丁基橡胶阻尼材料对基座减振的实验研究

祝驰誉， 温华兵

(江苏科技大学 振动噪声研究所， 江苏 镇江 212003)

丁基橡胶阻尼材料对基座减振的实验研究

祝驰誉， 温华兵

(江苏科技大学 振动噪声研究所， 江苏 镇江 212003)

安装机械设备的基座结构是振动传递到船体结构的重要通道。介绍一种丁基橡胶阻尼材料，测试丁基橡胶的材料损耗因子等动态性能，开展丁基橡胶阻尼材料对基座减振的实验研究。采用振动激励实验方案，对基座结构进行自由阻尼和约束阻尼处理后的振动传递特性实验，分析基座结构的阻尼处理方式和处理部位对振动插入损失的影响，实验结果对基座结构的阻尼减振设计和丁基橡胶阻尼材料的工程应用具有参考价值。

丁基橡胶 基座 插入损失 阻尼 振动

1 引言

高分子材料具有粘弹性的特点，在交变外力作用下存在相位滞后现象，每一循环周期中消耗的功以热能的形式散发掉，内耗越大，吸收的振动能量也越多，这就是材料的阻尼作用[1～3]。结构的阻尼性能用结构损耗因子来衡量[4]。随着高分子阻尼材料在军事领域和民用产品上的广泛应用，丁基橡胶的高阻尼性能受到越来越多的重视[5]。Fan[6]把丁基橡胶应用在列车车厢内部结构上，分别进行自由阻尼、约束阻尼处理后，在100 Hz～160 Hz频段，其内部噪声分别下降了3.1 dB、6.2 dB。Cao和Li[7，8]将三明治夹芯复合材料应用于舰艇设备基座结构的减振设计，以提高舰艇设备的减振降噪水平。赵树磊在对金属基座和复合材料基座进行振动传递特性对比试验的基础上，研究了复合阻尼材料基座的减振效果[9]。梅志远对直骨架结构和曲骨架结构的夹芯复合材料基座模型进行了激振试验，结果表明两种结构形式的夹芯复合材料基座均具有较好的隔振效果[10]。在船舶上用于安装周期往复运动机械设备的基座结构是振动传递到船体结构的最重要通道，因此有必要对基座结构采取阻尼减振措施和声学设计[11，12]。本文介绍了丁基橡胶为基料的复合阻尼减振胶板的动态性能，对船舶基座进行了阻尼处理，开展了基座结构的阻尼减振性能实验研究。

2 丁基橡胶阻尼材料

丁基橡胶的工业化生产始于二十世纪40年代，具有优良的气密性，良好的耐热、耐老化、耐酸碱等特性。丁基橡胶的弹性滞后较大，阻尼因子高，被广泛地应用于汽车内胎、密封制品及减振材料等方面。丁基橡胶是异丁烯与少量异戊二烯单体经催化聚合而制得的一种线型无凝胶的弹性共聚物，其分子结构式如下：

xzy

丁基橡胶的异丁烯单体分子含两个甲基，聚合后分子链含有许多侧甲基，弹性滞后较大，因而有明显的阻尼作用，其阻尼损耗因子远高于普通橡胶材料，因而被许多粘弹性阻尼材料选作为基体材料使用。丁基橡胶阻尼材料密度为920kg/m3，泊松比为0.4，材料的弹性模量和损耗因子随着频率而变化，常温下的弹性模量和损耗因子如图1所示。

图1 丁基橡胶材料的损耗因子和弹性模量

以丁基橡胶为主体材料(基料)制得的复合阻尼减振胶板，采用传递损失阻抗管测得其隔声量如图2所示，在5 000Hz频率范围内的平均隔声量接近45dB，隔声量低谷对应的吻合频率为396Hz。由于丁基橡胶的饱和度高，因而硫化速度较慢，加工性能和粘接性能(自粘性和互粘性)较差。氯化丁基橡胶(CIIR)和溴化丁基橡胶(BIIR)的出现成功地解决了这方面的难题。丁基橡胶经氯化或溴化后成为氯化丁基橡胶(CIIR)或溴化丁基橡胶(BIIR)，它们具有与丁基橡胶基本相同的分子结构，因此也具有与丁基橡胶类似的优良性能，但却克服了硫化速度慢、并用性差等缺点。图3为卤化后丁基橡胶与环氧树脂、沥青的损耗因子对比，不同温度下卤化丁基橡胶比丁基橡胶的损耗因子提高，并远高于环氧树脂、沥青阻尼材料。

图2 复合阻尼减振胶板的隔声量

图3 不同温度下4种材料的阻尼损耗因子

3 基座结构的阻尼减振实验

基座是常用的动力机械设备支撑构件，一般由面板、底板和腹板构成，面板与设备相连，底板与基础相连，从而将机械设备的振动传递到基础。为探讨丁基橡胶对结构减振降噪的性能，采用模拟激振实验方案，开展了卤化丁基橡胶对基座结构的阻尼减振性能对比实验。

目前常用的减振效果评估指标有力传递率、插入损失、振级落差和功率流。为了便于实验测量，通常采用插入损失或振级落差来评定实际系统的减振效果，而插入损失可直观地表示阻尼处理前后结构振动量级的下降值。

阻尼减振效果的加速度插入损失为

式中：LI为加速度插入损失(dB)；LBE为阻尼处理前结构的振动加速度级(dB)；LAF为阻尼处理后结构的振动加速度级(dB)。

振动加速度级的计算如下：

式中：La为振动加速度级(dB)；a为测点处的加速度(m/s2);a0为基准加速度值(a0=10-6m/s2)。

基座结构由面板、腹板以及肋板(肋板1、肋板2、肋板3)组成，其中面板的基本尺寸为415×90×6mm，腹板为410×225×4mm，3块肋板上、下边长分别为75mm、192mm，厚度5mm，开孔直径为50mm。为了考察基座向船体结构的振动传递特性，将基座的腹板及3块肋板的下边缘线性焊接于船体板几何中部(如图4所示)，船体板的尺寸为1 000×890×5mm，底部均布加强筋，整个结构材料为Q235碳钢。

图4 基座结构及测点布置示意图

为了考察阻尼材料的阻尼处理方式(即自由阻尼和约束阻尼)和处理部位对基座减振效果的影响，依次开展了以下6种工况的基座阻尼减振实验：(1) 无阻尼层，即基座不经过阻尼处理；(2) 肋板自由阻尼，即在3块肋板的同一侧进行阻尼处理；(3) 肋板约束阻尼，即在(2)的阻尼外表面再粘贴一层铝箔(约束层)；(4) 肋板双面约束阻尼，即在3块肋板的两侧同时粘贴约束阻尼层；(5) 肋板、腹板双面约束阻尼，即在3块肋板、腹板两侧同时粘贴约束阻尼；(6) 基座整体及船体板约束阻尼，即在基座腹板和肋板两侧、面板底部以及与船体板上表面进行约束阻尼处理。采用激振器单点激励的方法，激励点选择在面板的几何中心位置处，激励点和船体板上8个振动加速度测点的布置见图4。

主要实验仪器设备为丹麦B&K3 160型数据采集硬件前端和B&KPULSE信号分析系统；激励系统由B&K3 160信号源、B&K2 707功率放大器以及B&K4 809激振器组成。由信号发生器产生白噪声信号，经过功率放大后驱动激振器，激励基座面板结构。用阻抗头、力、加速度传感器同步采集振动信号。基座模型振动实验示意图如图5所示。在实验时，通过调节功率放大器的电流，使激振力的大小基本保持恒定。整个基座结构用弹性绳悬挂于半空，使其近似自由状态。

图5 基座模型振动实验示意图

4 基座结构的阻尼减振效果分析

经测试激励点位置至船体结构振动的传递函数，利用半功率带宽法[13]，得到基座模型的结构损耗因子如图6所示。结构损耗因子的总体趋势是随频率的增加而下降，粘贴复合阻尼减振胶板后，在500Hz～5 000Hz频率范围内显著提高，且随着粘贴阻尼层面积的增大，结构损耗因子有明显提高。

图6 基座模型的结构损耗因子

图7为肋板经过不同阻尼处理后的加速度插入损失曲线。在32Hz～315Hz低频段，阻尼处理后的插入损失变化不明显，这是由于基座结构的刚度较大，固有频率较高，在该频段阻尼处理对基座结构的振动传递特性影响小；在315Hz～8 000Hz高频段，约束阻尼比自由阻尼处理后的基座结构振动插入损失增加，在1 600Hz频率处约增加7dB，这表明从基座传递到船体板的振动加速度幅值明显小于自由阻尼处理下的情况；肋板双面约束阻尼处理后，基座的插入损失只在某些频段下比单面约束阻尼处理明显，总体效果并不明显。

图7 自由阻尼和约束阻尼处理后的插入损失对比

图8为肋板双面约束阻尼、肋板+腹板双面约束阻尼及基座双面+船体板约束阻尼3种工况下的加速度插入损失曲线。基座经过约束阻尼处理后的插入损失主要体现在315Hz～8 000Hz高频段，在低频段的减振效果不明显；腹板作为振动传递的重要途径之一，在对其进行约束阻尼处理后，基座结构的插入损失曲线明显上升；在基座阻尼处理同时对基座四周的船体板布置约束阻尼层，可进一步消耗基座附近船体板的振动能量，提高阻尼减振效果。

图8 三种阻尼处理后的插入损失对比

5 结论

经丁基橡胶阻尼处理后，基座的结构阻尼损耗因子显著增加。通过对比阻尼处理后的插入损失，可知约束阻尼比自由阻尼处理后的减振效果更明显；在中高频段内为最佳，而在低频段的减振效果则不太理想；振动的主要传递路径为腹板及肋板经过阻尼处理后，能明显降低传递到船体板的振动加速度幅值；因此对于主要振动源为主机、辅机等动力机械设备，可在基座四周船体板上布置丁基橡胶约束阻尼层，以提高结构阻尼损耗因子，从而增加结构阻尼减振效果。

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An Experimental Study on Butyl Rubber Damping Material Applied to Base Structure

ZHU Chi-yu, WEN Hua-bin

(Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

The base used to fix machinery is the main channel to transmit vibration to ship structures. A butyl rubber damping material is introduced in this paper. The dynamic performance of butyl rubber damping material, such as loss factor, is tested， and a series of experiments to study its damping applied to base structure is conducted. By applying vibration excitation, we compare the vibration transmissibility of base structure after being free damping treated with constrained damping treated. Also the influence of the way of damping treatment and treatment location on vibration insertion loss is analyzed. The experiment results have some reference value to the damping design of base structure and engineering application of butyl rubber damping material.

Butyl rubber Base Insertion loss Damping Vibration

祝驰誉(1990-)，男，硕士研究生。

U661

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