丁基橡膠阻尼材料對基座減振的實驗研究

祝馳譽， 溫華兵

(江蘇科技大學 振動噪聲研究所， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

丁基橡膠阻尼材料對基座減振的實驗研究

祝馳譽， 溫華兵

(江蘇科技大學 振動噪聲研究所， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

安裝機械設(shè)備的基座結(jié)構(gòu)是振動傳遞到船體結(jié)構(gòu)的重要通道。介紹一種丁基橡膠阻尼材料，測試丁基橡膠的材料損耗因子等動態(tài)性能，開展丁基橡膠阻尼材料對基座減振的實驗研究。采用振動激勵實驗方案，對基座結(jié)構(gòu)進行自由阻尼和約束阻尼處理后的振動傳遞特性實驗，分析基座結(jié)構(gòu)的阻尼處理方式和處理部位對振動插入損失的影響，實驗結(jié)果對基座結(jié)構(gòu)的阻尼減振設(shè)計和丁基橡膠阻尼材料的工程應(yīng)用具有參考價值。

丁基橡膠 基座 插入損失 阻尼 振動

1 引言

高分子材料具有粘彈性的特點，在交變外力作用下存在相位滯后現(xiàn)象，每一循環(huán)周期中消耗的功以熱能的形式散發(fā)掉，內(nèi)耗越大，吸收的振動能量也越多，這就是材料的阻尼作用[1～3]。結(jié)構(gòu)的阻尼性能用結(jié)構(gòu)損耗因子來衡量[4]。隨著高分子阻尼材料在軍事領(lǐng)域和民用產(chǎn)品上的廣泛應(yīng)用，丁基橡膠的高阻尼性能受到越來越多的重視[5]。Fan[6]把丁基橡膠應(yīng)用在列車車廂內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，分別進行自由阻尼、約束阻尼處理后，在100 Hz～160 Hz頻段，其內(nèi)部噪聲分別下降了3.1 dB、6.2 dB。Cao和Li[7，8]將三明治夾芯復(fù)合材料應(yīng)用于艦艇設(shè)備基座結(jié)構(gòu)的減振設(shè)計，以提高艦艇設(shè)備的減振降噪水平。趙樹磊在對金屬基座和復(fù)合材料基座進行振動傳遞特性對比試驗的基礎(chǔ)上，研究了復(fù)合阻尼材料基座的減振效果[9]。梅志遠對直骨架結(jié)構(gòu)和曲骨架結(jié)構(gòu)的夾芯復(fù)合材料基座模型進行了激振試驗，結(jié)果表明兩種結(jié)構(gòu)形式的夾芯復(fù)合材料基座均具有較好的隔振效果[10]。在船舶上用于安裝周期往復(fù)運動機械設(shè)備的基座結(jié)構(gòu)是振動傳遞到船體結(jié)構(gòu)的最重要通道，因此有必要對基座結(jié)構(gòu)采取阻尼減振措施和聲學設(shè)計[11，12]。本文介紹了丁基橡膠為基料的復(fù)合阻尼減振膠板的動態(tài)性能，對船舶基座進行了阻尼處理，開展了基座結(jié)構(gòu)的阻尼減振性能實驗研究。

2 丁基橡膠阻尼材料

丁基橡膠的工業(yè)化生產(chǎn)始于二十世紀40年代，具有優(yōu)良的氣密性，良好的耐熱、耐老化、耐酸堿等特性。丁基橡膠的彈性滯后較大，阻尼因子高，被廣泛地應(yīng)用于汽車內(nèi)胎、密封制品及減振材料等方面。丁基橡膠是異丁烯與少量異戊二烯單體經(jīng)催化聚合而制得的一種線型無凝膠的彈性共聚物，其分子結(jié)構(gòu)式如下：

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丁基橡膠的異丁烯單體分子含兩個甲基，聚合后分子鏈含有許多側(cè)甲基，彈性滯后較大，因而有明顯的阻尼作用，其阻尼損耗因子遠高于普通橡膠材料，因而被許多粘彈性阻尼材料選作為基體材料使用。丁基橡膠阻尼材料密度為920kg/m3，泊松比為0.4，材料的彈性模量和損耗因子隨著頻率而變化，常溫下的彈性模量和損耗因子如圖1所示。

圖1 丁基橡膠材料的損耗因子和彈性模量

以丁基橡膠為主體材料(基料)制得的復(fù)合阻尼減振膠板，采用傳遞損失阻抗管測得其隔聲量如圖2所示，在5 000Hz頻率范圍內(nèi)的平均隔聲量接近45dB，隔聲量低谷對應(yīng)的吻合頻率為396Hz。由于丁基橡膠的飽和度高，因而硫化速度較慢，加工性能和粘接性能(自粘性和互粘性)較差。氯化丁基橡膠(CIIR)和溴化丁基橡膠(BIIR)的出現(xiàn)成功地解決了這方面的難題。丁基橡膠經(jīng)氯化或溴化后成為氯化丁基橡膠(CIIR)或溴化丁基橡膠(BIIR)，它們具有與丁基橡膠基本相同的分子結(jié)構(gòu)，因此也具有與丁基橡膠類似的優(yōu)良性能，但卻克服了硫化速度慢、并用性差等缺點。圖3為鹵化后丁基橡膠與環(huán)氧樹脂、瀝青的損耗因子對比，不同溫度下鹵化丁基橡膠比丁基橡膠的損耗因子提高，并遠高于環(huán)氧樹脂、瀝青阻尼材料。

圖2 復(fù)合阻尼減振膠板的隔聲量

圖3 不同溫度下4種材料的阻尼損耗因子

3 基座結(jié)構(gòu)的阻尼減振實驗

基座是常用的動力機械設(shè)備支撐構(gòu)件，一般由面板、底板和腹板構(gòu)成，面板與設(shè)備相連，底板與基礎(chǔ)相連，從而將機械設(shè)備的振動傳遞到基礎(chǔ)。為探討丁基橡膠對結(jié)構(gòu)減振降噪的性能，采用模擬激振實驗方案，開展了鹵化丁基橡膠對基座結(jié)構(gòu)的阻尼減振性能對比實驗。

目前常用的減振效果評估指標有力傳遞率、插入損失、振級落差和功率流。為了便于實驗測量，通常采用插入損失或振級落差來評定實際系統(tǒng)的減振效果，而插入損失可直觀地表示阻尼處理前后結(jié)構(gòu)振動量級的下降值。

阻尼減振效果的加速度插入損失為

式中：LI為加速度插入損失(dB)；LBE為阻尼處理前結(jié)構(gòu)的振動加速度級(dB)；LAF為阻尼處理后結(jié)構(gòu)的振動加速度級(dB)。

振動加速度級的計算如下：

式中：La為振動加速度級(dB)；a為測點處的加速度(m/s2);a0為基準加速度值(a0=10-6m/s2)。

基座結(jié)構(gòu)由面板、腹板以及肋板(肋板1、肋板2、肋板3)組成，其中面板的基本尺寸為415×90×6mm，腹板為410×225×4mm，3塊肋板上、下邊長分別為75mm、192mm，厚度5mm，開孔直徑為50mm。為了考察基座向船體結(jié)構(gòu)的振動傳遞特性，將基座的腹板及3塊肋板的下邊緣線性焊接于船體板幾何中部(如圖4所示)，船體板的尺寸為1 000×890×5mm，底部均布加強筋，整個結(jié)構(gòu)材料為Q235碳鋼。

圖4 基座結(jié)構(gòu)及測點布置示意圖

為了考察阻尼材料的阻尼處理方式(即自由阻尼和約束阻尼)和處理部位對基座減振效果的影響，依次開展了以下6種工況的基座阻尼減振實驗：(1) 無阻尼層，即基座不經(jīng)過阻尼處理；(2) 肋板自由阻尼，即在3塊肋板的同一側(cè)進行阻尼處理；(3) 肋板約束阻尼，即在(2)的阻尼外表面再粘貼一層鋁箔(約束層)；(4) 肋板雙面約束阻尼，即在3塊肋板的兩側(cè)同時粘貼約束阻尼層；(5) 肋板、腹板雙面約束阻尼，即在3塊肋板、腹板兩側(cè)同時粘貼約束阻尼；(6) 基座整體及船體板約束阻尼，即在基座腹板和肋板兩側(cè)、面板底部以及與船體板上表面進行約束阻尼處理。采用激振器單點激勵的方法，激勵點選擇在面板的幾何中心位置處，激勵點和船體板上8個振動加速度測點的布置見圖4。

主要實驗儀器設(shè)備為丹麥B&K3 160型數(shù)據(jù)采集硬件前端和B&KPULSE信號分析系統(tǒng)；激勵系統(tǒng)由B&K3 160信號源、B&K2 707功率放大器以及B&K4 809激振器組成。由信號發(fā)生器產(chǎn)生白噪聲信號，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動激振器，激勵基座面板結(jié)構(gòu)。用阻抗頭、力、加速度傳感器同步采集振動信號。基座模型振動實驗示意圖如圖5所示。在實驗時，通過調(diào)節(jié)功率放大器的電流，使激振力的大小基本保持恒定。整個基座結(jié)構(gòu)用彈性繩懸掛于半空，使其近似自由狀態(tài)。

圖5 基座模型振動實驗示意圖

4 基座結(jié)構(gòu)的阻尼減振效果分析

經(jīng)測試激勵點位置至船體結(jié)構(gòu)振動的傳遞函數(shù)，利用半功率帶寬法[13]，得到基座模型的結(jié)構(gòu)損耗因子如圖6所示。結(jié)構(gòu)損耗因子的總體趨勢是隨頻率的增加而下降，粘貼復(fù)合阻尼減振膠板后，在500Hz～5 000Hz頻率范圍內(nèi)顯著提高，且隨著粘貼阻尼層面積的增大，結(jié)構(gòu)損耗因子有明顯提高。

圖6 基座模型的結(jié)構(gòu)損耗因子

圖7為肋板經(jīng)過不同阻尼處理后的加速度插入損失曲線。在32Hz～315Hz低頻段，阻尼處理后的插入損失變化不明顯，這是由于基座結(jié)構(gòu)的剛度較大，固有頻率較高，在該頻段阻尼處理對基座結(jié)構(gòu)的振動傳遞特性影響小；在315Hz～8 000Hz高頻段，約束阻尼比自由阻尼處理后的基座結(jié)構(gòu)振動插入損失增加，在1 600Hz頻率處約增加7dB，這表明從基座傳遞到船體板的振動加速度幅值明顯小于自由阻尼處理下的情況；肋板雙面約束阻尼處理后，基座的插入損失只在某些頻段下比單面約束阻尼處理明顯，總體效果并不明顯。

圖7 自由阻尼和約束阻尼處理后的插入損失對比

圖8為肋板雙面約束阻尼、肋板+腹板雙面約束阻尼及基座雙面+船體板約束阻尼3種工況下的加速度插入損失曲線。基座經(jīng)過約束阻尼處理后的插入損失主要體現(xiàn)在315Hz～8 000Hz高頻段，在低頻段的減振效果不明顯；腹板作為振動傳遞的重要途徑之一，在對其進行約束阻尼處理后，基座結(jié)構(gòu)的插入損失曲線明顯上升；在基座阻尼處理同時對基座四周的船體板布置約束阻尼層，可進一步消耗基座附近船體板的振動能量，提高阻尼減振效果。

圖8 三種阻尼處理后的插入損失對比

5 結(jié)論

經(jīng)丁基橡膠阻尼處理后，基座的結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子顯著增加。通過對比阻尼處理后的插入損失，可知約束阻尼比自由阻尼處理后的減振效果更明顯；在中高頻段內(nèi)為最佳，而在低頻段的減振效果則不太理想；振動的主要傳遞路徑為腹板及肋板經(jīng)過阻尼處理后，能明顯降低傳遞到船體板的振動加速度幅值；因此對于主要振動源為主機、輔機等動力機械設(shè)備，可在基座四周船體板上布置丁基橡膠約束阻尼層，以提高結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子，從而增加結(jié)構(gòu)阻尼減振效果。

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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

祝馳譽(1990-)，男，碩士研究生。

U661

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