黏弹性阻尼器硅油中气泡的存在对其阻尼性能的影响

杨伟新，王金舜，王 平

（中国航空动力机械研究所 航空发动机振动技术航空科技重点实验室，湖南 株洲 412002）

黏弹性阻尼器硅油中气泡的存在对其阻尼性能的影响

杨伟新，王金舜，王 平

（中国航空动力机械研究所 航空发动机振动技术航空科技重点实验室，湖南 株洲 412002）

为了研究某型直升机尾传动轴组件黏弹性阻尼器硅油中存在气泡对其阻尼性能的影响，分别对两种阻尼器结构进行试验，其中一种阻尼器硅油胶囊中硅油存在一定长度的气泡，另一种基本上没有气泡。通过振动台对带轴承支座的两种结构阻尼器进行激振，比较了两种阻尼器结构在相同激励下耗散能量的能力。同时为模拟阻尼器在直升机上的实际工况条件，还比较了两种阻尼器结构耗散能量的能力随载荷变化的情况。研究结果表明，黏弹性阻尼器硅油中存在气泡将会降低其阻尼性能。

振动与波；黏弹性阻尼器；硅油；气泡；阻尼性能

阻尼性能是材料在机械振动过程中周期性加载下消耗应变能的一个量度[1-2]，在经受动态应力和应变时，能量的转换和耗散就表现为机械阻尼，具有减振和降噪的作用[3-4]。另外，粘弹性阻尼器灵敏度较高，结构稍一振动，它就能马上耗能[5]，近年来，黏弹性阻尼器已成为抑制机械结构振动响应和降低结构噪声辐射的重要工具。

目前，带有流体的黏弹性阻尼器使用比较多的阻尼材料是液压油，但是由于液压油温度升高时，其黏度会显著下降，为了克服工作过程中由于温度升高导致的阻尼材料黏度下降的缺点，选用黏温系数小、性能优异的硅油作为阻尼材料[8]。

黏弹性阻尼器作为直升机尾传动轴组件的支撑装置，除了为密封深沟球轴承提供安装定位之外，还能够吸收振动能量，减少尾传动轴与机身之间的振动传递。因此，黏弹性阻尼器的阻尼性能对尾传动轴组件的动力学特性有着重要的影响。其中，阻尼器硅油中气泡的存在,特别是气泡较多的情况下,将会对阻尼器的性能产生比较明显的影响。在往阻尼器硅油胶囊注射硅油过程中，很容易将空气混入从而形成气泡。另外，直升机长时间的飞行也会出现硅油泄露使硅油中存在气泡。某型直升机在试飞过种中出现尾水平轴振动超限现象，经拆解发现尾水平轴的黏弹性阻尼器出现硅油泄露，导致硅油中存在大量的气泡。为了解硅油中气泡的存在对黏弹性阻尼器阻尼性能的影响，文中通过阻尼特性振动试验对比两种结构的黏弹性阻尼器在指定激励条件下的耗散能量的能力，从而分析出硅油中气泡对结构阻尼性能的影响。

1 试验方案

某型直升机尾传动轴组件黏弹性阻尼器是由轴承外衬套、硅油胶囊及硅油胶囊加油口三部分组成，其结构示意图见图1。

图1 黏弹性阻尼器结构示意图

将黏弹性阻尼器安装在轴承支座外圈上，保持黏弹性阻尼器的注油嘴朝上，并通过轴承支座内圈与外圈将其固定，装配示意图见图2。

图2 黏弹性阻尼器的装配示意图

模拟黏弹性阻尼器在直升机尾传动轴组件上的安装状态，将黏弹性阻尼器及试验模拟件通过试验夹具安装在振动台上。进行阻尼特性振动试验时，在黏弹性阻尼器中安装一个芯棒（芯棒是为了模拟传动轴，其质量与传动轴相同），芯棒的外圆与黏弹性阻尼器上轴承外衬套内圆面配合，以符合阻尼器的实际安装状态。另外，通过振动台对黏弹性阻尼器进行激振以模拟阻尼器所受到的外界激励，并以芯棒的惯性运动产生的动态载荷模拟黏弹性阻尼器工作时承受传动轴传递的动态载荷。

根据振动台和黏弹性阻尼器的接口尺寸，专门设计了一套试验夹具用于黏弹性阻尼器的阻尼振动特性测试。黏弹性阻尼器通过轴承支座外圈上的4个螺栓孔与试验夹具配合，试验夹具安装在振动台上。试验时，在轴承支座外圈与黏弹性阻尼器连接的螺栓处放置加速度传感器用来测量振动台的激励加速度a1；在输出端连接件上放置加速度传感器用来测量芯棒的响应加速度a2。试验夹具安装及测点位置示意图见图3。

图3 试验夹具安装及测点位置示意图

阻尼器减振降噪是利用阻尼材料的黏弹性耗能性能，当构件受到振动作用时，阻尼层材料内部产生剪切应变，耗散能量，从而达到减振目的[6]。为了描述黏弹性阻尼器在振动试验过程中耗散能量的能力，试验测取台面激励加速度a1作为阻尼器力的输入，测取芯棒响应加速度a2作为阻尼器力的输出，分别对两种结构阻尼器进行振动试验。显然，在台面激励加速度a1相同的情况下，对于芯棒响应加速度a2越小的阻尼器，其在振动试验过程中耗散的能量越多，表明其的阻尼性能越好。用η代表阻尼器耗散能量的能力，可推导出阻尼器耗散能量的能力η为

试验时按表1所列振动试验参数分别对两种结构的阻尼器进行试验。其中结构1为硅油中存在长度为12.7 mm的气泡(该型号黏弹性阻尼器性能鉴定试验规定：黏弹性阻尼器内硅油中气泡的长度应小于12.7 mm)的阻尼器，结构2则是基本上没有气泡的阻尼器。为模拟阻尼器在直升机飞行时的实际工况条件，振动台的激振频率定为68.6 Hz（该型直升机尾水平轴额定工作转速为4 116 r/min），初始预载荷定为40 N，载荷加载步长定为0.05 mm的台面位移，加载至0.8 mm。试验时，记录下在激振频率为68.6 Hz时的振动台激励加速度a1和芯棒响应加速度a2。另外，为了保护阻尼器在整个试验过程中不发生破坏，规定在整个试验过程中黏弹性阻尼器所受激励不允许超过其在工作中能承受的最大激励。

表1 阻尼特性振动试验参数

2 试验结果

两种结构阻尼器在每个位移下的试验时间都为120秒。测量并记录下振动台的激励加速度a1和芯棒的响应加速度a2，测量结果见表2。根据式（1）计算两种阻尼器在各个状态下的耗散能量的能力η，并对两种结构耗散能量的能力η进行对比，计算结果见表3。

表2 加速度测量结果（激振频率为68.6 Hz）

图4为两种结构阻尼器耗散能量的能力随载荷不断加大而变化的情况。

表3 隔振系数及隔振率计算结果

图4 耗散能量的能力随载荷变化情况

3 试验数据分析

由于随着载荷及加载时间不断增加，阻尼器的温度会不断升高，从图4中可以看出，两种阻尼器的耗散能量的能力随着载荷加大都不断降低。另外，根据文献[7]提出的黏弹性阻尼材料动态力学性能温度模型（见图5）可知，黏弹性阻尼材料动态力学性随温度的升高而降低,文献中还提出黏弹性阻尼器的耗能能力受温度影响，耗散能量的能力随温度的升高而降低[9]，文中还进行了多组黏弹性材料DMA温度谱试验，表明其温度模型可较好地表征黏弹性阻尼材料动态力学性能随着温度变化的情况。因此，试验结果也符合文献[7]提出的黏弹性阻尼材料动态力学性能温度模型。

图5 动态力学性能随温度变化情况

文献[8]提出通过阻尼材料的剪切流动产生阻尼力来耗散振动能量，减小结构的响应幅度，从而达到减振缓冲保护设备的目的。文献[8]中还指出了硅油属于Maxwell流体，并根据Maxwell模型推导出了黏弹性硅油阻尼器阻力的力学模型，并通过试验验证了该阻尼器阻尼力模型的合理性。阻尼力F模型表达式为

其中τp为流体的流动切应力，A为硅油周向面积，k为与试验环境相关的切应力修正系数，d为硅油直径，δ为硅油厚度，μ为硅油的动力粘性系数，θ为引入的空间参数，n为速度相关指数。另外，文献[9]提出黏弹性阻尼器是吸能器的一种，并在正弦输入的假设下，利用分数微分Maxwell模型[10]给出黏弹性阻尼器耗散能量的表达式，指出阻尼力-位移所包围的面积即表示阻尼器耗散的能量，面积越大其耗散能量越多，阻尼器耗散能量W的表达式为

硅油胶囊中存在气泡会减少阻尼器中硅油厚度，由式（2）可知，硅油厚度δ影响着阻尼器所产生的阻尼力，硅油胶囊中存在气泡的使得硅油厚度减小，从而使得阻尼器产生的阻尼力减小。另外，由式（3）可知，由于阻尼力的减小使得阻尼器耗散能量的能力也相应减小了。从表2列出的两种结构在不同振幅载荷作用下的激励加速度与响应加速度值对比情况可知，在激励加速度相同的情况下，硅油胶囊中存在气泡使得硅油厚度减小的结构1的响应加速度均大于无气泡结构2的响应加速度。另外，通过表3中的两种结构耗散能量的能力对比结果也可以发现，由于结构1阻尼力的减小，其耗散能量的能力要小于结构2，也就是说结构1的阻尼性能要比结构2的差。上述试验结果表明，黏弹性阻尼器硅油胶囊中硅油存在气泡会降低结构的阻尼性能。

4 结语

试验研究结果表明，黏弹性阻尼器硅油存在大量气泡会降低结构的阻尼性能，从而减弱对振动的抑制作用。因此，在飞行任务中，应对直升机尾传动力轴组件黏弹性阻尼器进行定时检查，确保阻尼器未出现硅油的泄露而使硅油中存在大量的气泡。另外，在往硅油胶囊浇注硅油时，应进行消除气泡的处理，以减少硅油中气泡的含量，提高结构的阻尼性能，以达到较好的减振效果，从而确保飞行的安全。

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Influence of the Bubbles in Silicon Oil of the Viscoelastic Damper on Its Damping Property

YANG Wei-xin,WANG Jin-shun,WANG Ping
（Aero-engine Vibration Technology inAeronautical Science Key Laboratory,ChinaAviation Powerplant Research Institute,Zhuzhou 412002,Hunan China）

To study the influence of the bubbles in the viscoelastic damper silicone oil on its damping property,two different damper structures are tested respectively.One of the structures has bubbles with certain sizes in the silicone oil capsules,and the other has no bubble basically.The two damper structures with bearing pedestals are tested on a shaking table,and the capacity of energy dissipation of the two structures at the same oscillation condition is measured and compared.Meanwhile,in order to simulate the actual working condition of the damper in helicopters,the variation of the energy dissipation capacity with the loading condition of the two structures is also obtained and compared.The results show that the bubbles in the silicone oil of the viscoelastic damper can deteriorate its damping property.

vibration and wave;viscoelastic damper;silicon oil;bubbles;damping property

V229+.1；TB32

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.033

1006-1355(2016)06-0169-04

2016-06-08

杨伟新（1988-），硕士研究生，工程师，研究方向为航空发动机振动、噪声测试。E-mail:ywxdlu@sina.com