隔振器和垫板贴合率的测量方法研究

2014-01-01徐建龙徐北平

船舶与海洋工程 2014年3期

徐建龙，许锐，徐北平

（武昌船舶重工有限责任公司，武汉 430060）

0 引言

在机械隔振系统中存在着大量的相互接触的区域，如隔振器与垫板、垫板与基座等，这些组件间相互接触的面积大小直接影响到接触部位的接触刚度[1]。而组件的静刚度主要由结构刚度和接触面间的接触刚度组成[2]，因此，组件接触部位的连接状态直接影响到系统组件的刚度特性和机械隔振系统的隔振效果。此外，尽管组件的实际接触面积仅占名义接触面积的 1%～30%[3]，其接触刚度却占了机械结构总刚度的40%～50%[4]，由此可见，接触面的接触特性对于机械结构的动态性能研究具有重要的意义。

考虑到组件的实际接触面积较难获取，而传统的蓝油法及塞尺法无法完全反映出组件的接触程度，因此，为克服传统蓝油法精度低，传统Hertz理论结果不易验证的问题，通过接触痕迹法获取组件间的名义接触面积。

1 一种新的金属间贴合率的测量方法

提出了一种用于检测垫板和金属隔振器贴合率测量方法，该方法克服了传统的Hertz理论中模型简化过多，结果不易验证的缺点。而工程中常用的蓝油法，又因其存在偶然性而不能准确得到金属间的贴合率。

由于金属间的贴合程度主要由组件所受的压力以及两接触面的物理特性（如粗糙度、波纹度）所决定。因此，为了较准确的测得接触面的接触面积，需要综合考虑压力、粗糙度和波纹度对贴合程度的影响。

1.1 压力、粗糙度对系统贴合程度的影响分析

在工程应用中，弹性体间的接触通常为有限长的线接触，即在紧靠接触区端部存在一个很小的应力集中区域[5]，而接触的程度则与接触面波纹度和粗糙度相关。所以，研究两金属表面的贴合程度时，实际研究的是金属表面的微小凸体间的接触情况。由赫兹接触理论可知，其中粗糙面的微小凸体可以近似地等效为球体，其等效曲率半径为R1、R2[6]。在此情况下，两接触区域间的接触变形可通过有限长线接触弹性接触变形公式计算[7～9]，即：

通过对上式的计算可知，压力与接触变形基本呈线性关系；另外，当压力达到 2000N左右时，R在63.5mm以内的形变均在20μm左右，故通常认为表面粗糙度RZ值在0.4～20μm之间，波纹度WZ值在0.8～40μm之间。在承压不小于5kN的工作条件下，表面粗糙度和波纹度的影响可以忽略。

1.2 贴合率的测量

1.2.1 接触痕迹的获取

对于隔振器与垫板组件在一定压力情况下的接触痕迹的获取可以采取红丹蓝油法进行着色处理。然后在组件间无相对滑动的情况下，由螺栓将垫板和隔振器进行固定，通过压力试验机，对组件平缓、均匀的加载压力至指定值。对于隔振器，应充分考虑其自身的蠕变特性对系统预载荷的影响。以JCG-2500B型隔振器为研究对象，通过多次测量结果表明，当压力时间达到5min后，其蠕变特性对压力的影响已可忽略（见图1）。

1.2.2 接触面积的获取

在完成压力试验机的加载后，通过用125mm×125mm范围内刻有2500个2.5mm×2.5mm的小方格（误差≤0.1mm）的透明网格板平缓地放置在有接触痕迹的被测面上，按区域用网格法测量两接触面的贴合率（见图 2）。测量过程中，不允许有碰撞和拖动等破坏接触痕迹的现象发生。由于被测机械隔振系统垫板和隔振器在未加载状态下的表面粗糙度与波纹度的实际测量结果均≤20μm。因此可以判定，此时表面粗糙度和波纹度的影响可以忽略。认定8.0mm（取样长度）的区域内接触痕迹不少于3个点为接触区域。这样，通过计算工作区域内组件间贴合的总格数，即可获得组件的贴合率。

图1 隔振器和垫板贴合率测试系统

图2 接触面积的获取

1.2.3 测量数据

贴合率P的评定以认定有接触痕迹的区域占用2.5mm×2.5mm小方格的数量与机械隔振系统垫板和隔振器工作区域占用2.5mm×2.5mm小方格的总数量之百分比表示：

式中：nj——认定有接触痕迹的区域占用2.5mm×2.5mm小方格的数量；nz——机械隔振系统垫板和隔振器工作区域占用2.5mm×2.5mm小方格的总数量。根据贴合率的测量数据计算可得不同加工工艺下垫板和隔振器的贴合率。试验对象为分别采用车、刨、磨3种加工垫板各6块，共18块垫板进行表面加工处理。不同加工工艺下垫板和隔振器的贴合率见图3。

由图3可知，虽然每种加工工艺下的垫板因在加工、安装过程中以及安装位置的差异性均会导致最终结果产生一定的偏离，但3种加工工艺下的垫板与隔振器的贴合率均在80%以上。

对3种加工工艺下的垫板与隔振器系统的贴合率作平均处理，可得精刨加工的平均贴合率为88.9%，精磨加工的平均贴合率为90.4%，精车加工的平均贴合率为89.1%，对比3种加工工艺可知，整体相差不大，最大仅差1.5%，整体离散度不大。