和法家， 盧 曦

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

隨著國(guó)防建設(shè)迅速發(fā)展，軍用品的生產(chǎn)理念和宗旨更注重耐用性、持久性等方面，軍用品要求適應(yīng)極端環(huán)境的能力(溫度、濕度、鹽度、壓力、過(guò)載)。在對(duì)某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)減振器設(shè)計(jì)中僅僅研究材料在準(zhǔn)靜態(tài)荷載下的力學(xué)性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)工業(yè)和國(guó)防建設(shè)等各方面的需要，材料的動(dòng)力學(xué)性能研究越來(lái)越被人們所重視，特別是在精確制導(dǎo)、高強(qiáng)度打擊成為現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)的主要作戰(zhàn)形式的今天，傳統(tǒng)的飛機(jī)減振器的結(jié)構(gòu)和材料已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求。減振器結(jié)構(gòu)的合理化和隔振吸振能力的提高成為當(dāng)前減振器技術(shù)研究的熱門(mén)課題。

動(dòng)剛度是指動(dòng)載荷下抵抗變形的能力，即引起單位振幅所需要的動(dòng)態(tài)力。動(dòng)剛度是衡量結(jié)構(gòu)抵抗預(yù)定動(dòng)態(tài)激擾能力的特性。特別地，對(duì)于橡膠等黏彈性體減振元件，其動(dòng)剛度是描述減振性能的關(guān)鍵指標(biāo)［1］。

橡膠材料具有較強(qiáng)的黏彈阻尼特性，其宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)為力與變形呈非線(xiàn)性關(guān)系［2］，動(dòng)態(tài)剛度和阻尼系數(shù)隨工作振動(dòng)頻率及振動(dòng)振幅的變化而改變。準(zhǔn)確地測(cè)試出飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠隔振元件——橡膠減震器的動(dòng)態(tài)剛度，對(duì)于正確評(píng)價(jià)其工作性能和工程設(shè)計(jì)起著十分重要的作用［3］。由于振動(dòng)頻率、幅值、預(yù)載荷對(duì)隔振元件的動(dòng)態(tài)特性影響較大，測(cè)定振動(dòng)元件在工作載荷下的動(dòng)態(tài)剛度，不僅要求較為精確的振動(dòng)頻率控制，同時(shí)要精確地控制振動(dòng)幅值。

本文以某飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠減振器為研究對(duì)象，討論預(yù)載荷、激振振幅和激振頻率對(duì)橡膠減振器動(dòng)剛度特性的影響。通過(guò)試驗(yàn)獲得不同工況下減振器的動(dòng)態(tài)性能，為減振器設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)可為同類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試件為中間低碳鋼的兩側(cè)均為螺紋孔的圓柱型天然橡膠制品，適用于壓縮剪切以及壓縮剪切結(jié)合的情況，具有容易安裝、適用范圍廣的特點(diǎn)，在使用過(guò)程中通過(guò)橡膠部分的黏彈性特性達(dá)到減震吸能的效果。橡膠減震器的橡膠部分尺寸為Φ60 mm×36 mm，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 試樣

1.2 試驗(yàn)裝置及方法

采用Bose ElectroForce 3330振動(dòng)臺(tái)自帶的dma軟件模塊快速地記錄振動(dòng)試驗(yàn)中的位移-力數(shù)據(jù)，該振動(dòng)臺(tái)采用動(dòng)磁式直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)方式，具有高保真度、高精度，測(cè)試頻率最大100 Hz;最大力值3 kN噪音低于50 dB;最大動(dòng)態(tài)位移12～50 mm;最低測(cè)試頻率要求達(dá)到0.000 1 Hz;具有極高的控制及測(cè)量精度。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用變載荷激振的方法［4］，減振器與發(fā)動(dòng)機(jī)相連的一端與能產(chǎn)生正弦激勵(lì)的激振器的作動(dòng)頭端相連;另一端固定于振動(dòng)臺(tái)上，在振動(dòng)臺(tái)的作動(dòng)頭端與固定端分別安裝力傳感器、位移傳感器。振動(dòng)過(guò)程中分別利用拉壓力傳感器和位移傳感器采集橡膠減震器的動(dòng)載荷和變形;由傳感器測(cè)取獲得的位移和拉壓力信號(hào)經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)絇C機(jī)。在LabVIEW環(huán)境下的專(zhuān)用測(cè)試系統(tǒng)軟件，用于試驗(yàn)過(guò)程的控制及數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲(chǔ)。試驗(yàn)臺(tái)如圖2所示。試件裝夾如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖3 試件裝夾圖

考慮到產(chǎn)品的一致性，可忽略因制造差異產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。試驗(yàn)樣件從生產(chǎn)線(xiàn)上同一型號(hào)產(chǎn)品隨機(jī)抽取的3個(gè)減振器，進(jìn)行適當(dāng)?shù)母难b而成為試驗(yàn)樣件，為了分析橡膠減震器動(dòng)剛度的影響因素，分別將橡膠減震器的振動(dòng)頻率、振幅、預(yù)載荷3個(gè)水平因素作為可變參數(shù)進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn)［5］。激勵(lì)振幅的設(shè)置和激勵(lì)頻率的改變可分別由振動(dòng)臺(tái)中調(diào)節(jié)不同的電信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了能與實(shí)際工作狀態(tài)相接近，頻率范圍選擇1～60 Hz，每次試驗(yàn)間隔1 Hz，激勵(lì)振幅設(shè)定為0.6、0.8和1.0 mm。分別選擇600、800和1 000 N的壓力作為減振器預(yù)載荷，各試驗(yàn)因素水平值如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表

1.3 試驗(yàn)步驟

(1)在預(yù)載荷600、800、1 000 N，幅值為0.6、0.8、1.0 mm情況下分別從1～60 Hz進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)共計(jì)540個(gè)工況點(diǎn)。用dma模塊記錄力-位移 信號(hào)獲得約10 000個(gè)數(shù)據(jù)

(2)對(duì)試件2、3進(jìn)行同樣的試驗(yàn)共獲得約30 000個(gè)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在各試驗(yàn)參數(shù)確定的前提下，分別用位移傳感器和拉壓力傳感器采集得到橡膠減震器變形信號(hào)及動(dòng)載荷信號(hào)，如圖4、5所示。將采集到的同一試驗(yàn)參數(shù)下的多個(gè)波形進(jìn)行傅里葉分析［7］，消除試驗(yàn)造成的誤差，分別對(duì)位移時(shí)間歷程，動(dòng)載荷時(shí)間歷程進(jìn)行傅里葉分析之后，得到如圖6、7所示的結(jié)果，低頻項(xiàng)縱坐標(biāo)即為在同一參數(shù)下的位移及動(dòng)載荷幅值。動(dòng)載荷幅值與位移幅值相除即得到橡膠減震器動(dòng)剛度［8］，每次試驗(yàn)得到一組試驗(yàn)因素下的一個(gè)動(dòng)剛度值。圖4、5為某一組試驗(yàn)因素下(預(yù)載荷F=1 000 N，激振頻率f=20 Hz，激振幅值A(chǔ)=1 mm)測(cè)得的橡膠減震器位移信號(hào)(由平衡位置橡膠減震器底端向下壓縮時(shí)為負(fù)值，向下拉伸時(shí)為正值)和動(dòng)載荷信號(hào)的時(shí)間歷程。圖6、7為對(duì)所采集的的數(shù)據(jù)通過(guò)Matlab進(jìn)行傅里葉分析之后的頻率幅值圖。

圖4 橡膠減震器位移時(shí)間歷程

圖5 橡膠減震器動(dòng)載荷時(shí)間歷程

圖6 位移FFT線(xiàn)

圖7 力FFT曲線(xiàn)

2.3 結(jié)果及分析

2.3.1 激勵(lì)頻率、預(yù)載荷對(duì)動(dòng)剛度的影響

圖8描述了激勵(lì)振幅為1 mm、不同預(yù)載荷、不同頻率情況下的橡膠減震器動(dòng)剛度值及其變化規(guī)律。

圖8 動(dòng)剛度隨頻率、預(yù)載荷的變化情況

由圖8可知，橡膠減震器的動(dòng)剛度值與預(yù)載荷和激勵(lì)頻率有關(guān)。隨著頻率的增加呈先增長(zhǎng)然后緩慢減少的趨勢(shì)，其中激勵(lì)頻率在35～50Hz，動(dòng)剛度變化相對(duì)較小;55 Hz之后3種預(yù)載荷下的動(dòng)剛度均出現(xiàn)下降趨勢(shì)。動(dòng)剛度與激勵(lì)頻率的關(guān)系曲線(xiàn)表明，低頻時(shí)橡膠減震器的剛度較小，可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)震動(dòng)給機(jī)身帶來(lái)的瞬態(tài)振動(dòng)，減小機(jī)身相對(duì)動(dòng)行程［9］;高頻時(shí)橡膠減震器剛度較大，具有較好的支撐作用。橡膠減震器的動(dòng)剛度隨預(yù)載荷增加而增加，低頻率時(shí)不同預(yù)載荷的曲線(xiàn)變化速度較大，隨著頻率的增大，不同預(yù)載荷的動(dòng)剛度-頻率曲線(xiàn)基本平行。

橡膠減震器是一個(gè)非線(xiàn)性系統(tǒng)是彈性與黏性的結(jié)合體，隨著頻率的增大，橡膠分子內(nèi)部來(lái)不及變化，彈性部分表現(xiàn)明顯，黏性部分降低，所以動(dòng)剛度增大［10］。但是當(dāng)頻率達(dá)到一定程度之后，分子內(nèi)部來(lái)不及變化，黏性部分開(kāi)始增大，所以動(dòng)剛度又有下降的趨勢(shì)。預(yù)載荷增大，使橡膠減震器分子間變得越來(lái)越密集，所以使其動(dòng)剛度有增大的趨勢(shì)。

2.3.2 激勵(lì)幅值對(duì)動(dòng)剛度的影響

圖9描述了預(yù)載荷為1.0 kN、不同激勵(lì)振幅、不同頻率下的橡膠減震器動(dòng)剛度值及其變化規(guī)律。

由圖9可知，頻率-動(dòng)剛度曲線(xiàn)變化趨勢(shì)如2.1所述。在同一頻率下，動(dòng)剛度值隨基本激勵(lì)振幅增大而減小，隨著振幅增大，減小的幅度也很相似［11］。激勵(lì)振幅代表著分子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離，相對(duì)運(yùn)動(dòng)越劇烈，分子間的黏性阻尼越大，表現(xiàn)出來(lái)的就是隨著激勵(lì)振幅的增大，動(dòng)剛度變?。?2-13］。

圖9 動(dòng)剛度隨頻率、激勵(lì)振幅的變化情況

綜上可知:在不同頻率下，振幅、載荷對(duì)該橡膠減震器動(dòng)剛度的影響具有很強(qiáng)的規(guī)律，曲線(xiàn)之間存在類(lèi)似平行關(guān)系，在理論計(jì)算中可以將振幅和載荷對(duì)動(dòng)剛度的影響看成某些簡(jiǎn)單的比例關(guān)系;橡膠減震器在0～35 Hz加載頻率間動(dòng)剛度值有較小迅速上升，這有利于機(jī)器在運(yùn)行初期沖擊載荷引起的振動(dòng)［14-15］;該橡膠減震器在35～60 Hz加載頻率間，動(dòng)剛度值有著較大的剛度。

3 結(jié)論

橡膠減震器彈性特性的理論分析與試驗(yàn)研究表明:

(1)橡膠減震器靜、動(dòng)態(tài)剛度特性均為一簇非線(xiàn)性曲線(xiàn)，不同的預(yù)載荷情況下的曲線(xiàn)成近似的平行關(guān)系，變化趨勢(shì)與預(yù)載荷關(guān)系不大。預(yù)載荷越大，橡膠減震器承載能力越強(qiáng)，剛度越大。

(2)橡膠減震器的剛度隨頻率增大先增大后減小，0～30 Hz范圍內(nèi)，動(dòng)剛度隨頻率的增大而增大，增大幅度達(dá)到30%，支撐效果比較明顯。在35～50 Hz范圍內(nèi)，動(dòng)剛度變化相對(duì)較小。

(3)橡膠減震器的動(dòng)剛度值的整體幅度隨激勵(lì)振幅增大而減小。

本文利用適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)手段和方法，以橡膠減振器為試驗(yàn)樣品，通過(guò)試驗(yàn)獲得不同工況下減振器的動(dòng)剛度性能，為減振器設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)可為同類(lèi)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)提供參考。

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