高低溫環境金屬橡膠減振器阻尼性能試驗研究
   傳統的減振緩衝材料如橡膠材料能夠滿足一般環境下減振緩衝的需要, 因而得到廣泛應用。但其缺點也是顯而易見的, 在較寬的溫域下, 橡膠材料的阻尼性能和力學特性不夠穩定, 承載能力也較低, 特別是隨環境溫度的升高, 橡膠的承載能力顯著下降,而且橡膠材料的導熱性較差, 這就使在較寬溫域下的減振緩衝問題難以得到很好地解決。金屬橡膠材料正是在不斷克服橡膠材料的這些不足的努力中發展起來的一種功能結構材料, 由細金屬絲經一定工序
[ 1]製成, 具有類似橡膠材料那樣的空間網狀鏈接結構, 當受到載荷作用產生變形時, 宏觀上呈現類似粘彈性材料的非線性滯遲泛函本構關係, 微觀上表現為細金屬絲纏繞結構之間的滑移、摩擦、擠壓和變形, 由此耗散大量的振動能量, 起到減振緩衝的作用。由於金屬橡膠由螺旋狀金屬絲製成, 不僅有橡膠材料良好的彈性, 而且還有金屬材料所具有的耐高低溫、不易老化等特性, 這對解決惡劣環境下的減振緩衝問題具有重要意義。本工作針對高低溫環境下金屬橡膠減振器的阻尼性能進行試驗研究。
  固支圓盤金屬橡膠減振器結構設計
剪切式固支圓盤金屬橡膠減振器結構如圖 1。圓環形金屬橡膠試件 3的外沿由四個螺栓 5壓緊在碗形托盤 1和環形壓盤 4之間, 金屬橡膠件的中間部位通過螺母 6和墊片 2壓緊在中間拉杆 7的左端。為防止金屬橡膠件在變形時被夾具的尖銳棱角損傷, 與試件相接觸的碗形托盤 1、壓盤 4、拉杆端麵和墊片均采用倒角結構。在試驗時, 減振器兩端通過聯結杆與材料蜜桃黄色网站在线观看上下夾頭相連, 由上夾頭拉動中間拉杆 7上下振動, 使金屬橡膠試件產生剪切變形。
 
   試驗時調整蜜桃黄色网站在线观看的上下夾頭對中, 從而使上夾頭的位移激勵沿軸向傳給減振器, 試件不受徑向力, 隻受軸向剪切作用產生彎曲變形。試件變形過程中體積不發生變化, 即材料孔隙度基本保持不變,依靠試件形狀的變化使其內部螺旋卷絲線之間發生滑移、摩擦和變形, 這種變形形式與壓縮試件使試件體積變小的變形形式不同
試件及實驗設備
高 /低溫試驗用的金屬橡膠試件如圖 2, 選用牌號為 0Cr18N i9T i的奧氏體 不鏽鋼絲製 成, 絲徑013mm, 螺旋卷外徑 2. 25mm, 毛坯製取采用編網方式, 成型壓力 0. 517t/cm2, 成型後厚度 11mm, 密度2. 05g /cm3, 采用 400e 回火處理, 以消除試件在冷成型時產生的殘餘應力。
 
 
試驗係統包括長春蜜桃黄色网站在线观看廠生產的 PLS-20電液伺服動靜蜜桃黄色网站在线观看、溫度控製係統和東華 DH5936數據采集係統三部分, 圖 3為試驗係統原理圖。電液伺服動靜蜜桃黄色网站在线观看由液壓伺服係統、主機係統、控製係統幾部分組成, 靜載拉壓力 20kN, 加載行程50mm, 可實施正弦位移加載, 振動頻率 40H z。試驗環境溫度由溫度控製係統實現, 它由高低溫水蜜桃在线播放视频、溫控盒、液氮瓶和冷卻係統組成。由箱內電阻絲加熱控製升溫, 通過液氮控製降溫, 溫度控製精度為 1e 。
 
高低溫阻尼試驗及結果分析
由於高溫和低溫環境對金屬橡膠試件有不同影響, 為避免給試驗結果帶來不利影響, 將高溫和低溫試驗分開進行, 用兩組金屬橡膠試件分別對高溫和低溫下的阻尼性能進行測試。
高溫阻尼試驗
   高溫試驗時, 將材料蜜桃黄色网站在线观看和高溫控製係統調整好後, 按設定的振幅和頻率對金屬橡膠減振器施加振動, 在試驗過程中采用東華數據采集係統對力和位移信號進行采樣並記錄, 采樣頻率 1000H z。首先在室溫 20e 時對減振器施加振動, 並測試記錄恢複力和位移數據, 後每升高 20e 測試記錄一次,采集數據之前應使溫度穩定一段時間, 直至 300e試驗結束, 振動過程無停留。用 M atlab對試驗數據進行處理, 即可繪出試件損耗因子和動態平均剛度隨溫度的變化曲線 (圖5)。圖 5a和 b是在振幅 1mm, 頻率 1Hz條件下測得的損耗因子、耗能量和動態平均剛度隨溫度的變化曲線; 圖 5c和 d分別為損耗因子和耗能在 300e時隨振幅和頻率的變化曲線。由於儀器精度和夾具調整誤差的影響, 所測數據有一定的誤差存在, 但在5%範圍內, 影響較小, 仍可明顯看出試驗曲線的總體變化趨勢。
 
   由試驗曲線可以看出:   ( 1)溫度從室溫升高至 300e , 金屬橡膠試件在振幅 1mm, 頻率 1H z的條件下阻尼損耗因子在 0. 20附近稍有波動, 幅度不大於 0. 02, 基本保持穩定, 這表明金屬橡膠材料的損耗因子 G對溫度變化不敏感; 試件振動一周的摩擦耗能在 100e 之前變化較小, 在 100~ 200e 之間隨溫度升高逐漸減小, 到 200~ 300e 時不再明顯下降, 出現波動情況。  ( 2)溫度從室溫升高至 120e , 平均剛度基本維持室溫時的剛度; 溫度繼續升高, 平均剛度下降速度明顯加快, 在 200~ 300e 之間出現波動。   ( 3)在高溫 300e 條件下, 金屬橡膠材料阻尼損耗因子隨頻率的增大逐漸減小, 隨振幅的增大也逐漸減小。
    低溫試驗與高溫大體相同, 不同的是低溫試驗需要附加液氮罐和氣泵向高低溫箱內提供液氮製冷。低溫試驗從室溫開始, 每降 10e 測試記錄一次數據, 直至 - 70e 結束, 振動過程無停留。對試驗數據進行處理可以得到試件損耗因子和動態平均剛度隨溫度的變化關係曲線 (圖 6)。圖6a和 b分別是在振幅 1mm, 頻率 1Hz條件下測得損耗因子和動態平均剛度隨溫度的變化曲線; 圖 6c和d分別為損耗因子和耗能在 - 70e 時隨振幅和頻率的變化曲線。由圖中曲線可以看出:
( 1) 溫度從室溫降至 - 70e , 金屬橡膠試件在振幅 1mm, 頻率 1H z的振動條件下損耗因子在 0. 25~ 0. 23範圍內略下降, 基本保持穩定, 表明金屬橡膠材料損耗因子 G在低溫下對溫度相關性也很小;試件振動一周摩擦耗能量隨溫度的降低總體呈下降趨勢, 從 0. 45降至 0. 41, 下降幅度較小。
  ( 2) 溫度從室溫降至 - 70e , 金屬橡膠試件平均剛度稍有波動, 變化幅度比較小, 僅為 0. 04kN /mm, 基本維持室溫時的剛度。
( 3) 金屬橡膠材料阻尼損耗因子在低溫下隨頻率和振幅的變化規律與高溫環境相同, 也是隨頻率和振幅的增大而減小。雖然不鏽鋼材料的強度和彈性模量隨溫度的降低而增大, 但整個試件而言, 在室溫至 - 70e 較小的溫度範圍內, 溫度的變化對試件動態剛度的影響並不太明顯, 對減振器而言, 也就是固有頻率保持穩定。隨著溫度的降低, 金屬橡膠試件耗能和彈性儲能在試驗溫度範圍內的變化均不太顯著, 由此計算得到的阻尼損耗因子也基本保持穩定。低溫時金屬橡膠的阻尼損耗因子隨振幅和頻率的變化規律和機理與高溫一致。
   綜合高溫和低溫阻尼試驗結果可以看出, 金屬橡膠材料在 - 70~ 300e 的溫度範圍內, 阻尼損耗因子基本保持穩定, 從試驗角度證實金屬橡膠材料阻尼性能對溫度隻有很小的相關性。從耗能機理來看, 相比於橡膠等粘彈阻尼而言, 金屬橡膠具有耐高低溫環境的優勢, 適合於在溫差較大的環境工作, 如高溫條件下發動機空氣管道的減振, 低溫液氧燃氣輪發動機中的軸承部件在低溫介質 (如液態甲烷和液氫等 )中的減振, 以及高、低溫工作環境兼有的宇宙空間飛行器中安裝的電子儀器設備的隔振等。
   首先對原有基於曲線擬合的比阻尼測試方法進行改進, 提高阻尼測試精度, 然後在高低溫環境下對金屬橡膠材料的阻尼耗能特性進行試驗研究。結果表明, 金屬橡膠材料在低溫 - 70e 至高溫 300e 的溫度範圍內具有良好的阻尼性能, 動態平均剛度隨溫度升高有所減小, 相比於橡膠阻尼材料, 更適合於在高溫和低溫等惡劣極端環境下用作耗能減振元件。
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