壓縮長(zhǎng)度對(duì)金屬橡膠減振器剛度的影響

梅小龍，趙俊生，張保成，楊鳳崗

（1.中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，太原 030051；2.裝甲兵駐太原地區(qū)軍代室，太原 030006）

金屬橡膠材料有阻尼大、吸收沖擊能、耐高低溫作用、不易老化等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛的使用在航空、航天、軍事裝備、民用工程機(jī)械、建筑等許多領(lǐng)域中[1,2]。而金屬橡膠就是一種新型均質(zhì)的彈性多孔材料，經(jīng)特殊的工藝方法將一定質(zhì)量、拉伸開(kāi)、螺旋狀的金屬絲有序地排放在沖壓或碾壓模具中，通過(guò)沖壓成型的方法制成，其內(nèi)部有很多孔洞，既呈現(xiàn)類似橡膠材料的彈性和阻尼性能，同時(shí)又保持金屬的優(yōu)異特性[3]。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，金屬橡膠塊產(chǎn)品的實(shí)際剛度會(huì)在設(shè)計(jì)的理想剛度值上下波動(dòng)，由于有些金屬橡膠塊的實(shí)際剛度值與理想的剛度值偏差較大，在正常的裝配方式下，這些金屬橡膠減振器往往是不合格品，進(jìn)而影響了整個(gè)產(chǎn)品的成品率，造成了資源和經(jīng)濟(jì)方面的浪費(fèi)。

在不更換金屬橡膠塊的前提下，通過(guò)對(duì)減振器中某些元件的調(diào)整，改變減振器中金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度，就可以對(duì)減振器的整體剛度進(jìn)行調(diào)整，使得合格減振器的數(shù)目增加，從而提高了產(chǎn)品的成品率，這不僅能夠提高資源的利用而且能夠獲得更好的經(jīng)濟(jì)效用。

而金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度是指在金屬橡膠減振器的裝配前后，金屬橡膠塊在主要受載方向上的高度變化值。如圖1所示，h0為金屬橡膠塊的原始高度，h1是減振器裝配后金屬橡膠塊被壓縮后的高度，則預(yù)壓縮長(zhǎng)度 Δh0=h0-h1（Δh0≥0）（在尺寸鏈中Δh0為封閉環(huán)）。

圖1 金屬橡膠塊在裝配前后的尺寸Fig.1 Size of the metal rubber block before and after the assembly

本文以圖2所示金屬橡膠減振器進(jìn)行說(shuō)明在不更換金屬橡膠塊的前提下改變減振器的整體剛度的方法。根據(jù)該金屬橡膠減振器的結(jié)構(gòu)和工作原理可知：減振器受到的壓力載荷主要由元件2上網(wǎng)塊承擔(dān)；受到的拉力載荷主要由元件5下網(wǎng)塊承擔(dān)；實(shí)際上，在承擔(dān)載荷時(shí)，上、下網(wǎng)塊承受的都是壓力。

圖2 金屬橡膠減振器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of metal rubber vibration absorber

1 金屬橡膠材料受壓時(shí)的工作機(jī)理

金屬橡膠材料是典型的非線性材料，其壓縮變形分為線性段，軟特性段，指數(shù)硬化階段3個(gè)特征階段，而線性段在整個(gè)壓縮變形階段所占的比例非常少，整個(gè)壓縮變形階段主要是軟特性段和指數(shù)硬化階段這兩個(gè)階段[4]。

但在金屬橡膠減振器在振動(dòng)中，金屬橡膠塊的線性段是不存在的。從金屬橡膠塊中分離出的一根金屬絲中的一段，通過(guò)對(duì)這一小段金屬絲進(jìn)行分析便可得知。金屬絲受力的過(guò)程可以分為兩個(gè)階段，分別為彈性變形階段和摩擦擠壓階段，如圖3中的（a）、（b）、（c）所表示。

圖3金屬絲受力分析圖Fig.3 Analysis on force of wire

圖3 （a）表示金屬絲在自由狀態(tài)受到壓力，開(kāi)始變形的階段，這一階段的變形是彈性變形；圖3（b）表示金屬絲在受到壓力到達(dá)變形極限時(shí)的狀態(tài)，這時(shí)金屬絲與絲之間從開(kāi)始接觸直到絲與絲之間沒(méi)有間隙；圖3（c）表示金屬絲在受到載荷，絲與絲之間開(kāi)始出現(xiàn)摩擦和擠壓現(xiàn)象的階段。

而線性段只是金屬橡膠塊中所有的金屬絲的變形多處在圖3中的（a）（b）且?guī)缀鯖](méi)有（c）的情況下出現(xiàn)。圖2所示的減振器中的金屬橡膠塊在裝配時(shí)處于壓縮狀態(tài)，在振動(dòng)過(guò)程中處于外部激勵(lì)作用下，因此金屬橡膠塊一直會(huì)有金屬絲處于圖3（c）的情況下，只是數(shù)量上的多少而已，因此金屬橡膠材料在振動(dòng)過(guò)程中線性段不存在，此時(shí)主要是軟特性階段和指數(shù)硬化階段。

當(dāng)金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度不同時(shí)，金屬橡膠塊中的金屬絲的狀態(tài)也不同，這時(shí)金屬橡膠塊的力-位移關(guān)系就不同，即金屬橡膠塊的剛度是不相同的（胡克定律：k=F x）。當(dāng)金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度越大時(shí)，處在圖3中（b）和（c）情況就越多，在相同的壓縮變形量情況下所需的壓力就越大，即金屬橡膠塊的剛度增加。因此金屬橡膠塊的剛度與預(yù)壓縮長(zhǎng)度成正比關(guān)系。

2 金屬橡膠減振器的剛度變化機(jī)理

金屬橡膠減振器中起減振作用的元件主要是金屬橡膠塊。因此，當(dāng)金屬橡膠塊的剛度發(fā)生變化時(shí)，勢(shì)必改變減振器的整體剛度。當(dāng)減振器整體剛度小于設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)剛度時(shí)，可以在重新裝配時(shí)對(duì)減振器進(jìn)行“硬化”處理，增大減振器整體剛度，從而使得減振器整體剛度達(dá)到要求；當(dāng)減振器整體剛度大于設(shè)計(jì)時(shí)的目標(biāo)剛度時(shí)，可以在重新裝配時(shí)對(duì)減振器進(jìn)行“軟化”處理，減小減振器整體剛度，從而使得減振器整體剛度達(dá)到要求。這樣就降低了產(chǎn)品的廢品率。

“硬化”處理是指兩次裝配前后金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度Δh0變大。此時(shí)金屬橡膠塊的剛度k變大，進(jìn)而使得金屬橡膠減振器的整體剛度K也隨之變大，由于金屬橡膠塊的原長(zhǎng)h0不會(huì)發(fā)生變化，即金屬橡膠塊的裝配后的被壓縮長(zhǎng)度h1在第二次裝配時(shí)比第一次裝配時(shí)要變小。所謂“軟化”處理是指兩次裝配前后金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度Δh0變小。同理可知“軟化”處理的工作原理。

但是不論是對(duì)減振器進(jìn)行了“硬化”處理還是進(jìn)行了“軟化”處理，減振器整體剛度K的變化是有一個(gè)范圍的。這是因?yàn)闇p振器整體剛度K是由金屬橡膠塊在裝配前后長(zhǎng)度h1的變化決定的，而h1的變形量取決于減振器其他元件之間的裝配尺寸。元件之間的裝配尺寸會(huì)改變減振器整體強(qiáng)度、固有頻率等特性。因此對(duì)減振器整體剛度的K的變化范圍的控制就要綜合考慮金屬橡膠塊的屬性、減振器的強(qiáng)度和固有頻率等因素

3 試驗(yàn)與分析

選取10個(gè)在正常裝配下為不合格品的ABW系列金屬橡膠減振器做試驗(yàn)，ABW系列金屬橡膠減振器的結(jié)構(gòu)與圖2所示結(jié)構(gòu)一致。試驗(yàn)所采用的裝備是由濟(jì)南福思特試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的微機(jī)彈簧試驗(yàn)機(jī)，型號(hào)是：TLS-W 50000A，精度是1級(jí)，與試驗(yàn)機(jī)相配套軟件的版本是V9.72，試驗(yàn)機(jī)出廠日期是2009.5。在壓縮試驗(yàn)中金屬橡膠減振器減振器受到的最大壓力是10 kN，試驗(yàn)機(jī)的壓縮速度是10 mm/min。

首先對(duì)選取的不合格減振器編號(hào)并做壓力—位移試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)金屬橡膠減振器選擇是“軟化”處理還是“硬化”處理，處理完后，測(cè)量計(jì)算在處理前后兩組金屬橡膠塊預(yù)壓縮長(zhǎng)度改變值ΔH0，預(yù)壓縮長(zhǎng)度改變值ΔH0是處理前的Δh01與處理后的Δh02之差（數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表1）；最后對(duì)處理后的金屬橡膠減振器再次做壓力—位移的關(guān)系試驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在表1中記錄的是金屬橡膠減振器在“軟化”處理或“硬化”處理前后金屬橡膠塊預(yù)壓縮長(zhǎng)度改變值ΔH0的數(shù)據(jù)，其中“+”表示增加，“-”表示減少。

將同1個(gè)金屬橡膠減振器在處理前后的兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)稱為一組數(shù)據(jù)，將記錄的10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用MATLAB軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到金屬橡膠減振器的壓力—位移試驗(yàn)曲線圖，見(jiàn)圖4和圖5。在壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，減振器的恢復(fù)力可以分解為彈性力和阻尼力兩部分，由于阻尼力在整個(gè)恢復(fù)力中的比例所占很小，直接忽略阻尼力，對(duì)力—位移圖像求導(dǎo)，得出減振器的剛度—位移的變化關(guān)系圖，見(jiàn)圖6和圖7。

由圖4和圖6可知，當(dāng)金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度Δh0變小時(shí)，即經(jīng)“軟化”處理后，金屬橡膠減振器的整體剛度K會(huì)變??；由圖5和圖7可知，當(dāng)金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度Δh0變大時(shí)，即經(jīng)“硬化”處理后，金屬橡膠減振器的整體剛度K會(huì)變大。

從圖6和圖7中減振器剛度—位移圖像的變化可知，金屬橡膠減振器在“軟化”處理或是“硬化”處理前后的剛度關(guān)系不是f(x)與f(x+c)的關(guān)系（其中x為自變量，c為常數(shù)）；再聯(lián)系表1中的數(shù)據(jù)后，在對(duì)金屬橡膠減振器進(jìn)行“軟化”處理或“硬化”處理后，在相同的剛度大小變化的前提下，“軟化”時(shí)的預(yù)壓縮長(zhǎng)度改變值ΔH0比“硬化”時(shí)的預(yù)壓縮長(zhǎng)度改變值ΔH0要大。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究是以金屬橡膠材料是典型的非線性材料為基礎(chǔ)的，通過(guò)對(duì)金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度調(diào)整前后分別進(jìn)行壓力—位移的關(guān)系試驗(yàn)可得知：在金屬橡膠減振器裝配時(shí)通過(guò)改變金屬橡膠塊的預(yù)壓縮長(zhǎng)度Δh0，減振器整體的剛度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，且剛度的變化不是f(x)與f(x+c)的關(guān)系，同時(shí)在剛度變化相同的情況下，金屬橡膠塊壓縮長(zhǎng)度改變值在“軟化”處理時(shí)比“硬化”處理時(shí)要大。該方法有利于降低金屬橡膠減振器的廢品率，提高資源的利用效率和產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效效益。

表1 金屬橡膠減振器在處理后Δ H0的數(shù)據(jù)Tab.1 The data of Δ H0 after axis treatment in metal rubber vibration absorber

圖4 “軟化”處理前后力—位移圖Fig.4 Force and displacement of before and after“softening”treatment

圖5 “硬化”處理前后力—位移圖Figure 5 Force and displacement of before and after“rigidification”treatment

圖6 “軟化”處理前后剛度—位移圖Fig.6 Stiffness and displacement of before and after“softening”treatment

圖7 “硬化”處理前后剛度—位移圖Fig.7 Stiffness and displacement of before and after“rigidification”treatment

[1]契戈達(dá)耶夫[俄]著，李中郢譯.金屬橡膠構(gòu)建的設(shè)計(jì)[M].國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

[2]王少純，鄧宗全.月球著陸器用金屬橡膠高低溫力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].航空材料學(xué)報(bào)，2004，24(2):27-31.

[3]李玉龍，何忠波，白鴻柏，李冬偉，郝慧榮，席建敏.金屬橡膠的研究及應(yīng)用進(jìn)展[J].兵器材料科學(xué)與工程，2011，34(1)：103-108.

[4]王尤顏，白鴻柏，劉遠(yuǎn)方.金屬橡膠材料壓縮性能的細(xì)觀特征研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(3)：404-407.