付立新

(承德石油高等?？茖W(xué)校 安全工作處，河北 承德 067000)

抑制機械結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生、傳遞的方法之一是對其施加阻尼，非阻塞性顆粒阻尼技術(shù)(Non Obstructive Particle Damping-NOPD)是近十幾年發(fā)展起來的一種新型減振技術(shù)，通過在結(jié)構(gòu)的空腔或者附加空腔中放入一定量的顆粒，當(dāng)機械結(jié)構(gòu)振動時，使得顆粒之間與腔壁之間發(fā)生摩擦和沖擊，同時不斷進行動量交換、摩擦生熱和噪聲輻射，從而達到耗能減振的目的[1]，具有耐久性好、可靠度高、對溫度變化不敏感，可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點[2]。20世紀90年代初，Panossian[3]首先提出了NOPD，并通過試驗驗證了該技術(shù)的阻尼特性，并在汽輪葉片上得到成功的應(yīng)用。Z Cui[4]等人首次用湍流理論來描述阻尼顆粒的運動，并發(fā)現(xiàn)顆粒阻尼器的耗能隨顆粒直徑和填充率的增加而增加。Heckel[5]等人針對擺動鋸的振動特點，設(shè)計顆粒阻尼器進行振動控制，試驗結(jié)果表明經(jīng)過合理設(shè)計優(yōu)化的顆粒阻尼器其振動控制效果是單體沖擊阻尼器的兩倍。Sanchez，Pugnaloni[6]通過研究發(fā)現(xiàn)顆粒阻尼器中顆粒存在一個最佳質(zhì)量使得其耗能達到最大。P Veeramuthuve[7]將顆粒阻尼器用于抑制電路板在印刷過程中所產(chǎn)生的振動，大大提高了電路板的印刷質(zhì)量。M Trigui，E Foltete[8]對機械結(jié)構(gòu)進行周期性的激勵，發(fā)現(xiàn)顆粒阻尼器的耗能與激勵頻率和其他設(shè)計參數(shù)有很大的聯(lián)系。Lucifredi[9]運用改進的散體單元模型對阻尼器內(nèi)部顆粒工作時的耗能進行了仿真，并進行了相關(guān)實驗驗證了模型的正確性，大大提高了仿真結(jié)果的精度。對帶有粘彈性材料涂層的鋼球顆粒阻尼器進行了懸臂梁減振實驗研究，發(fā)現(xiàn)其減振效果明顯優(yōu)于普通鋼球顆粒阻尼器，且在低頻振動中仍具有良好的減振性能。

1 新型顆粒的提出

新型帶粘彈性材料涂層阻尼顆粒由傳統(tǒng)的密度較大的鋼球和一層均勻噴涂在鋼球外的粘彈性材料組成。實驗中采用的粘彈性材料的主要成分是聚氨酯，其主要特點是：可以在相對較寬的頻帶范圍內(nèi)進行減振；將所吸收的動能轉(zhuǎn)化為熱能散發(fā)出去從而減振；在諧振點處具有明顯的減振效果[10]。

在對傳統(tǒng)的顆粒阻尼器的研究過程中，Bapat[11]發(fā)現(xiàn)阻尼器壁腔中使用塑性材料，腔體中填塞同等質(zhì)量、尺寸較小、彼此接觸的鉛?？色@得比鋼鐵腔壁更好的阻尼效果。上海理工大學(xué)的杜妍辰、王樹林[12]提出了帶顆粒減震劑的碰撞阻尼理論，它主要是利用微顆粒材料的塑性變形來耗散振動所產(chǎn)生的能量。結(jié)果表明，在填充鋼球的顆粒阻尼器中加入一定量的銅粉、活性炭粉等塑性材料微顆粒，可以明顯提高阻尼器的阻尼性能。阻尼效果增強的原因是在原有的鋼球顆粒中加入細微顆粒后，由于這些細微顆粒具有粘附性，當(dāng)和鋼球接觸時會粘附在鋼球的表面，一旦鋼球間發(fā)生碰撞，其表面的細微顆粒就會發(fā)生塑性變形進而可以損耗更多的能量。然而，此種方法也存在嚴重的缺陷：細微顆粒粘附不均勻且不牢靠；兩種密度的顆粒在振動過程中會逐漸產(chǎn)生分層現(xiàn)象；微顆粒的塑性變形無法自行恢復(fù)導(dǎo)致減振效果逐漸下降。因此，基于此種方法和顆粒阻尼的減振機理提出了帶彈性涂層的顆粒阻尼器。將粘彈性材料均勻地噴涂在鋼球顆粒的表面，保持涂層厚度在0.5mm左右，將此顆粒填充到阻尼器空腔中即得到帶粘彈性材料涂層的顆粒阻尼器。

2 實驗設(shè)備與實驗方案

2.1 實驗設(shè)備

實驗將自制的顆粒阻尼器安置在懸臂梁的自由端，由便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)出隨機噪聲激勵信號，經(jīng)過功率放大器放大后輸入給B&K 4825型激振器，對懸臂梁的自由端進行激振。激振時所采用的信號為0-100 Hz的掃頻信號，在激振器與懸臂梁的連接處安裝力傳感器，測量由激振器所產(chǎn)生的激振力，在懸臂梁自由端上表面安裝加速度傳感器進行拾振，最后由B&K3560B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過力傳感器和加速度傳感器得出該懸臂梁的幅頻特性曲線以檢驗阻尼器對懸臂梁的減振效果。實驗設(shè)備連接示意圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

實驗所用的懸臂梁長度為1 000 mm，寬度為150 mm，厚度為15 mm，材料為45號鋼，彈性模量2.09 Gpa，泊松比為0.269。阻尼器容器為PVC材質(zhì)的圓柱形空腔，內(nèi)徑為70 mm，長度為144 mm。

2.2 粘彈性涂層鋼球顆粒的制備

實驗時阻尼器空腔內(nèi)填充的阻尼顆粒分別為帶有粘彈性涂層的碳鋼球顆粒和普通碳鋼鋼球顆粒。所選用的粘彈性涂層材料為聚氨酯。為了保證帶有粘彈性涂層的碳鋼球顆粒涂層厚度的均勻，采用噴涂的方法進行制備。首先，將購買回來的鋼球顆粒用用丙酮溶液清洗并晾干。然后，用噴槍將配制好的聚氨酯溶液均勻地噴涂在鋼球的外部，并將噴涂后的顆粒放入烤箱進行烘干，以加速聚氨酯的固化。若聚氨酯涂層厚度未達到0.5 mm則重復(fù)噴涂、烘干步驟，保證涂層厚度在0.5 mm左右。帶有粘彈性材料涂層的鋼球顆粒如圖3所示。

2.3 實驗方案

利用以上介紹的實驗設(shè)備和實驗材料，進行懸臂梁的阻尼比測定實驗。根據(jù)阻尼器內(nèi)有無填充顆粒、及填充顆粒的類型分別進行表1中的實驗，測試該懸臂梁阻尼系統(tǒng)的阻尼比大小。

表1 實驗內(nèi)容表

對表1所列的各種情況在懸臂梁的一階和二階彎曲模態(tài)范圍內(nèi)的振動情況進行實驗測試，通過比較實驗結(jié)果，來驗證本文所提出的帶粘彈性材料涂層顆粒的減振性能，尤其是在較低的振動頻率下的減振效果。

3 懸臂梁的模態(tài)分析

3.1 懸臂梁模態(tài)軟件分析結(jié)果

使用ANSYS軟件對實驗所用的懸臂梁預(yù)先進行模態(tài)分析[14]，得出懸臂梁的各階固有頻率。得到一階固有頻率為：15.79 Hz，二階固有頻率為：95.29 Hz。

3.2 懸臂梁模態(tài)測試

采用單點激勵多點拾振的方法，在懸臂梁上布置5個拾振點，并安放加速度傳感器，拾振點的位置如圖5所示。根據(jù)ANSYS軟件對懸臂梁模態(tài)分析的初步結(jié)果，由于本次實驗只研究一階模態(tài)范圍內(nèi)阻尼器的特性，故只需在0 Hz～30 Hz范圍內(nèi)對懸臂梁的自由端進行掃頻激勵，記錄測試數(shù)據(jù)。為消除每次由激振力大小不同引起的誤差，故取激振力與加速度的比值為幅頻特性曲線的縱坐標。重復(fù)上訴步驟5次，取平均值得出幅頻特性曲線如圖所示。

從測試結(jié)果可以看出，由ANSYS軟件分析得出的結(jié)果與測試結(jié)果基本一致，說明了測試結(jié)果的準確性，所得結(jié)果可以用來進行數(shù)據(jù)計算。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗結(jié)果

按照2.3節(jié)中的實驗方案，對直徑為8 mm帶涂層鋼球顆粒和普通鋼球顆粒進行實驗。實驗時，將功率放大器的電壓調(diào)至2.0 V，0～30 Hz的頻率范圍內(nèi)采用掃頻信號測量懸臂梁的幅頻特性曲線。圖7為阻尼顆粒為8 mm時懸臂梁的幅頻特性曲線。

4.2 實驗結(jié)果分析

從圖7中可以看出，在阻尼器中添加阻尼顆粒之后，整個系統(tǒng)的一階固有頻率有所降低，并且，阻尼器在系統(tǒng)的一階固有頻率處發(fā)揮作用最大。在圖7中還可以看出，以涂層鋼球為填充顆粒時阻尼器的減振性能相對于普通鋼球明顯提升。以普通鋼球作為填充顆粒時，相比于未填充顆粒時幅頻特性曲最大降幅達22.4%；以涂層鋼球作為填充顆粒時幅頻特性曲線最大降幅可達35.3%。

帶有粘彈性涂層的顆粒阻尼器具有優(yōu)秀的減振效果的原因是在粘彈性涂層內(nèi)部存在很多的分子鏈，他們相互交錯排列，組成網(wǎng)格。當(dāng)有外力作用在其上時，網(wǎng)格會發(fā)生拉伸、錯動、扭轉(zhuǎn)等，最終導(dǎo)致能量的耗散。實驗中、所采用的粘彈性材料為聚氨酯，是一種硫化橡膠材料，此硫化橡膠分子鍵在未變形時處于嫡最大(能量最小)的狀態(tài)，將其伸長時嫡減少，系統(tǒng)能量增加，當(dāng)力被去除便恢復(fù)到原來的嫡狀態(tài),此時加載與卸載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合。在真實狀態(tài)下，硫化橡膠分子鍵之間除了用化學(xué)鍵固定，此外還受到范德華力及氫鍵的作用。在硫化橡膠中，因為分子鍵的運動有相當(dāng)大的摩擦(高粘性)，使得分子鍵會產(chǎn)生相互纏繞和聚集，從而存在著許多的擬交聯(lián)點。當(dāng)硫化橡膠受力增大時，分子鍵會產(chǎn)生滑移及聚集部分的分離，從而導(dǎo)致擬交聯(lián)點的數(shù)目減少。因此比較卸載時與加載時應(yīng)力-應(yīng)變曲線的情況，隨著擬交聯(lián)點的減少應(yīng)力開始下降，卸載時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出滯后狀態(tài)。橡膠發(fā)生變形時的分子摩擦能就是滯后曲線范圍內(nèi)的能量(滯后能)，它會以熱能的形式釋放出來[13]。因為這種耗能機理的存在，使得新型涂層顆粒阻尼器的阻尼特性較傳統(tǒng)的鋼球顆粒阻尼器更加優(yōu)越。

5 結(jié) 論

1)通過實驗發(fā)現(xiàn)，顆粒阻尼器可以降低結(jié)構(gòu)本身的固有頻率，并且具有非常明顯的減振效果。

2)帶粘彈性涂層的顆粒阻尼器較普通的顆粒阻尼器具有更加優(yōu)越的減振性能。其通過減少粘彈性涂層材料內(nèi)部擬交聯(lián)點的方式來達到耗能的目的，改變了原有普通顆粒阻尼器通過摩擦、動量交換以及聲輻射的耗能方式。

3)此外，帶有粘彈性涂層的顆粒阻尼器在機械的低頻振動中的減振效果更為突出，幅頻特性曲線的最大降幅可達35.3%，明顯優(yōu)于普通鋼球顆粒阻尼器。