何吉祥　樊可清

摘要：開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套材料測(cè)試機(jī)系統(tǒng)，主要對(duì)常用隔振材料的阻尼特性、結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。通過(guò)傳感技術(shù)獲取時(shí)域響應(yīng)信號(hào)來(lái)研究材料性能參數(shù)，在眾多參數(shù)識(shí)別方法中，選取對(duì)數(shù)衰減法和Hilbert包絡(luò)法對(duì)材料的固有頻率、阻尼等參數(shù)進(jìn)行精確地估計(jì)?；趫D形化編程的虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)自動(dòng)化材料測(cè)試系統(tǒng)，具備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析以及離線分析功能。

關(guān)鍵詞：隔振材料；參數(shù)識(shí)別；虛擬儀器；自動(dòng)化測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TB535 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）01-0081-03

隨著現(xiàn)代工業(yè)化水平的發(fā)展，自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備不斷增多，產(chǎn)線設(shè)備運(yùn)行時(shí)引起的振動(dòng)、噪聲導(dǎo)致產(chǎn)品測(cè)試失效等問(wèn)題日益突出。工程上，精密產(chǎn)品的測(cè)試往往需經(jīng)過(guò)減振裝置隔離后方可測(cè)試，而減振所使用的隔振材料，也稱(chēng)粘彈性阻尼材料[1]，在受到外力激勵(lì)后所體現(xiàn)阻尼性能，所以被常用在減振裝置中。阻尼系數(shù)和阻尼比是衡量阻尼材料隔振性能的重要指標(biāo)，也是工程上選擇阻尼材料的主要依據(jù)[2]。如何精確識(shí)別材料的阻尼等參數(shù)是一個(gè)重要的課題。目前常用的阻尼識(shí)別方法包括對(duì)數(shù)衰減法、半功率帶寬法、ITD法、隨機(jī)減量法、小波變換法、HHT法等等[3]。本文采用的對(duì)數(shù)衰減法，屬于時(shí)域法，它是直接利用響應(yīng)信號(hào)通過(guò)算法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別的方法，不用考慮時(shí)間和頻率分辨率對(duì)識(shí)別精度的影響，而且處理計(jì)算時(shí)間快。并且基于傳感設(shè)備獲取信號(hào)，屬于非電量測(cè)量技術(shù)[4]。

本文應(yīng)用于材料自動(dòng)化測(cè)試和阻尼參數(shù)識(shí)別的研究主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）適合不同材料的阻尼測(cè)試，包括彈簧，泡棉，聚氨酯等普遍的阻尼隔振材料，解決了力錘沖擊試驗(yàn)所不能完成的材料阻尼測(cè)試；

（2）試驗(yàn)周期短，只需放置好材料，給定適當(dāng)?shù)募ふ窳?，拉力釋放后，材料自由從受激開(kāi)始振動(dòng)到靜止；

（3）響應(yīng)信號(hào)容易測(cè)量，直接利用材料自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)獲取響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)，以及進(jìn)行阻尼參數(shù)識(shí)別。

1 材料測(cè)試系統(tǒng)軟硬件

1.1 材料測(cè)試系統(tǒng)硬件

材料阻尼測(cè)試主要機(jī)理是：通過(guò)張拉裝置使材料產(chǎn)生初始形變，瞬間釋放拉力，使材料在彈性勢(shì)能作用下自由振動(dòng)。加速度傳感器測(cè)得響應(yīng)信號(hào)。材料測(cè)試機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)平臺(tái)如圖1所示，它主要實(shí)現(xiàn)的功能有：

（1）通過(guò)自由振動(dòng)響應(yīng)的時(shí)域信號(hào)和算法精確估計(jì)材料的阻尼參數(shù)；

（2）適用于一定邵氏硬度范圍內(nèi)的阻尼材料，如彈簧，硅膠泡棉，聚氨酯等；如若在不知曉剛度情況下，可以比較不同材料的剛度系數(shù)；

（3）能適用于不同的承重范圍。

材料測(cè)試機(jī)結(jié)構(gòu)物料的指標(biāo)參數(shù)表如表1所示。

材料測(cè)試機(jī)系統(tǒng)中用于數(shù)據(jù)采集設(shè)備的硬件是NI 9184機(jī)箱，它是一臺(tái)CompactDAQ 4槽以太網(wǎng)機(jī)箱，可以同時(shí)實(shí)時(shí)輸入采集16通道的信號(hào)，可支持A/D模擬輸入采集卡直接插拔，適用于遠(yuǎn)程和分布式的傳感測(cè)試測(cè)量。A/D模擬輸入采集卡選用NI 9234和NI9239兩個(gè)。NI 9234，支持4通道電壓測(cè)量或可以直接與配套的壓電加速度傳感器一起使用，量程測(cè)量范圍±5 V，每通道采樣率高達(dá)51.2 kS/s，帶24位的IEPE調(diào)理。NI 9239采集卡，4通道，專(zhuān)用測(cè)量電壓設(shè)備，量程測(cè)試范圍±10V，24位模擬輸入模塊，NI 9239特點(diǎn)是可與任何CompactDAQ 以太網(wǎng)機(jī)箱配用，用物理量代替電量測(cè)量，屬于非電量測(cè)量法。

1.2 材料測(cè)試軟件自動(dòng)化系統(tǒng)

基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)，功能強(qiáng)大[5]。軟件主要功能有：（1）數(shù)據(jù)采集。包括開(kāi)始、停止、退出、窗口長(zhǎng)度、拉力值；（2）數(shù)據(jù)分析。包括打開(kāi)離線數(shù)據(jù)分析、保存/記錄采集數(shù)據(jù)、拷貝窗口信號(hào)、信號(hào)處理，其中信號(hào)處理包括：重獲取原始信號(hào)、去趨勢(shì)、濾波設(shè)計(jì)、信號(hào)濾波、FFT頻譜；（3）存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)；（4）阻尼識(shí)別。包括信號(hào)截取、對(duì)數(shù)衰減法、HT包絡(luò)法；（5）結(jié)果分析與存儲(chǔ)。軟件系統(tǒng)功能如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 不同類(lèi)型材料測(cè)試

在材料測(cè)試機(jī)上對(duì)三種不同邵氏硬度的材料進(jìn)行試驗(yàn)，分別是彈簧，硅膠泡棉，聚氨酯。對(duì)比彈簧，硅膠泡棉，聚氨酯三種材料的硬度，彈簧硬度小于硅膠泡棉，硅膠泡棉硬度小于聚氨酯。三種材料試件的阻尼識(shí)別結(jié)果如表2所示。為了抑制隨機(jī)干擾和減少平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)誤差，對(duì)各試件的數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)重復(fù)試驗(yàn)10次作矢量線性平均得到。

從表2阻尼識(shí)別結(jié)果分析，不同材料反映著不同的固有頻率頻率，阻尼系數(shù)和阻尼比都隨著材料邵氏硬度的增大而增大。阻尼參數(shù)越大的材料，表示它從瞬間力激勵(lì)開(kāi)始到靜止時(shí)間歷程快，指數(shù)衰減的系數(shù)也大。同時(shí)，截取自由振動(dòng)衰減信號(hào)的不同峰值數(shù)，識(shí)別材料的阻尼參數(shù)都會(huì)有差異，阻尼通常表現(xiàn)出一定程度的非線性。

2.2 同一類(lèi)型材料測(cè)試

2.2.1 同一硬度不同厚度材料測(cè)試

本次試驗(yàn)在某同一硬度條件下比較不同厚度聚氨酯材料的測(cè)試。表3為阻尼識(shí)別結(jié)果。

從表3阻尼識(shí)別結(jié)果分析，阻尼系數(shù)和阻尼比隨著材料的厚度增加，剛開(kāi)始呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而厚度再增加時(shí)，阻尼系數(shù)和阻尼比又開(kāi)始呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。分析原因是由于阻尼參數(shù)還受固有頻率影響，故又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，特別是阻尼比比較明顯；綜合分析得到，在一定材料厚度的范圍內(nèi)，厚度增加，阻尼參數(shù)會(huì)下降，而當(dāng)厚度增大到超過(guò)某個(gè)范圍時(shí)，阻尼參數(shù)又會(huì)上升，所以，阻尼參數(shù)往往呈現(xiàn)非線性。

2.2.2 同一厚度不同硬度材料測(cè)試

本次試驗(yàn)選取常用的聚氨酯隔振材料為例，研究其不同邵氏硬度條件下的阻尼參數(shù)，表4為不同硬度材料試件阻尼系數(shù)和阻尼比的識(shí)別結(jié)果。

在保證其他實(shí)驗(yàn)條件一致的情況下，只改變材料的硬度，隨著硬度的遞增，阻尼越大，振動(dòng)衰減越快。由表4不同硬度聚氨酯材料阻尼識(shí)別結(jié)果，阻尼系數(shù)隨著硬度增加明顯上升，但阻尼比受阻尼固有頻率影響，阻尼比雖也是上升的趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)沒(méi)有阻尼系數(shù)明顯。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

（1）對(duì)材料性能參數(shù)進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合不同的參數(shù)識(shí)別方法，精確地對(duì)阻尼參數(shù)進(jìn)行了估計(jì)。不同的材料從受瞬間激振動(dòng)到靜止歷程，衰減時(shí)間快慢不同，阻尼參數(shù)不同；

（2）基于虛擬儀器技術(shù)，搭配各項(xiàng)硬件設(shè)備，采用高精度的數(shù)據(jù)采集方法，與開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化測(cè)試軟件，實(shí)時(shí)高效地對(duì)不同隔振材料的阻尼性能進(jìn)行測(cè)試，為材料的隔振性能提供依據(jù)；

（3）本研究工作提出了更合理的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理方法，降低減振設(shè)計(jì)過(guò)程的試驗(yàn)工作量、提高減振設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)

[1]D. D. L. Chung.Review： Materials for vibration damping[J].Journal of Materials Science， 2001，36（24）：5733-5737.

[2]徐豐辰，李洪林，劉福.淺談汽車(chē)用阻尼材料阻尼系數(shù)的測(cè)試方法[J].汽車(chē)工藝與材料技.2008（8）：63-67.

[3]姚天任，江太輝.數(shù)字信號(hào)處理（第3版）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

[4]宋雪臣，單振清.數(shù)字電子技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011.

[5]江建軍，孫彪.LabVIEW程序設(shè)計(jì)教程（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.