、激励振幅的变化情况

综上可知:在不同频率下，振幅、载荷对该橡胶减震器动刚度的影响具有很强的规律，曲线之间存在类似平行关系，在理论计算中可以将振幅和载荷对动刚度的影响看成某些简单的比例关系;橡胶减震器在0～35 Hz加载频率间动刚度值有较小迅速上升，这有利于机器在运行初期冲击载荷引起的振动［14-15］;该橡胶减震器在35～60 Hz加载频率间，动刚度值有着较大的刚度。

3 结论

橡胶减震器弹性特性的理论分析与试验研究表明:

(1)橡胶减震器静、动态刚度特性均为一簇非线性曲线，不同的预载荷情况下的曲线成近似的平行关系，变化趋势与预载荷关系不大。预载荷越大，橡胶减震器承载能力越强，刚度越大。

(2)橡胶减震器的刚度随频率增大先增大后减小，0～30 Hz范围内，动刚度随频率的增大而增大，增大幅度达到30%，支撑效果比较明显。在35～50 Hz范围内，动刚度变化相对较小。

(3)橡胶减震器的动刚度值的整体幅度随激励振幅增大而减小。

本文利用适当的试验手段和方法，以橡胶减振器为试验样品，通过试验获得不同工况下减振器的动刚度性能，为减振器设计提供依据，同时可为同类产品的开发提供参考。

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