T型減振墊徑向壓縮量對減振墊性能的影響*

郭瑞毅，涂春潮，任玉柱，陳子昂

(1.中國航發北京航空材料研究院，北京 100095；2.中國航發北京航空材料研究院有限公司，北京 100095)

T型減振墊通常由金屬套筒、橡膠墊、金屬墊片等構成。由于其安裝方便、可靠性高、使用壽命長、價格低廉等優點被大量用于電器[1]、電子設備[2]、慣導控制[3]、航空航天[4]等系統。和所有橡膠類減振器一樣，其可以通過改變橡膠配方的方法改變橡膠模量，從而改變減振器的諧振[5-7]，然而不利的是橡膠材料的多種力學性能與溫度也有著密切的關系，在不發生相變的前提下，隨著溫度的升高，橡膠材料的彈性模量不斷降低[8]，摩擦因數也與溫度關系密切[9-11]。因此，通常橡膠制品隨溫度變化，產品性能波動較大。在實際應用中，楊殊珍等[12]指出，隨著環境溫度的增加，橋梁用橡膠隔振器的動剛度和阻尼系數均逐漸減小；劉迪輝等[13]指出，溫度對于車用分動箱橡膠隔振器力學性能有較大的影響，溫度升高，分動箱隔振器的動剛度和阻尼系數逐漸減小。因此，尋找降低橡膠減振器溫度敏感性的方式就顯得十分必要。此外，由于橡膠材料模量的非線性特點[14]，T型減振墊也可以通過改變套筒或者橡膠體尺寸的方式改變橡膠墊的壓縮量，從而影響橡膠墊表現出的模量，進而影響動態性能[15]。也正是由于橡膠T型減振墊的可調節參數較多且隨環境變化較大，因此，設計使用時如何合理選擇壓縮量參數就顯得十分重要。本文通過測試不同徑向壓縮率的減振墊在不同溫度點下的動態性能，并根據試驗結果給出優化的徑向壓縮率設計準則，為今后T型減振墊的選型和設計提供指導。

1 試驗

1.1 試件

JZT-3減振墊(北京航空材料研究院產品)單只額定載荷為1 kg。JZT-3減振墊(見圖1)的套筒部分為不銹鋼材質，橡膠體與套筒兩者之間為接觸關系。減振墊安裝在被減振物(負載)與夾具之間(見圖2)，利用橡膠體的粘彈性特點實現減振。

圖1 JZT-3減振墊等軸爆炸視圖

圖2 JZT-3減振墊安裝方式示意圖

試驗中通過調整橡膠體內徑的方式改變壓縮量，從而討論了徑向壓縮量對減振墊性能的影響。其尺寸及對應徑向壓縮量見表1。

表1 JZT-3減振墊部分尺寸及對應徑向壓縮量

徑向壓縮率定義如下：

(1)

1.2 試驗設備

DC-4000-40電動振動試驗系統，蘇州蘇試實驗儀器股份有限公司；ETHV-1200-70-30H恒溫恒濕試驗箱，巨孚儀器工業股份有限公司。

1.3 試驗方法

振動試驗條件：試驗類型為隨機振動試驗，試驗時間為5 min，試驗譜如圖3所示。

圖3 振動試驗方法

試驗方法及測量參數定義：將減振墊安裝在負載上，并通過螺釘安裝在夾具上組成測試系統，將測試系統固定在測試振動臺上進行振動試驗。常溫試驗在室溫(25 ℃±5 ℃)條件下進行；高低溫試驗將整個測試系統放入恒溫恒濕箱內并調節至指定溫度(T)，待溫度穩定后保溫1 h，在溫度T下進行振動試驗。輸出響應最大值對應的頻率定義為諧振頻率(ft)。諧振頻率點輸出與輸入振動量級比值的平方根值為放大倍數(Dt)。

2 試驗結果及分析

2.1 徑向壓縮量對室溫諧振頻率的影響

諧振頻率是整個減振系統剛度的綜合表現。隨著徑向壓縮量的增大，徑向諧振頻率有增大的趨勢(見圖4)，這主要是由于橡膠材料為非線性材料，隨著應變增大，橡膠材料的模量會不斷增大。此外，軸向諧振也出現了明顯的增大趨勢，這是由于隨著徑向壓縮量的增大，軸向摩擦力也會逐步增大，同時由于橡膠體為近似不可壓縮體，因此壓縮徑向時軸向壓縮量也有一定的增加。也正是由于軸向和徑向諧振頻率增大的原因不同，因此徑向諧振頻率的增速明顯快于軸向諧振頻率的增速。比較特殊的是當壓縮量達到8.1%時，由于摩擦力的阻礙，安裝變得十分困難，因此減振墊將無法達到理想的安裝狀態，從而軸向的諧振頻率出現了些許降低。同時，由于壓縮不均問題的出現，減振墊徑向諧振頻率出現明顯的離散傾向，這一現象十分不利于產品的一致性。

圖4 不同壓縮率下減振墊諧振頻率

2.2 徑向壓縮量對室溫放大倍數的影響

放大倍數是整個減振體系阻尼性能的綜合表現。圖5所示，隨著徑向壓縮量的增大，減振墊放大點振動位移降低，從而使得橡膠的形變降低，更小的橡膠形變在相同阻尼材料的前提下意味著更小的能量損耗，最終表現為徑向放大倍數的增大。特殊的是當壓縮量達到8.1%時，減振墊徑向的放大倍數出現了明顯降低，這是由于壓縮量過大時，減振墊安裝后小臺部分無法完全安裝入法蘭板孔內，安裝孔內參與振動的橡膠體部分減少，增大了單位面積橡膠體承載，從而使得諧振頻率降低并且放大倍數降低。此外也可以看出，隨著壓縮量的增大，徑向放大倍數的離散性更加明顯，這也是由于摩擦力的引入使得橡膠體在安裝孔內周向的分布無法做到完全均勻，并且當有壓縮時減振墊的橡膠體還可能發生不規則的折疊，從而使得徑向放大倍數出現更大范圍的波動。

圖5 不同壓縮率下減振墊放大倍數

減振墊的軸向放大倍數由橡膠體本身的粘彈性和接觸界面間的相對滑動摩擦共同影響。壓縮量越大，摩擦力越大，但過大的摩擦力將阻礙相對滑動距離，因此由摩擦造成的能量損耗降低；壓縮量過低時，過小的摩擦力雖然滑動距離較大，但滑動距離還受到軸向橡膠墊本身的約束，從而摩擦力做功也降低。因此，徑向壓縮量只有在合適時才能提供最大的能量損耗，使得放大倍數最小，由試驗可知，放大倍數最小點為壓縮量2.6%。

2.3 徑向壓縮量對軸向高低溫諧振頻率的影響

圖6所示為不同徑向壓縮率減振墊在不同溫度點下的諧振頻率。文中使用的減振器橡膠材料無結晶性，玻璃化轉變溫度低于-100 ℃，因此測試段減振墊為橡膠態，然而其模量依然會隨溫度變化發生改變，從而影響減振墊的諧振頻率，通常高溫條件下模量降低，低溫條件下模量升高，模量越高，諧振頻率越高。對于研究的減振墊的軸向諧振頻率，這一理論在壓縮量小于2.6%時是成立的，但在壓縮量達到5.4%時，這一規律便無法完全解釋諧振頻率的變化。出現這一現象主要是由于橡膠材料的熱膨脹系數相較于金屬要高出一個數量級，當溫度降低時，由于橡膠體的收縮較金屬更多，這相當于同時降低了減振墊的軸向和徑向壓縮量，更低的軸向及徑向壓縮量意味著更低的諧振頻率，這與低溫對模量的改變從而對諧振頻率的影響相互拮抗，綜合表現為減振墊在5.4%壓縮量以上時，-40 ℃的諧振頻率低于常溫的諧振頻率。類比可知，高溫情況下模量降低與橡膠體積膨脹造成的諧振頻率的變化也是相互拮抗的，因此在徑向壓縮量為8.1%時，60 ℃下軸向諧振頻率甚至高于常溫諧振頻率。有趣的是，徑向壓縮量在2.6%～5.4%之間某處，由于模量與熱膨脹之間對諧振頻率的拮抗作用，-40 ℃、60 ℃和常溫下的諧振頻率將會非常接近，也就是減振墊軸向諧振頻率對溫度的變化不那么敏感。利用這一特點可以十分簡便地克服橡膠減振墊易受環境溫度影響的缺點，從而應用于需要在大溫度范圍內保持諧振頻率相對穩定的產品中。

圖6 不同溫度及徑向壓縮率下減振墊軸向諧振頻率

2.4 徑向壓縮量對徑向高低溫放大倍數的影響

圖7所示為不同徑向壓縮率減振墊在不同溫度點下的放大倍數。由于溫度的升高，橡膠材料中分子間相互作用力降低，分子內摩擦損耗降低，橡膠材料的阻尼能力隨溫度升高而降低，因此總體來看，在大多數壓縮率條件下，隨著溫度升高，放大倍數均較大。在相同的溫度下，當徑向壓縮率為2.6%時會出現放大倍數的降低，這是由于在壓縮量低于2.6%時，滑動摩擦造成的阻尼是減振墊軸向阻尼的重要組成部分，徑向壓縮量越大，摩擦力越大，能力損耗越高；然而當徑向壓縮量過大時，滑動摩擦將轉變為靜摩擦，摩擦阻尼消失，使得減振墊的放大倍數增大。此外，因為摩擦力受徑向壓縮量和摩擦因數共同影響，溫度越低，摩擦力越小，因此溫度越高，摩擦力造成的放大倍數的變化越大，表現為2.6%壓縮率時放大倍數的下凹更加明顯。

圖7 不同溫度及徑向壓縮率下減振墊軸向放大倍數

3 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)徑向壓縮量不僅會對減振墊的徑向性能產生影響，對減振墊軸向全溫范圍內諧振頻率和放大倍數也會產生復雜的影響。

2)為了保證產品安裝的一致性，徑向壓縮量不宜大于5.4%。

3)當徑向壓縮量為2.6%～5.4%時，減振墊軸向諧振頻率受溫度的影響明顯降低，可以用于對諧振頻率敏感且有高低溫需求的部件中。

4)2.6%徑向壓縮量下可以為軸向增加阻尼，降低放大倍數。