压缩长度对金属橡胶减振器刚度的影响

2013-12-05梅小龙赵俊生张保成杨凤岗

噪声与振动控制 2013年1期

梅小龙，赵俊生，张保成，杨凤岗

（1.中北大学机械工程与自动化学院，太原 030051；2.装甲兵驻太原地区军代室，太原 030006）

金属橡胶材料有阻尼大、吸收冲击能、耐高低温作用、不易老化等优点，因此广泛的使用在航空、航天、军事装备、民用工程机械、建筑等许多领域中[1,2]。而金属橡胶就是一种新型均质的弹性多孔材料，经特殊的工艺方法将一定质量、拉伸开、螺旋状的金属丝有序地排放在冲压或碾压模具中，通过冲压成型的方法制成，其内部有很多孔洞，既呈现类似橡胶材料的弹性和阻尼性能，同时又保持金属的优异特性[3]。在实际的生产过程中，金属橡胶块产品的实际刚度会在设计的理想刚度值上下波动，由于有些金属橡胶块的实际刚度值与理想的刚度值偏差较大，在正常的装配方式下，这些金属橡胶减振器往往是不合格品，进而影响了整个产品的成品率，造成了资源和经济方面的浪费。

在不更换金属橡胶块的前提下，通过对减振器中某些元件的调整，改变减振器中金属橡胶块的预压缩长度，就可以对减振器的整体刚度进行调整，使得合格减振器的数目增加，从而提高了产品的成品率，这不仅能够提高资源的利用而且能够获得更好的经济效用。

而金属橡胶块的预压缩长度是指在金属橡胶减振器的装配前后，金属橡胶块在主要受载方向上的高度变化值。如图1所示，h0为金属橡胶块的原始高度，h1是减振器装配后金属橡胶块被压缩后的高度，则预压缩长度 Δh0=h0-h1（Δh0≥0）（在尺寸链中Δh0为封闭环）。

图1 金属橡胶块在装配前后的尺寸Fig.1 Size of the metal rubber block before and after the assembly

本文以图2所示金属橡胶减振器进行说明在不更换金属橡胶块的前提下改变减振器的整体刚度的方法。根据该金属橡胶减振器的结构和工作原理可知：减振器受到的压力载荷主要由元件2上网块承担；受到的拉力载荷主要由元件5下网块承担；实际上，在承担载荷时，上、下网块承受的都是压力。

图2 金属橡胶减振器的结构示意图Fig.2 Schematic of metal rubber vibration absorber

1 金属橡胶材料受压时的工作机理

金属橡胶材料是典型的非线性材料，其压缩变形分为线性段，软特性段，指数硬化阶段3个特征阶段，而线性段在整个压缩变形阶段所占的比例非常少，整个压缩变形阶段主要是软特性段和指数硬化阶段这两个阶段[4]。

但在金属橡胶减振器在振动中，金属橡胶块的线性段是不存在的。从金属橡胶块中分离出的一根金属丝中的一段，通过对这一小段金属丝进行分析便可得知。金属丝受力的过程可以分为两个阶段，分别为弹性变形阶段和摩擦挤压阶段，如图3中的（a）、（b）、（c）所表示。

图3金属丝受力分析图Fig.3 Analysis on force of wire

图3 （a）表示金属丝在自由状态受到压力，开始变形的阶段，这一阶段的变形是弹性变形；图3（b）表示金属丝在受到压力到达变形极限时的状态，这时金属丝与丝之间从开始接触直到丝与丝之间没有间隙；图3（c）表示金属丝在受到载荷，丝与丝之间开始出现摩擦和挤压现象的阶段。

而线性段只是金属橡胶块中所有的金属丝的变形多处在图3中的（a）（b）且几乎没有（c）的情况下出现。图2所示的减振器中的金属橡胶块在装配时处于压缩状态，在振动过程中处于外部激励作用下，因此金属橡胶块一直会有金属丝处于图3（c）的情况下，只是数量上的多少而已，因此金属橡胶材料在振动过程中线性段不存在，此时主要是软特性阶段和指数硬化阶段。

当金属橡胶块的预压缩长度不同时，金属橡胶块中的金属丝的状态也不同，这时金属橡胶块的力-位移关系就不同，即金属橡胶块的刚度是不相同的（胡克定律：k=F x）。当金属橡胶块的预压缩长度越大时，处在图3中（b）和（c）情况就越多，在相同的压缩变形量情况下所需的压力就越大，即金属橡胶块的刚度增加。因此金属橡胶块的刚度与预压缩长度成正比关系。

2 金属橡胶减振器的刚度变化机理

金属橡胶减振器中起减振作用的元件主要是金属橡胶块。因此，当金属橡胶块的刚度发生变化时，势必改变减振器的整体刚度。当减振器整体刚度小于设计时的目标刚度时，可以在重新装配时对减振器进行“硬化”处理，增大减振器整体刚度，从而使得减振器整体刚度达到要求；当减振器整体刚度大于设计时的目标刚度时，可以在重新装配时对减振器进行“软化”处理，减小减振器整体刚度，从而使得减振器整体刚度达到要求。这样就降低了产品的废品率。

“硬化”处理是指两次装配前后金属橡胶块的预压缩长度Δh0变大。此时金属橡胶块的刚度k变大，进而使得金属橡胶减振器的整体刚度K也随之变大，由于金属橡胶块的原长h0不会发生变化，即金属橡胶块的装配后的被压缩长度h1在第二次装配时比第一次装配时要变小。所谓“软化”处理是指两次装配前后金属橡胶块的预压缩长度Δh0变小。同理可知“软化”处理的工作原理。

但是不论是对减振器进行了“硬化”处理还是进行了“软化”处理，减振器整体刚度K的变化是有一个范围的。这是因为减振器整体刚度K是由金属橡胶块在装配前后长度h1的变化决定的，而h1的变形量取决于减振器其他元件之间的装配尺寸。元件之间的装配尺寸会改变减振器整体强度、固有频率等特性。因此对减振器整体刚度的K的变化范围的控制就要综合考虑金属橡胶块的属性、减振器的强度和固有频率等因素

3 试验与分析

选取10个在正常装配下为不合格品的ABW系列金属橡胶减振器做试验，ABW系列金属橡胶减振器的结构与图2所示结构一致。试验所采用的装备是由济南福思特试验机厂生产的微机弹簧试验机，型号是：TLS-W 50000A，精度是1级，与试验机相配套软件的版本是V9.72，试验机出厂日期是2009.5。在压缩试验中金属橡胶减振器减振器受到的最大压力是10 kN，试验机的压缩速度是10 mm/min。

首先对选取的不合格减振器编号并做压力—位移试验，记录试验数据；然后根据试验数据对金属橡胶减振器选择是“软化”处理还是“硬化”处理，处理完后，测量计算在处理前后两组金属橡胶块预压缩长度改变值ΔH0，预压缩长度改变值ΔH0是处理前的Δh01与处理后的Δh02之差（数据详见表1）；最后对处理后的金属橡胶减振器再次做压力—位移的关系试验，记录实验数据。在表1中记录的是金属橡胶减振器在“软化”处理或“硬化”处理前后金属橡胶块预压缩长度改变值ΔH0的数据，其中“+”表示增加，“-”表示减少。

将同1个金属橡胶减振器在处理前后的两次实验数据称为一组数据，将记录的10组试验数据使用MATLAB软件处理试验数据，得到金属橡胶减振器的压力—位移试验曲线图，见图4和图5。在压缩试验过程中，减振器的恢复力可以分解为弹性力和阻尼力两部分，由于阻尼力在整个恢复力中的比例所占很小，直接忽略阻尼力，对力—位移图像求导，得出减振器的刚度—位移的变化关系图，见图6和图7。

由图4和图6可知，当金属橡胶块的预压缩长度Δh0变小时，即经“软化”处理后，金属橡胶减振器的整体刚度K会变小；由图5和图7可知，当金属橡胶块的预压缩长度Δh0变大时，即经“硬化”处理后，金属橡胶减振器的整体刚度K会变大。

从图6和图7中减振器刚度—位移图像的变化可知，金属橡胶减振器在“软化”处理或是“硬化”处理前后的刚度关系不是f(x)与f(x+c)的关系（其中x为自变量，c为常数）；再联系表1中的数据后，在对金属橡胶减振器进行“软化”处理或“硬化”处理后，在相同的刚度大小变化的前提下，“软化”时的预压缩长度改变值ΔH0比“硬化”时的预压缩长度改变值ΔH0要大。

4 结语

本研究是以金属橡胶材料是典型的非线性材料为基础的，通过对金属橡胶块的预压缩长度调整前后分别进行压力—位移的关系试验可得知：在金属橡胶减振器装配时通过改变金属橡胶块的预压缩长度Δh0，减振器整体的刚度会发生相应的变化，且刚度的变化不是f(x)与f(x+c)的关系，同时在刚度变化相同的情况下，金属橡胶块压缩长度改变值在“软化”处理时比“硬化”处理时要大。该方法有利于降低金属橡胶减振器的废品率，提高资源的利用效率和产品的经济效效益。