浅析金属橡胶减振构件特性

张晓再 杨红超

摘  要：本文在介绍金属橡胶技术的发展历史背景的基础上，介绍了当前金属橡胶减振技术的静态刚度分析方法，分析了当前静态刚度分析方法的局限性，阐述了金属橡胶减振技术的阻尼特性分析方法和难点，并介绍了当前金属橡胶减振技术的理论建模方法和主要研究成果，还对以后的研究方向和工作重点进行介绍和归纳。

关键词：金属橡胶、减振器、阻尼、建模、刚度

金属橡胶构件以金属丝为原材料，不含任何普通橡胶，但却具有橡胶一样的弹性和多孔性，特别适合于解决高低温、大温差、高压、高真空、强辐射、剧烈振动及腐蚀等环境下的阻尼减振、过滤、密封、节流及吸音降噪等疑难问题，可以根据不同工况需要制备出各种结构形状，而且具有储存和使用寿命长，没有老化现象等特点，是航空航天、国防武器装备及民品特殊工况下普通橡胶的最佳替代品。

1  引言

20世纪50年代末，美国的V2侦察机就开始采用由金属橡胶制成的构件;20世纪60年代，原苏联在截获的美国军用飞机上发现金属减振器后，研制开发出大量的金属橡胶制品，解决了很多国防及航空航天领域的疑难问题;由于原苏联、美国对金属橡胶减振器的严密封锁，我国的金属减振器研制工作于20世纪90年代末开始，起步较晚。

目前，金属橡胶构件用途较广，已被广泛应用在潜艇、船舶、导弹、火箭、飞机、高速列车、特种车辆、石油化工等装备产品中，具有军民两用的鲜明特征。有论文可查的应用有：炮用缓冲件、联轴器用减振器、月球着陆器用缓冲件、汽车用减振器、航空发动机外部管路卡箍的减振衬垫、惯导平台减振器、氢涡轮泵转子阻尼器等[1]。经过对比试验验证发现，金属橡胶减振器不但可以很好的代替橡胶减振器，而且在很多恶劣环境中可以更稳定地工作。

2  金属减振橡胶构件特性分析

与传统的高分子粘弹性橡胶构件相比，金属橡胶减振构件作为一类重要的减振元件，有着优异的特性，如抗高低温、不易老化、强度高、阻尼大、耐介质腐蚀、密封、节流、过滤、不怕空间辐射和粒子撞击等，其性能指标具有可设计性，改变不同的工艺参数和方法，可以制备出具有不同结构尺寸和性能特点的金属橡胶产品。因此可以有效的提高武器装备的精度、可靠性等性能，还可以应用在特殊的环境中。

金属减振器的结构形式有多种，主要有：I形减振器、环形减振器、钟形减振器、弹簧组合金属橡胶减振器等。为了更好地代替传统橡胶减振器，现在研究最多的是I形结构的金属橡胶减振器。

2.1 静态动态刚度特性分析

研究金属橡胶减振器的静态动态特性的方法一般有两种：

1.用材料机拉压试验绘出减振器的滞环回线，从中分析刚度和能量耗散特性;

2.用振动台进行随机振动或正弦扫描，根据传递特性曲线分析弹性阻尼特性。

利用上述方法将橡胶金属减振构件和传统橡胶减振构件进行对比分析可以得出以下结论：

a.金属橡胶减振器的承载能力、耗散能量能力、过临界能力、性能稳定性、抗冲击能力、高低温工作稳定性、工作寿命等特性，优于传统的橡胶减振器。

b.金属丝材料、丝径、簧径、减振垫密度、垫尺寸、激振力量级、安装预压量、弹簧缠绕走向等参数，对金属橡胶减振器的弹性阻尼特性有很大的影响。

并且可以从相关的实验数据[2]得出以下定性结论：

1.金属橡胶减振器的刚度随丝材弹性模量E、丝径、垫密度的增大而增大。

2.金属橡胶减振器的刚度随簧径、激振力的增大而减小。

3.减振垫的尺寸与弹性阻尼特性密切相关。一般的，垂直于载荷的截面面积和刚度成正比，平行于载荷的高度和刚度成反比。

4.预压量增大，减振墊刚度增大，硬特性增强，寿命减小。

5.弹簧缠绕走向对环形金属橡胶减振器的承载能力和阻尼性能的影响可达2～3倍。

6.金属减振垫的成型受压方向和非受压方向有不同的刚度阻尼特性，表现为各向异性。从滞环回线可以看出，成型受压方向表现为非线性特性，非受压方向更接近线性特性。

上述是金属橡胶减振构件的定性研究结果，由于诸多因素的限制，如金属橡胶减振的加工工艺参数差异较大，减振垫的安装方式、配合尺寸也会极大地影响弹性阻尼特性等，目前很难给出金属橡胶减振构件的定量结论。

2.2阻尼特性分析

金属橡胶材料的阻尼成分和变化规律比较复杂，且其阻尼特性存在较明显的各向异性，因而也就无法直接建立方程推导金属橡胶减振器的动态特性。对金属橡胶材料阻尼的各种假设和探讨成为研究金属橡胶材料的一个焦点。

金属橡胶材料内部是金属丝弹簧相互啮合的网状结构，类似天然橡胶的大分子，并因此而得名。与天然橡胶相比，金属橡胶与天然橡胶有类似的阻尼特性。微观上，金属橡胶的阻尼主要由金属丝之间的干摩擦引起，但是宏观上，金属橡胶的阻尼特性是不能用简单的干摩擦阻尼特性来描述的。

现在利用假设建立阻尼模型对滞环回线或动态曲线的拟和结果很难推广应用，主要受到两个方面因素的限制。一方面通过改变工艺参数，金属橡胶会有完全不同的刚度阻尼特性，与现有的拟和曲线很难找到对应关系;另一方面同一种工艺参数，由于工艺过程的不可控因素，加工生产的金属橡胶的刚度阻尼特性离散性比较大，通过个体试验结果的拟和曲线不能代表共性。由于金属橡胶减振器振动过程是由非线性的干摩擦力和非线性的刚度特性叠加决定的，所以金属橡胶减振器的工作机理至今还很难明确的表示出来。

目前，限于固体物理学的研究水平，还不能根据天然橡胶的基本物理参数定量计算内阻尼力，只能在具体条件下试验测定。金属橡胶的阻尼特性也一样，因此，目前对金属橡胶阻尼特性的研究内容主要在两个方面：假设阻尼参数模型对滞环回线、动态曲线进行曲线拟和;设计试验总结阻尼规律。

对于摩擦力的研究方法包括两固体接触表面间的干摩擦力模型以及含有各种干摩擦环节的振动系统在简谐振动、随机振动和冲击激励下的响应计算方法。由于这些方法是以线性弹性恢复力系统为基础，所以不能直接适用于刚度为非线性的金属橡胶减振器，但是可以作为研究金属橡胶阻尼特性的出发点，例如利用唯象的宏观力学分析方法建立了金属橡胶隔振器的力—位移之间的三次非线性粘性阻尼双线性滞迟泛涵本构关系、以双折线干摩擦力模型为基础进行动态特性分析、应用小波变换的方法对金属橡胶减振器的非线性阻尼进行干摩擦阻尼识别、在动态试验测得减振器滞环回线的基础上，利用面积等效原则可以简单的计算出滞环回线包围的面积，从而可以计算出阻尼比。该方法相对更方便，计算结果更精确。

2.3 细观建模分析

材料的细观本构模型是进行结构分析、寿命评估和制定工艺规范的关键所在，因此建立正确有效的细观本构模型对于进一步开拓金属橡胶材料的应用领域具有十分重要的理论意义和工程应用价值。

从目前的资料报道来看，对于金属橡胶材料的细观本构关系的研究还是处于起步阶段[3]。俄国专家索弗尔教授提出了一个基于金属丝线匝三维垂直轴等概率分布假设下的压力计算模型，但仅适合于各向同性体，对于具有工艺各向异性金属橡胶材料依然有较大的误差;邓剑波、陈艳秋提出了用小曲梁的模型（小曲梁是一端固支一端自由的半圆环）推导出成型受压和非受压两个方向的应力应变本构关系，因此该模型具有一定的理论指导意义，工程直接应用却比较复杂;彭威、白鸿柏在以微弹簧轴向径向变形规律的基础上，提出一个新的材料参数铺层比例系数 ，该参数可以较好的反映因铺层引起的各向异性，该方法可以较方便的应用于工程研究中，但是参数的确定完全依赖于试验结果。

3  结束语

我国在十几年的时间里，在金属减振器研究研制方面做了大量工作，为制定提高武器装备可靠性稳定性方面提供了一种全新的选择。但是作为一种重要的将在武器装备中大批量使用的元器件，金属橡胶减振构件至少在以下几个方面还需要做大量工作。

1.加强金属橡胶材料的工艺研究工作。从目前研究工作来看，工艺加工已经成为所有研究工作的瓶颈;此外为了实现大批量生产使用，需要提高并保证金属橡胶产品的一致性和稳定性，则工艺方法研究是必要的途径。

2.金属橡胶材料的阻尼特性规律研究。

3.金属橡胶减振器的冲击环境下规律、工作寿命和贮存期限的研究。

4.金属橡胶减振器的动态和静态刚度阻尼特性的关系研究。其意义在于能够用静态试验取代动态试验，会大大减少研制和生产中的试验成本。

参考文献

[1]  李中郢，卢正人.金屬橡胶减振器组合刚度特性研究.哈尔滨工业大学学报，2005（Vol.37 No.11）：1294～1297

[2]  王佳民，裴听国.惯性平台新型金属橡胶减振器非线性特性分析.宇航学报，2004（Vol.25 No.3）：256～261

[3]  金鸣，薛前光，田立强.金属橡胶减振器振动及冲击特性实验研究.电子产品可靠性与环境分析，2012（2）：20～24

作者简介：张晓再（1978-），男，汉族，陕西省周至县，海装驻广州地区第三军事代表室，工程师，学士，研究方向舰船装备质量监督。