高低温环境金属橡胶减振器阻尼性能试验研究

高低温环境金属橡胶减振器阻尼性能试验研究
   传统的减振缓冲材料如橡胶材料能够满足一般环境下减振缓冲的需要, 因而得到广泛应用。但其缺点也是显而易见的, 在较宽的温域下, 橡胶材料的阻尼性能和力学特性不够稳定, 承载能力也较低, 特别是随环境温度的升高, 橡胶的承载能力显著下降,而且橡胶材料的导热性较差, 这就使在较宽温域下的减振缓冲问题难以得到很好地解决。金属橡胶材料正是在不断克服橡胶材料的这些不足的努力中发展起来的一种功能结构材料, 由细金属丝经一定工序
[ 1]制成, 具有类似橡胶材料那样的空间网状链接结构, 当受到载荷作用产生变形时, 宏观上呈现类似粘弹性材料的非线性滞迟泛函本构关系, 微观上表现为细金属丝缠绕结构之间的滑移、摩擦、挤压和变形, 由此耗散大量的振动能量, 起到减振缓冲的作用。由于金属橡胶由螺旋状金属丝制成, 不仅有橡胶材料良好的弹性, 而且还有金属材料所具有的耐高低温、不易老化等特性, 这对解决恶劣环境下的减振缓冲问题具有重要意义。本工作针对高低温环境下金属橡胶减振器的阻尼性能进行试验研究。
  固支圆盘金属橡胶减振器结构设计
剪切式固支圆盘金属橡胶减振器结构如图 1。圆环形金属橡胶试件 3的外沿由四个螺栓 5压紧在碗形托盘 1和环形压盘 4之间, 金属橡胶件的中间部位通过螺母 6和垫片 2压紧在中间拉杆 7的左端。为防止金属橡胶件在变形时被夹具的尖锐棱角损伤, 与试件相接触的碗形托盘 1、压盘 4、拉杆端面和垫片均采用倒角结构。在试验时, 减振器两端通过联结杆与材料试验机上下夹头相连, 由上夹头拉动中间拉杆 7上下振动, 使金属橡胶试件产生剪切变形。
 
   试验时调整试验机的上下夹头对中, 从而使上夹头的位移激励沿轴向传给减振器, 试件不受径向力, 只受轴向剪切作用产生弯曲变形。试件变形过程中体积不发生变化, 即材料孔隙度基本保持不变,依靠试件形状的变化使其内部螺旋卷丝线之间发生滑移、摩擦和变形, 这种变形形式与压缩试件使试件体积变小的变形形式不同
试件及实验设备
高 /低温试验用的金属橡胶试件如图 2, 选用牌号为 0Cr18N i9T i的奥氏体 不锈钢丝制 成, 丝径013mm, 螺旋卷外径 2. 25mm, 毛坯制取采用编网方式, 成型压力 0. 517t/cm2, 成型后厚度 11mm, 密度2. 05g /cm3, 采用 400e 回火处理, 以消除试件在冷成型时产生的残余应力。
 
 
试验系统包括长春试验机厂生产的 PLS-20电液伺服动静试验机、温度控制系统和东华 DH5936数据采集系统三部分, 图 3为试验系统原理图。电液伺服动静试验机由液压伺服系统、主机系统、控制系统几部分组成, 静载拉压力 20kN, 加载行程50mm, 可实施正弦位移加载, 振动频率 40H z。试验环境温度由温度控制系统实现, 它由高低温试验箱、温控盒、液氮瓶和冷却系统组成。由箱内电阻丝加热控制升温, 通过液氮控制降温, 温度控制精度为 1e 。
 
高低温阻尼试验及结果分析
由于高温和低温环境对金属橡胶试件有不同影响, 为避免给试验结果带来不利影响, 将高温和低温试验分开进行, 用两组金属橡胶试件分别对高温和低温下的阻尼性能进行测试。
高温阻尼试验
   高温试验时, 将材料试验机和高温控制系统调整好后, 按设定的振幅和频率对金属橡胶减振器施加振动, 在试验过程中采用东华数据采集系统对力和位移信号进行采样并记录, 采样频率 1000H z。首先在室温 20e 时对减振器施加振动, 并测试记录恢复力和位移数据, 后每升高 20e 测试记录一次,采集数据之前应使温度稳定一段时间, 直至 300e试验结束, 振动过程无停留。用 M atlab对试验数据进行处理, 即可绘出试件损耗因子和动态平均刚度随温度的变化曲线 (图5)。图 5a和 b是在振幅 1mm, 频率 1Hz条件下测得的损耗因子、耗能量和动态平均刚度随温度的变化曲线; 图 5c和 d分别为损耗因子和耗能在 300e时随振幅和频率的变化曲线。由于仪器精度和夹具调整误差的影响, 所测数据有一定的误差存在, 但在5%范围内, 影响较小, 仍可明显看出试验曲线的总体变化趋势。
 
   由试验曲线可以看出:   ( 1)温度从室温升高至 300e , 金属橡胶试件在振幅 1mm, 频率 1H z的条件下阻尼损耗因子在 0. 20附近稍有波动, 幅度不大于 0. 02, 基本保持稳定, 这表明金属橡胶材料的损耗因子 G对温度变化不敏感; 试件振动一周的摩擦耗能在 100e 之前变化较小, 在 100~ 200e 之间随温度升高逐渐减小, 到 200~ 300e 时不再明显下降, 出现波动情况。  ( 2)温度从室温升高至 120e , 平均刚度基本维持室温时的刚度; 温度继续升高, 平均刚度下降速度明显加快, 在 200~ 300e 之间出现波动。   ( 3)在高温 300e 条件下, 金属橡胶材料阻尼损耗因子随频率的增大逐渐减小, 随振幅的增大也逐渐减小。
    低温试验与高温大体相同, 不同的是低温试验需要附加液氮罐和气泵向高低温箱内提供液氮制冷。低温试验从室温开始, 每降 10e 测试记录一次数据, 直至 - 70e 结束, 振动过程无停留。对试验数据进行处理可以得到试件损耗因子和动态平均刚度随温度的变化关系曲线 (图 6)。图6a和 b分别是在振幅 1mm, 频率 1Hz条件下测得损耗因子和动态平均刚度随温度的变化曲线; 图 6c和d分别为损耗因子和耗能在 - 70e 时随振幅和频率的变化曲线。由图中曲线可以看出:
( 1) 温度从室温降至 - 70e , 金属橡胶试件在振幅 1mm, 频率 1H z的振动条件下损耗因子在 0. 25~ 0. 23范围内略下降, 基本保持稳定, 表明金属橡胶材料损耗因子 G在低温下对温度相关性也很小;试件振动一周摩擦耗能量随温度的降低总体呈下降趋势, 从 0. 45降至 0. 41, 下降幅度较小。
  ( 2) 温度从室温降至 - 70e , 金属橡胶试件平均刚度稍有波动, 变化幅度比较小, 仅为 0. 04kN /mm, 基本维持室温时的刚度。
( 3) 金属橡胶材料阻尼损耗因子在低温下随频率和振幅的变化规律与高温环境相同, 也是随频率和振幅的增大而减小。虽然不锈钢材料的强度和弹性模量随温度的降低而增大, 但整个试件而言, 在室温至 - 70e 较小的温度范围内, 温度的变化对试件动态刚度的影响并不太明显, 对减振器而言, 也就是固有频率保持稳定。随着温度的降低, 金属橡胶试件耗能和弹性储能在试验温度范围内的变化均不太显著, 由此计算得到的阻尼损耗因子也基本保持稳定。低温时金属橡胶的阻尼损耗因子随振幅和频率的变化规律和机理与高温一致。
   综合高温和低温阻尼试验结果可以看出, 金属橡胶材料在 - 70~ 300e 的温度范围内, 阻尼损耗因子基本保持稳定, 从试验角度证实金属橡胶材料阻尼性能对温度只有很小的相关性。从耗能机理来看, 相比于橡胶等粘弹阻尼而言, 金属橡胶具有耐高低温环境的优势, 适合于在温差较大的环境工作, 如高温条件下发动机空气管道的减振, 低温液氧燃气轮发动机中的轴承部件在低温介质 (如液态甲烷和液氢等 )中的减振, 以及高、低温工作环境兼有的宇宙空间飞行器中安装的电子仪器设备的隔振等。
   首先对原有基于曲线拟合的比阻尼测试方法进行改进, 提高阻尼测试精度, 然后在高低温环境下对金属橡胶材料的阻尼耗能特性进行试验研究。结果表明, 金属橡胶材料在低温 - 70e 至高温 300e 的温度范围内具有良好的阻尼性能, 动态平均刚度随温度升高有所减小, 相比于橡胶阻尼材料, 更适合于在高温和低温等恶劣极端环境下用作耗能减振元件。
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