T型减振垫径向压缩量对减振垫性能的影响*

郭瑞毅，涂春潮，任玉柱，陈子昂

(1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2.中国航发北京航空材料研究院有限公司，北京 100095)

T型减振垫通常由金属套筒、橡胶垫、金属垫片等构成。由于其安装方便、可靠性高、使用寿命长、价格低廉等优点被大量用于电器[1]、电子设备[2]、惯导控制[3]、航空航天[4]等系统。和所有橡胶类减振器一样，其可以通过改变橡胶配方的方法改变橡胶模量，从而改变减振器的谐振[5-7]，然而不利的是橡胶材料的多种力学性能与温度也有着密切的关系，在不发生相变的前提下，随着温度的升高，橡胶材料的弹性模量不断降低[8]，摩擦因数也与温度关系密切[9-11]。因此，通常橡胶制品随温度变化，产品性能波动较大。在实际应用中，杨殊珍等[12]指出，随着环境温度的增加，桥梁用橡胶隔振器的动刚度和阻尼系数均逐渐减小；刘迪辉等[13]指出，温度对于车用分动箱橡胶隔振器力学性能有较大的影响，温度升高，分动箱隔振器的动刚度和阻尼系数逐渐减小。因此，寻找降低橡胶减振器温度敏感性的方式就显得十分必要。此外，由于橡胶材料模量的非线性特点[14]，T型减振垫也可以通过改变套筒或者橡胶体尺寸的方式改变橡胶垫的压缩量，从而影响橡胶垫表现出的模量，进而影响动态性能[15]。也正是由于橡胶T型减振垫的可调节参数较多且随环境变化较大，因此，设计使用时如何合理选择压缩量参数就显得十分重要。本文通过测试不同径向压缩率的减振垫在不同温度点下的动态性能，并根据试验结果给出优化的径向压缩率设计准则，为今后T型减振垫的选型和设计提供指导。

1 试验

1.1 试件

JZT-3减振垫(北京航空材料研究院产品)单只额定载荷为1 kg。JZT-3减振垫(见图1)的套筒部分为不锈钢材质，橡胶体与套筒两者之间为接触关系。减振垫安装在被减振物(负载)与夹具之间(见图2)，利用橡胶体的粘弹性特点实现减振。

图1 JZT-3减振垫等轴爆炸视图

图2 JZT-3减振垫安装方式示意图

试验中通过调整橡胶体内径的方式改变压缩量，从而讨论了径向压缩量对减振垫性能的影响。其尺寸及对应径向压缩量见表1。

表1 JZT-3减振垫部分尺寸及对应径向压缩量

径向压缩率定义如下：

(1)

1.2 试验设备

DC-4000-40电动振动试验系统，苏州苏试实验仪器股份有限公司；ETHV-1200-70-30H恒温恒湿试验箱，巨孚仪器工业股份有限公司。

1.3 试验方法

振动试验条件：试验类型为随机振动试验，试验时间为5 min，试验谱如图3所示。

图3 振动试验方法

试验方法及测量参数定义：将减振垫安装在负载上，并通过螺钉安装在夹具上组成测试系统，将测试系统固定在测试振动台上进行振动试验。常温试验在室温(25 ℃±5 ℃)条件下进行；高低温试验将整个测试系统放入恒温恒湿箱内并调节至指定温度(T)，待温度稳定后保温1 h，在温度T下进行振动试验。输出响应最大值对应的频率定义为谐振频率(ft)。谐振频率点输出与输入振动量级比值的平方根值为放大倍数(Dt)。

2 试验结果及分析

2.1 径向压缩量对室温谐振频率的影响

谐振频率是整个减振系统刚度的综合表现。随着径向压缩量的增大，径向谐振频率有增大的趋势(见图4)，这主要是由于橡胶材料为非线性材料，随着应变增大，橡胶材料的模量会不断增大。此外，轴向谐振也出现了明显的增大趋势，这是由于随着径向压缩量的增大，轴向摩擦力也会逐步增大，同时由于橡胶体为近似不可压缩体，因此压缩径向时轴向压缩量也有一定的增加。也正是由于轴向和径向谐振频率增大的原因不同，因此径向谐振频率的增速明显快于轴向谐振频率的增速。比较特殊的是当压缩量达到8.1%时，由于摩擦力的阻碍，安装变得十分困难，因此减振垫将无法达到理想的安装状态，从而轴向的谐振频率出现了些许降低。同时，由于压缩不均问题的出现，减振垫径向谐振频率出现明显的离散倾向，这一现象十分不利于产品的一致性。

图4 不同压缩率下减振垫谐振频率

2.2 径向压缩量对室温放大倍数的影响

放大倍数是整个减振体系阻尼性能的综合表现。图5所示，随着径向压缩量的增大，减振垫放大点振动位移降低，从而使得橡胶的形变降低，更小的橡胶形变在相同阻尼材料的前提下意味着更小的能量损耗，最终表现为径向放大倍数的增大。特殊的是当压缩量达到8.1%时，减振垫径向的放大倍数出现了明显降低，这是由于压缩量过大时，减振垫安装后小台部分无法完全安装入法兰板孔内，安装孔内参与振动的橡胶体部分减少，增大了单位面积橡胶体承载，从而使得谐振频率降低并且放大倍数降低。此外也可以看出，随着压缩量的增大，径向放大倍数的离散性更加明显，这也是由于摩擦力的引入使得橡胶体在安装孔内周向的分布无法做到完全均匀，并且当有压缩时减振垫的橡胶体还可能发生不规则的折叠，从而使得径向放大倍数出现更大范围的波动。

图5 不同压缩率下减振垫放大倍数

减振垫的轴向放大倍数由橡胶体本身的粘弹性和接触界面间的相对滑动摩擦共同影响。压缩量越大，摩擦力越大，但过大的摩擦力将阻碍相对滑动距离，因此由摩擦造成的能量损耗降低；压缩量过低时，过小的摩擦力虽然滑动距离较大，但滑动距离还受到轴向橡胶垫本身的约束，从而摩擦力做功也降低。因此，径向压缩量只有在合适时才能提供最大的能量损耗，使得放大倍数最小，由试验可知，放大倍数最小点为压缩量2.6%。

2.3 径向压缩量对轴向高低温谐振频率的影响

图6所示为不同径向压缩率减振垫在不同温度点下的谐振频率。文中使用的减振器橡胶材料无结晶性，玻璃化转变温度低于-100 ℃，因此测试段减振垫为橡胶态，然而其模量依然会随温度变化发生改变，从而影响减振垫的谐振频率，通常高温条件下模量降低，低温条件下模量升高，模量越高，谐振频率越高。对于研究的减振垫的轴向谐振频率，这一理论在压缩量小于2.6%时是成立的，但在压缩量达到5.4%时，这一规律便无法完全解释谐振频率的变化。出现这一现象主要是由于橡胶材料的热膨胀系数相较于金属要高出一个数量级，当温度降低时，由于橡胶体的收缩较金属更多，这相当于同时降低了减振垫的轴向和径向压缩量，更低的轴向及径向压缩量意味着更低的谐振频率，这与低温对模量的改变从而对谐振频率的影响相互拮抗，综合表现为减振垫在5.4%压缩量以上时，-40 ℃的谐振频率低于常温的谐振频率。类比可知，高温情况下模量降低与橡胶体积膨胀造成的谐振频率的变化也是相互拮抗的，因此在径向压缩量为8.1%时，60 ℃下轴向谐振频率甚至高于常温谐振频率。有趣的是，径向压缩量在2.6%～5.4%之间某处，由于模量与热膨胀之间对谐振频率的拮抗作用，-40 ℃、60 ℃和常温下的谐振频率将会非常接近，也就是减振垫轴向谐振频率对温度的变化不那么敏感。利用这一特点可以十分简便地克服橡胶减振垫易受环境温度影响的缺点，从而应用于需要在大温度范围内保持谐振频率相对稳定的产品中。

图6 不同温度及径向压缩率下减振垫轴向谐振频率

2.4 径向压缩量对径向高低温放大倍数的影响

图7所示为不同径向压缩率减振垫在不同温度点下的放大倍数。由于温度的升高，橡胶材料中分子间相互作用力降低，分子内摩擦损耗降低，橡胶材料的阻尼能力随温度升高而降低，因此总体来看，在大多数压缩率条件下，随着温度升高，放大倍数均较大。在相同的温度下，当径向压缩率为2.6%时会出现放大倍数的降低，这是由于在压缩量低于2.6%时，滑动摩擦造成的阻尼是减振垫轴向阻尼的重要组成部分，径向压缩量越大，摩擦力越大，能力损耗越高；然而当径向压缩量过大时，滑动摩擦将转变为静摩擦，摩擦阻尼消失，使得减振垫的放大倍数增大。此外，因为摩擦力受径向压缩量和摩擦因数共同影响，温度越低，摩擦力越小，因此温度越高，摩擦力造成的放大倍数的变化越大，表现为2.6%压缩率时放大倍数的下凹更加明显。

图7 不同温度及径向压缩率下减振垫轴向放大倍数

3 结语

通过上述研究可以得出如下结论。

1)径向压缩量不仅会对减振垫的径向性能产生影响，对减振垫轴向全温范围内谐振频率和放大倍数也会产生复杂的影响。

2)为了保证产品安装的一致性，径向压缩量不宜大于5.4%。

3)当径向压缩量为2.6%～5.4%时，减振垫轴向谐振频率受温度的影响明显降低，可以用于对谐振频率敏感且有高低温需求的部件中。

4)2.6%径向压缩量下可以为轴向增加阻尼，降低放大倍数。