隔膜抽气泵用三明治约束阻尼垫片减振特性分析

陈卫，王玮，刘志恩，郝同辉，柴方

（1.武汉理工大学 汽车工程学院，武汉 430070；2.湖北大学 材料科学与工程学院，武汉 430062）

隔膜抽气泵是真空泵的一种，其偏心轮在运转过程中会产生一定的振动和噪声，从而降低设备的使用寿命，影响工作人员的健康[1]。目前，常用的减振方法有两种：一是减小振动源的振动强度；二是使用阻尼结构或者阻尼材料耗散振动的能量[2]。其中，第二种方法更容易实施，是一种常见的减振方法。使用橡胶减振垫片是隔膜抽气泵常见的减振措施[3]，该方法装配更换简单，在纵向有一定的减振效果，但是其固定部位产生的应力集中等问题会加速橡胶减振垫片的老化；除此之外，橡胶减振垫片厚度大，刚度小等问题会降低系统的稳定性[4]。

三明治约束阻尼结构的刚度和强度比橡胶减振垫片高，且阻尼性能更好，是较好的减振结构。该结构由约束层和阻尼层组成，如图1所示，约束层通过使用刚度大的材料承受载荷，阻尼层则利用阻尼效应耗散振动的能量。大量研究表明，三明治约束阻尼结构有较好的减振效果。熊志远等[5]在振动试验台上，通过强迫振动响应发现三明治约束阻尼结构的减振效果优于自由阻尼结构。赵晓春等[6]基于模态应变能理论，使用ANSYS 软件求解了三明治约束阻尼结构的模态参数，并研究了芯层材料参数对该结构阻尼性能的影响。高晨光等[7]针对卫星发射过程中，其核心部件惯性陀螺仪的振动冲击问题进行了研究，并通过对卫星头部添加约束阻尼结构实现了陀螺仪的减振，其中陀螺仪沿x和z向的振动明显改善，沿y向的振动略有改善。所以，本文针对隔膜抽气泵的振动问题，设计并制备了一种三明治约束阻尼垫片，并通过时域响应和频域响应分析，研究该垫片的减振效果和减振机理。

图1 传统的三明治约束阻尼结构Fig.1 Traditional sandwich constrained damping structure

1 试验过程

1.1 材料选取

三明治约束阻尼垫片的约束层一般选用轻质合金或者是纤维增强的复合材料等，主要有两个作用：一是提高整个结构的弯曲刚度和抗屈曲性[8]，使得阻尼层受力均匀，提高了三明治约束阻尼垫片的使用寿命；二是只在约束层进行固定设计，方便垫片与上下结构连接。该设计的目的是避免螺栓穿过中间的阻尼层，此时振动不会通过螺栓传递下去，而是完全作用在阻尼层上，可以极大限度发挥阻尼层的减振效果。本研究中约束层选择了6061铝合金，该材料密度低、强度和刚度较高，被广泛应用于航空航天以及大型舰船中[9]。

阻尼层主要采用高分子聚合物，该类材料最显著的力学特性是黏弹性[10]，所以也称为黏弹性阻尼材料，例如聚乙烯[11-12]和聚氨酯泡沫[2,13]等。黏弹性材料是能量蓄积能力（弹性部分）和能量损耗能力（黏性部分）按照一定比例结合形成的材料[14]，当其在交变载荷作用下发生变形时，弹性部分会将一部分能量存储起来，撤去外力后，变形复原，能量释放；而作用在黏性部分的能量用于克服黏弹性材料的内耗，将机械能转化为热能耗散出去，此时振动的幅值不断减小，从而起到减振作用[15]。黏弹性材料的阻尼性能由损耗因子（tanθ）表征，表达式为

式中：E′为存储模量，表示阻尼材料储能的能力；E′′为损耗模量，表示阻尼材料耗能的能力，值越大表明损耗的能量越多，减振性能越好。本研究中阻尼层选择改性后的沥青板（沥青、橡胶和树脂的混合物），该材料阻尼系数高，通常制成薄板状使用，广泛用于汽车和客车的减振降噪[16]。

1.2 三明治约束阻尼垫片制备

如图2a）所示，本研究制备的三明治约束阻尼垫片由上约束层（5 mm）、阻尼层（4 mm）和下约束层（2 mm）组成。有理论研究表明，借助改性沥青的热粘性[17-18]可以实现三层板的有效结合。首先，通过热风枪将堆叠好的三层板加热至200 ℃，保温3 min；随后，冷却到室温，冷却时需用力压实三层板，实物图如图2b）所示。

图2 三明治约束阻尼垫片Fig.2 Sandwich restraint damping gasket

隔膜抽气泵产生的旋转激励作用于三明治约束阻尼垫片时，由于铝板和沥青板的刚度不同，两种材料会产生一定的变形差，这个变形差使得沥青板发生拉压和剪切变形，从而利用沥青阻尼材料内部分子链之间的摩擦作用将机械能转化为热能耗散出去，进而达到减振的目的。

1.3 阻尼性能测试

阻尼性能测试的目的是获取材料阻尼系数与频率之间的关系，以研究三明治约束阻尼垫片在实际工作时的减振机理。

铝合金的阻尼系数[16]一般在0.5×10-3～2 ×10-3之间，比黏弹性材料小了3个数量级，所以铝合金的阻尼系数可以忽略不计，本研究只测取沥青板的阻尼系数。沥青板的阻尼系数通过动态热机械分析仪（DMA Q800）测量：样品为30 mm×6 mm ×2 mm 的长方条；使用的夹具模式为单悬臂梁模式；测试条件为恒温变频测试，其中温度保持25 ℃不变，变频范围为10～200 Hz。

1.4 强迫振动试验

如隔膜泵的简化图（图3a））所示，偏心轮体绕着中心轴转动时，离心力会在径向产生振动，即图中的xz平面，这是隔膜泵振动的主要原因。除此之外，由于轴承中滚动体的存在，轴向也会产生振动，即图中的y方向。强迫振动试验的目的是研究三明治约束阻尼垫片的减振效果。

图3 强迫振动试验Fig.3 Forced vibration test

强迫振动试验需要三向加速度传感器、12通道数据采集系统和笔记本电脑等。如图3b）所示，本研究进行了3组试验，第1组不加减振垫片，目的是测取隔膜泵本身的振动特性，作为空白对照组；第2组加入一种常用的橡胶悬置垫片，测取该垫片的减振效果，其结构如图3c）所示；第3组加入三明治约束阻尼垫片，测取该垫片的减振效果。

本研究使用的三向加速度传感器无法测取整个xz平面的振动响应，所以这里只测取图3a）所示坐标轴方向的振动响应，其中一个加速度传感器置于与地固定的机脚上，另一个置于隔膜泵的泵身中部。

2 结果与讨论

对于旋转机械，旋转激励也是一种振动响应，当这个激励作用于系统时，产生强迫振动响应的频率与激励频率同频率或者是激励频率的倍频[19]。本研究中隔膜泵稳定工作的频率为25 Hz，所以整个系统会产生25 Hz 及其倍频下的振动响应。

2.1 阻尼测试结果

图4为沥青阻尼板在恒温变频条件下的阻尼系数曲线。结果表明，在10～200 Hz 频率范围内，沥青板的阻尼系数tanθ值基本都在0.6以上，只有80 Hz附近的阻尼系数较低。表1为25 Hz 及其倍频下沥青板的阻尼系数。结果表明，在隔膜泵的工作频率及其倍频下（75 Hz 除外），沥青板的阻尼系数基本都在0.6以上，可以起到良好的减振效果。

表1 25 Hz 及其倍频下沥青板的阻尼系数Tab.1 Damping coefficient of asphalt plate at 25 Hz and its frequency doubling

图4 沥青板阻尼系数曲线Fig.4 Damping coefficient curve of asphalt plate

2.2 强迫振动试验结果

2.2.1 时域结果分析

图5分别展示了3组试验过程中，泵身沿x、y和z方向振动的加速度时域曲线。结果表明：加入约束阻尼垫片后，3个方向上的振动明显减小；而加入橡胶悬置垫片后，虽然y和z方向上有一定的减振效果，但是x方向的振动被放大了。表2为泵身加速度振幅均值表，结果表明：加入三明治约束阻尼垫片后，x、y和z方向的振动分别降低了61.74%、44.48%和68.82%；加入橡胶悬置垫片后，y和z方向的振动分别减小40.93%和61.29%，而x方向的振动增加了24.51%。

表2 泵身加速度振幅均值表Tab.2 Pump body acceleration amplitude mean table m/s2

图5 泵身加速度时域曲线Fig.5 Time domain curve of pump body acceleration

图6分别展示了3组试验过程中，机脚沿x、y和z方向振动的加速度时域曲线。结果表明：加入三明治约束阻尼垫片后，x和z方向上减振效果显著，y方向上有一定的减振效果；加入橡胶悬置垫片后，3个方向的减振效果都比较明显。表3为机脚加速度振幅均值表，结果表明：加入三明治约束阻尼垫片后，x、y和z方向的加速度幅值分别降低了76.18%、33.88%和81.24%；加入橡胶悬置垫片后，x、y和z方向的加速度幅值分别降低了79.62%、52.34%和86.51%。

表3 机脚加速度振幅均值表Tab.3 Foot acceleration amplitude mean table m/s2

图6 机脚加速度时域曲线Fig.6 Time domain curve of foot acceleration

综上所述，加入三明治约束阻尼垫片后，隔膜泵系统的振动得到了明显改善，减振机理分为两个方面：一方面，当旋转激励作用于沥青阻尼材料时，振动的机械能用于克服分子链的摩擦做功，从而转换为热能耗散出去，这是三明治约束阻尼垫片沿z方向减振的主要机理；另一方面，约束层与阻尼层之间的剪切作用使得沥青阻尼材料发生剪切变形，也可将振动的机械能转化为热能耗散出去，这是该垫片沿x和y方向减振的主要机理。上述结果表明，三明治约束阻尼垫片z方向的减振效果大于x和y方向的减振效果，说明通过阻尼层分子链摩擦消耗的能量比例大于剪切作用所消耗的能量比例。

与此同时，虽然三明治约束阻尼垫片与橡胶悬置垫片对于该系统机脚部分的减振效果几乎一致，然而橡胶材料刚度较低，阻尼系数也比较低，为了达到较好的减振效果一般会增加厚度，这使得系统的重心向上偏移，从而降低了稳定性。这也是该系统加入橡胶悬置垫片后，泵身部分x方向振动被放大的原因。通过仿真，也验证了这一现象。本研究制备的三明治约束阻尼垫片厚度为11 mm（实际参与减振的黏弹性材料的厚度仅为4 mm），要远小于橡胶悬置垫片的厚度46.5 mm（实际参与减振的橡胶厚度为34.5 mm）。综上所述，本文所制备的三明治约束阻尼垫片相对橡胶悬置垫片能够以很小的厚度实现更全方位的减振效果，提高了系统的稳定性。

2.2.2 频域结果分析

通过快速傅里叶变换（FFT）可将上述时域曲线转化成频域曲线，从而得到各个频率对振动的贡献值。图7分别展示了3组试验过程中，泵身沿x、y和z方向振动的加速度频域曲线。结果表明，不加垫片时，50 Hz 是泵身3个方向的主要振动频率。从局部放大图中可以看到，加入三明治约束阻尼垫片后，50 Hz 的振动响应明显降低，减振效果显著；加入橡胶悬置垫片后，虽然50 Hz 的振动响应也明显降低，但是在泵身x方向上，橡胶悬置垫片把25 Hz的振动响应放大了很多，甚至超过了没加垫片前50 Hz的振动响应，主要原因是橡胶悬置垫片刚度小，厚度大，使得泵身在x方向不稳定。

图7 泵身加速度频域曲线Fig.7 Pump body acceleration frequency domain curve

图8分别展示了3组试验过程中，机脚沿x、y和z方向振动的加速度频域曲线。从图中可以看出，不加垫片时，x方向主要在50 Hz 的频率下振动，y方向在高频振动，z方向主要在50 Hz 的频率下振动，400 Hz 左右的频率也有一定的振动贡献值。从局部放大图中可以看到，加入三明治约束阻尼垫片和橡胶悬置垫片后，x方向和z方向的振动峰值明显降低，y方向振动峰值略有降低。

图8 机脚加速度频域曲线Fig.8 Frequency domain curve of foot acceleration

上述结果表明，加入三明治约束阻尼垫片后，可以有效降低泵身和机脚沿3个方向主要振动频率（50 Hz）所对应的峰值，从而起到显著的减振效果。这是由于三明治约束阻尼垫片的阻尼层材料在50 Hz时阻尼系数约为0.661（表1），可将大部分的机械能转化为热能耗散出去，从而实现较好的减振效果。

3 结论

1）本研究制备的三明治约束阻尼垫片不仅方便更换而且阻尼性能更好，可以有效降低隔膜抽气泵自身和机脚的振动响应，这种结构设计也为其它旋转机械的减振提供了一种思路。

2）时域分析表明，加入三明治约束阻尼垫片后，泵身部分3个方向的振动分别降低61.74%、44.48%和68.82%；机脚部分3个方向的振动分别降低76.18%、33.88%和81.24%，减振效果显著。与此同时，z方向的减振取决于阻尼层分子链的摩擦耗能，x和y方向的减振取决于约束层和阻尼层之间的剪切作用。所以上述结果表明，依靠阻尼层分子链摩擦消耗的能量比例大于剪切作用所消耗的能量比例。

3）频域分析表明，三明治约束阻尼垫片可以有效降低泵身和机脚沿3个方向主要振动频率（50 Hz）所对应的峰值，从而起到显著的减振效果。

4）相对于橡胶悬置垫片，三明治约束阻尼垫片以很小的厚度实现了更全方位的减振效果，提高了系统的稳定性。