李靖飞,樊文欣，史曹杨，马艺霖

(1.中北大学机械工程学院， 太原 030051； 2.陆军装备部北京地区军代局驻大同地区军代室， 山西 大同 037000)

1 引言

金属橡胶材料是一种由不锈钢金属丝经过一定的编织工艺形成的新型减振材料，将金属橡胶填充在各种设备的缝隙、管道处能够有效起到减振、密封、降噪的作用。金属橡胶构件已经广泛应用于国防武器装备领域当中，用其作隔振器的弹性阻尼元件可以获得较好的隔振效果，并且金属橡胶材料具有抗冲击能力强、阻尼大、能适应强辐射环境、耐高低温、耐疲劳老化、可靠性强等优点。金属橡胶材料根据编织工艺不同可以分为金属橡胶和金属丝网(金属橡胶材料为金属丝网与金属橡胶的统称，金属橡胶专指金属橡胶以作区分)，其中金属丝网是由金属丝编织成金属丝网垫再冷冲压制成的弹性多孔材料。对于金属橡胶这种隔振材料振动特性的研究，国内外学者展开了大量的研究。其中以哈尔滨工程大学的邹广平教授的研究最具代表，其针对金属丝网单种材料振动特性的影响因素及变化规律进行了较多研究，董万元等学者针对金属丝网与金属橡胶2种材料开展静态压缩特性这方面的研究。但目前针对2种金属橡胶材料的振动特性还没有相关方面的研究，其实这2种材料不仅仅是制作工艺和内观特征这方面有差异，其动态力学性能也有着很大的不同。本项目中针对由不同编织工艺制成的金属丝网与金属橡胶的振动特性展开进一步的研究。

2 金属丝网与金属橡胶对比

金属橡胶与金属丝网都属于非线性干摩擦阻尼材料。虽然二者的力学性能特征相似，但其动态力学性能有着很大的差异。2种材料根本上的区别在于编织工艺的不同，金属橡胶材料制作工艺流程为：首先将选取的金属丝通过弹簧缠绕设备卷绕成一根根规格参数相同的金属丝螺旋卷，然后通过绕簧机将成型螺旋卷定螺距拉伸、缠绕成金属橡胶毛胚，最后将其放入特制模具中经过液压机冷压成型制成金属橡胶试件如图1所示。

图1 金属丝螺旋卷与金属橡胶试件图Fig.1 Spiral coil of metal wire and metal rubber test piece

金属丝网材料制作工艺流程为：首先将选取的金属丝按照一定规则编织成矩形且厚度均匀的平面金属丝网垫，然后将金属丝网垫均匀缠绕到成型中心轴上，最后将其填充于模腔，经模具冷冲压成型如图2所示。

图2 金属丝网垫与金属丝网试件图Fig.2 Wire mesh pad and wire mesh test piece

虽然2种材料内部结构都类似于橡胶聚合物空间网格结构，但仔细观察比较两者细观特征还是有很大的不同。金属橡胶构件内部丝与丝之间相互勾联，组织错综复杂。其内部有缠绕、相互挤压、错位摩擦等多种接触方式，形成三维网状结构。因此金属橡胶构件可以看作是许多微元弹簧轴向或径向，串联或并联在一起的网状结构，其具有高分子材料的特性，因而命名为金属橡胶。金属丝网构件的金属丝与丝之间交叉平铺成波浪似的网状，通过一定的纹路规则将网状结构一层层的平铺成金属丝网构件。丝与丝之间的接触方式多为交叉、挤压。

3 试验设计

3.1 试验材料及隔振器设计

本实验选取自行设计的2种金属橡胶隔振器中的弹性元件即金属橡胶网块与金属丝网网块。本实验基于控制变量的原则，2种网块丝材、形状、尺寸大小、相对密度都相同，具体参数见表1所示。下网块为环形柱状结构，如图3所示(上网块除高度为15mm外，其余参数与下网块皆相同，单位mm)。

表1 金属橡胶(丝网)结构参数Table 1 Structural parameters of metal rubber (wire mesh)

图3 金属橡胶(丝网)网块图Fig.3 Two dimensional view of metal rubber (wire mesh) mesh block

金属橡胶隔振器主要由轴、座、盖、上网块、下网块5部分组成如图4所示。其轴、座、盖包围起来的内部空间包含上下2个金属橡胶网块。

图4 金属橡胶隔振器结构示意图Fig.4 Structural diagram of metal rubber vibration isolator

3.2 试验台架

本次实验选用了由苏式实验仪器有限公司生产的DC-10000-10型号的电动式振动台系统。该系统达到了国际先进的技术水平，设备具有低频失真小，承载能力强的优点，工作稳定可靠。电动式振动台及隔振器安装如图5所示。本次扫频实验系统主要由振动台、振动控制仪、数据采集分析仪INV3020C、功率放大器、电荷放大器、压电式加速度传感器CA-YD-186，计算机等装置组成。振动试验原理如图6所示。

图5 振动台及隔振器装置图Fig.5 Installation drawing of vibration table and vibration isolator

图6 振动试验原理示意图Fig.6 Schematic diagram of vibration test

3.2 试验方案

参考同类别金属橡胶隔振器的技术指标要求及工况条件，选择与其相似的实验条件，制定本次金属橡胶橡胶隔振器正弦扫频振动实验方案。实验中隔振器上方的配重块为400 kg，扫频方式为对数扫频，控制通道灵敏度设置为300 mV/g，扫频循环范围为5 Hz-500 Hz-5 Hz，输入的最大振幅限定为12.7 mm，一次循环时间设为15 min，循环次数定位4次，扫频包线段(拐点)设为两段，设定正弦扫频实验量级为2 g。

扫频实验中，电动式振动台激振控制方式为加速度控制，即输入加速度为定值。加速度增加阶段为位移控制，输入加速度达到设定值后改为加速度控制。控制方式由位移控制改为加速度控制处称为拐点。根据实验量级和位移可以求得拐点处对应的频率其表达式为

(1)

式中：为扫频试验拐点处频率，Hz；为激振量级，g；为振动幅值，mm。

表2 激励为2 g时扫频实验目标谱的设置参数Table 2 Setting parameters of target spectrum of frequency sweep experiment when the excitation is 2 g

4 试验结果分析

通过正弦扫频振动试验可以获得2种材料隔振器的传递函数、固有频率等振动特性表征参数。表3、表4分别为2种材料在不同振动量级下的振动特性参数表。

表3 金属橡胶隔振器在不同振动量级下振动特性参数Table 3 Vibration characteristic parameters of metal rubber isolator under different vibration orders

表4 金属丝网隔振器在不同振动量级下振动特性参数Table 4 Vibration characteristic parameters of wire mesh isolator under different vibration orders

4.1 编织工艺对传递函数的影响

图7为装有金属橡胶和金属丝网的金属橡胶隔振器在振动量级为2 g的试验条件下的传递率函数曲线。从其中可以看到金属橡胶的传递率函数曲线图在频率为29 Hz左右处达到峰值，此时传递率为291.133%，金属橡胶相比于金属丝网更早达到峰值。当频率为55 Hz时，金属橡胶传递率小于1，金属橡胶隔振器率先进入隔振状态，而金属丝网隔振器在频率为140 Hz左右处进入隔振状态，因此金属橡胶能够比金属丝网提前进入隔振状态。图8为隔振器在3 g、4 g振动量级下传递函数曲线，试验结果显示随着量级的增大，金属橡胶隔振器依旧比金属丝网先到达峰值，并且率先进入隔振状态。这说明在相同试验条件下，金属橡胶隔振器始终比金属丝网的隔振效率好；并且随着试验量级增大，2种材料传递函数曲线向左移动，峰值下降。

图7 振动量级为2 g时传递函数曲线Fig.7 Transfer function curve when the vibration magnitude is 2 g

图8 振动量级为3 g、4 g时传递函数曲线Fig.8 Transfer function curve when the vibration magnitude is 3 g or 4 g

4.2 编织工艺对固有频率的影响

图9为装有金属橡胶和金属丝网的金属橡胶隔振器在振动量级为1～7 g的试验条件下的固有频率-振动量级曲线。从图9中可以看到，金属橡胶隔振器固有频率在任一振动量级试验条件下总是低于金属丝网隔振器的固有频率。分析2种材料的细观特征，可以从侧面看到金属丝网内金属丝呈波浪状线型，沿环形层叠分布，丝与丝之间并排挤压，因此金属丝网内部空间狭小，刚度较大。由固有频率与刚度之间的关系表达式

图9 不同振动量级下固有频率-振动量级曲线Fig.9 Natural frequency vibration magnitude curve under different vibration magnitude

(2)

可知固有频率与刚度成正比，因此刚度较大时，会导致固有频率增大；而金属橡胶侧面显示金属丝之间折弯成小圆头，丝与丝之间咬合、勾联呈无序分布，因此金属橡胶内部有较多孔洞缝隙，刚度较小时，导致固有频率较小。同时可以看到随着振动量级的增加，金属橡胶隔振器与金属丝网隔振器的固有频率都呈现不同程度的下降趋势，这是由于随着振动量级增大，网块内部金属丝之间滑移、挤压现象增多，隔振器产生刚度软化和阻尼增强效应，导致网块固有频率下降。并且下降幅度不断减小。当振动量级达到5 g之后，两者固有频率都基本维持不变，2种隔振器都表现出稳定的隔振性能。

4.3 编织工艺对阻尼比的影响

在频率域中通常用半功率法来计算阻尼比，阻尼比反映了金属橡胶材料阻尼性能的大小。图10为装有金属橡胶和金属丝网的金属橡胶隔振器在振动量级为2～7 g的试验条件下的阻尼比变化曲线。图10中金属橡胶阻尼比略高于金属丝网，且金属橡胶与金属丝网阻尼变化趋势基本一致，随着试验振动量级的加大，阻尼比先增大后趋于稳定。这是因为金属橡胶内部空间缝隙相对金属丝网较多，金属丝滑移空间大，滑动摩擦较强烈，耗能能力较强，所以其阻尼比较大。当振动量级增大时，金属橡胶材料内部金属丝之间受力增大，丝与丝之间摩擦现象增多，隔振器耗散能量的能力增强，所以随着振动量级增大，金属橡胶与金属丝网的阻尼比均呈增大趋势，但这种趋势不会一直保持，当振动量级到达6 g之后，此时的金属橡胶材料进入硬特性变形阶段，金属橡胶材料刚度变得很大，隔振器耗能能力下降，阻尼比呈下降趋势并趋于稳定。

图10 不同振动量级下阻尼比变化曲线Fig.10 Damping ratio vibration magnitude curve under different vibration magnitude

5 结论

依据金属丝网与金属橡胶2种材料不同的编织工艺和细观特征预测了2种材料不同的振动特性。通过正弦扫频试验论证了2种材料具有不同振动特性的预测。在结构参数(丝径、预紧量、相对密度)与试验条件相同的前提下，金属橡胶比金属丝网能提前进入隔振状态，传递率较低，即隔振效率较高；金属橡胶固有频率较小；金属橡胶阻尼性能更好，耗能能力更强。隔振器工作环境要求激振力为2 g左右，激振频率为130～160 Hz，图7中显示此时金属橡胶的传递率为35%，而金属丝网隔振器的传递率为91%。因此金属橡胶相比于金属丝网具有更优异的隔振性能。金属橡胶隔振器更适合在发动机悬置系统这种高强度，大载荷的环境中工作。