和法家， 盧 曦

(上海理工大學機械工程學院，上海 200093)

0 引言

隨著國防建設迅速發(fā)展，軍用品的生產理念和宗旨更注重耐用性、持久性等方面，軍用品要求適應極端環(huán)境的能力(溫度、濕度、鹽度、壓力、過載)。在對某飛機發(fā)動機減振器設計中僅僅研究材料在準靜態(tài)荷載下的力學性能已遠遠不能適應工業(yè)和國防建設等各方面的需要，材料的動力學性能研究越來越被人們所重視，特別是在精確制導、高強度打擊成為現(xiàn)代高技術戰(zhàn)爭的主要作戰(zhàn)形式的今天，傳統(tǒng)的飛機減振器的結構和材料已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求。減振器結構的合理化和隔振吸振能力的提高成為當前減振器技術研究的熱門課題。

動剛度是指動載荷下抵抗變形的能力，即引起單位振幅所需要的動態(tài)力。動剛度是衡量結構抵抗預定動態(tài)激擾能力的特性。特別地，對于橡膠等黏彈性體減振元件，其動剛度是描述減振性能的關鍵指標［1］。

橡膠材料具有較強的黏彈阻尼特性，其宏觀力學性能表現(xiàn)為力與變形呈非線性關系［2］，動態(tài)剛度和阻尼系數(shù)隨工作振動頻率及振動振幅的變化而改變。準確地測試出飛機發(fā)動機橡膠隔振元件——橡膠減震器的動態(tài)剛度，對于正確評價其工作性能和工程設計起著十分重要的作用［3］。由于振動頻率、幅值、預載荷對隔振元件的動態(tài)特性影響較大，測定振動元件在工作載荷下的動態(tài)剛度，不僅要求較為精確的振動頻率控制，同時要精確地控制振動幅值。

本文以某飛機發(fā)動機橡膠減振器為研究對象，討論預載荷、激振振幅和激振頻率對橡膠減振器動剛度特性的影響。通過試驗獲得不同工況下減振器的動態(tài)性能，為減振器設計提供依據(jù)，同時可為同類產品的開發(fā)提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

試件為中間低碳鋼的兩側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合的情況，具有容易安裝、適用范圍廣的特點，在使用過程中通過橡膠部分的黏彈性特性達到減震吸能的效果。橡膠減震器的橡膠部分尺寸為Φ60 mm×36 mm，結構圖如圖1所示。

圖1 試樣

1.2 試驗裝置及方法

采用Bose ElectroForce 3330振動臺自帶的dma軟件模塊快速地記錄振動試驗中的位移-力數(shù)據(jù)，該振動臺采用動磁式直線驅動方式，具有高保真度、高精度，測試頻率最大100 Hz;最大力值3 kN噪音低于50 dB;最大動態(tài)位移12～50 mm;最低測試頻率要求達到0.000 1 Hz;具有極高的控制及測量精度。

實驗時，采用變載荷激振的方法［4］，減振器與發(fā)動機相連的一端與能產生正弦激勵的激振器的作動頭端相連;另一端固定于振動臺上，在振動臺的作動頭端與固定端分別安裝力傳感器、位移傳感器。振動過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載荷和變形;由傳感器測取獲得的位移和拉壓力信號經(jīng)多通道數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)絇C機。在LabVIEW環(huán)境下的專用測試系統(tǒng)軟件，用于試驗過程的控制及數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲。試驗臺如圖2所示。試件裝夾如圖3所示。

圖2 試驗系統(tǒng)

圖3 試件裝夾圖

考慮到產品的一致性，可忽略因制造差異產生的系統(tǒng)誤差。試驗樣件從生產線上同一型號產品隨機抽取的3個減振器，進行適當?shù)母难b而成為試驗樣件，為了分析橡膠減震器動剛度的影響因素，分別將橡膠減震器的振動頻率、振幅、預載荷3個水平因素作為可變參數(shù)進行循環(huán)試驗［5］。激勵振幅的設置和激勵頻率的改變可分別由振動臺中調節(jié)不同的電信號來實現(xiàn)。為了能與實際工作狀態(tài)相接近，頻率范圍選擇1～60 Hz，每次試驗間隔1 Hz，激勵振幅設定為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載荷，各試驗因素水平值如表1所示。

表1 試驗因素水平表

1.3 試驗步驟

(1)在預載荷600、800、1 000 N，幅值為0.6、0.8、1.0 mm情況下分別從1～60 Hz進行振動試驗共計540個工況點。用dma模塊記錄力-位移 信號獲得約10 000個數(shù)據(jù)

(2)對試件2、3進行同樣的試驗共獲得約30 000個數(shù)據(jù)。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)處理

在各試驗參數(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及動載荷信號，如圖4、5所示。將采集到的同一試驗參數(shù)下的多個波形進行傅里葉分析［7］，消除試驗造成的誤差，分別對位移時間歷程，動載荷時間歷程進行傅里葉分析之后，得到如圖6、7所示的結果，低頻項縱坐標即為在同一參數(shù)下的位移及動載荷幅值。動載荷幅值與位移幅值相除即得到橡膠減震器動剛度［8］，每次試驗得到一組試驗因素下的一個動剛度值。圖4、5為某一組試驗因素下(預載荷F=1 000 N，激振頻率f=20 Hz，激振幅值A=1 mm)測得的橡膠減震器位移信號(由平衡位置橡膠減震器底端向下壓縮時為負值，向下拉伸時為正值)和動載荷信號的時間歷程。圖6、7為對所采集的的數(shù)據(jù)通過Matlab進行傅里葉分析之后的頻率幅值圖。

圖4 橡膠減震器位移時間歷程

圖5 橡膠減震器動載荷時間歷程

圖6 位移FFT線

圖7 力FFT曲線

2.3 結果及分析

2.3.1 激勵頻率、預載荷對動剛度的影響

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

圖8 動剛度隨頻率、預載荷的變化情況

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

橡膠減震器是一個非線性系統(tǒng)是彈性與黏性的結合體，隨著頻率的增大，橡膠分子內部來不及變化，彈性部分表現(xiàn)明顯，黏性部分降低，所以動剛度增大［10］。但是當頻率達到一定程度之后，分子內部來不及變化，黏性部分開始增大，所以動剛度又有下降的趨勢。預載荷增大，使橡膠減震器分子間變得越來越密集，所以使其動剛度有增大的趨勢。

2.3.2 激勵幅值對動剛度的影響

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

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

圖9 動剛度隨頻率、激勵振幅的變化情況

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

3 結論

橡膠減震器彈性特性的理論分析與試驗研究表明:

(1)橡膠減震器靜、動態(tài)剛度特性均為一簇非線性曲線，不同的預載荷情況下的曲線成近似的平行關系，變化趨勢與預載荷關系不大。預載荷越大，橡膠減震器承載能力越強，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，動剛度隨頻率的增大而增大，增大幅度達到30%，支撐效果比較明顯。在35～50 Hz范圍內，動剛度變化相對較小。

(3)橡膠減震器的動剛度值的整體幅度隨激勵振幅增大而減小。

本文利用適當?shù)脑囼炇侄魏头椒?，以橡膠減振器為試驗樣品，通過試驗獲得不同工況下減振器的動剛度性能，為減振器設計提供依據(jù)，同時可為同類產品的開發(fā)提供參考。

［1］王文斌.機械振動和噪聲［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2007.

［2］Rao M D，Wirkner K J，Gruenberg S.Dynamic characterization of automotive exhaust isolators［J］.Journal of Automobile Engineering，2004 ，218(8):891-900.

［3］王家勝，朱思洪.帶附加氣室空氣彈簧動剛度的線性化模型研究［J］.振動與沖擊，2009，28(2):72-76.

WANG Gu-sheng，ZHU Sai-hong.Linearized model for dynamic stiffness of air spring with auxiliary chamber［J］.Journal of Vibration and Shock，2009，28(2):72-76.

［4］王家勝，朱思洪.帶附加氣室空氣彈簧動剛度影響因素試驗研究［J］.振動與沖擊，2010，29(6):1-3，20.

WANG Gu-sheng，ZHU Sai-hong.Experimental study on influential factors on dynamic stiffness of air spring with auxiliary chamber［J］.Journal of Vibration and Shock，2010，29(6):1-3，20.

［5］ASTM D5992，Standard Guide for Dynamic Testing of Vulcanized Rubber and Rubber-Like Materials Using Vibratory Methods1［S］，R2006［2］.

［6］韓德寶，宋希庚，薛冬新.橡膠減振器非線性動態(tài)特性的試驗研究［J］.振動工程學報，2008，21(1):102-106.

HAN De-bao， SONG Xi-geng，XUE Dong-xin.Experiment on nonlinear dynamic characteristics of rubber isolator［J］.Journal of Vibration Engineering，2008，21(1):102-106.

［7］劉粵鉗，姚紅玉.分數(shù)傅立葉變換在信號處理中的應用研究［J］.數(shù)值計算與計算機應用，2007(3):198-214.

［8］秦四成，陳龍珠，蘇 峰.振動壓路機橡膠減振器動態(tài)性能試驗研究［J］.工程機械，2000，31(1):19-20.

QIN Si-cheng，CHEN Long-zhu，SU Feng.Experimental study in the dynamic performance of rubber damper on vibratory rollers［J］.Construction Machinery and Equipment，2000，31(1):19-20.

［9］趙文濤.考慮實測支承動剛度的航空發(fā)動機整機振動建模及驗證［D］.南京:南京航空航天大學，2012.

［10］李 塹.汽車發(fā)動機液阻懸置動態(tài)特性與參數(shù)辨識研究［D］.上海:上海交通大學，2010.

［11］姜洪源，董春芳，敖宏瑞，等.航空發(fā)動機用金屬橡膠隔振器動靜態(tài)性能的研究［J］.航空學報，2004(2):140-142.

JIANG Hong-yuan， DONG Chun-yang， AO Hong-rui， etal.Research on dynamic and static characteristics of metal rubber isolator used in aero-engine［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2004，25(2):140-142.

［12］閆 輝，姜洪源，劉文劍，等.某飛行器用金屬橡膠材料抗沖擊實驗研究［J］.功能材料，2009(7):1127-1129.

YAN Hui，JIANG Hong-yuan，LIU Wen-jian，et al.Experimental study of ant-i shock performance of metal rubber material used in aircraft［J］.Journal of Functional Materials，2009(7):1127-1129.

［13］楊麗娟，張白樺，葉旭楨.快速傅里葉變換FFT及其應用［J］.光電工程，2004(S1):1-3，7.

YANG Li-juan， ZHANG Bai-hua， YE Xu-zhen. Fast Fourier transform and its applications［J］.Opto-Electronic Engineering，2004(S1):1-3，7.

［14］肖 然.金屬橡膠減振器的非線性特性研究及應用［D］.太原:中北大學，2009.

［15］張林嘯.橡膠扭轉減振器特性的研究［D］.廣州:華南理工大學，2012.