金属橡胶技术在转子支承系统中的阻尼减振应用研究

摘要： 介绍了金属橡胶材料的阻尼减振性能，重点阐述了金属橡胶技术在转子支承系统中阻尼减振的应用，同时对金属橡胶构件在转子支承系统中应用的未来发展趋势进行了展望。

关键词： 金属橡胶；阻尼减振；转子支承系统

中图分类号：F767.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）17-0059-02

0 引言

金属橡胶材料起源于二十世纪70年代初期的前苏联，是通过将具有一定质量的、拉伸开的、螺旋状的金属丝有序地排放并制成毛坯，然后用冷冲压成型并经热处理而成的新型精细结构材料[1]。由于其内部有很多孔洞，既呈现类似橡胶材料的弹性和阻尼性能，又保持着金属的优异特性，俗称金属橡胶（Metal Rubber）。目前，俄罗斯在这个研究领域处于领先地位，并已经广泛的应用于航空航天等领域[2]。我国对金属橡胶技术研究虽然仅有十几年的时间，却得到了越来越多的重视，并已经在大型工业设备的减振密封领域和航天航空等领域得到了实际应用。金属橡胶的制备工艺、相关理论和性能特点等已经开始被广泛研究，本文作者通过分析、总结相关研究文献，重点介绍了金属橡胶在转子支承系统中阻尼减振方面的应用研究。

1 金属橡胶的阻尼减振性能

金属橡胶内部呈现出金属丝相互交错勾联形成的空间网状结构，这种类似橡胶的大分子链状形态使他它具有一定的刚度，振动时金属丝之间产生挤压、滑移和干摩擦，又可以耗散大量的振动能量，从而起到阻尼减振的作用[1]。与橡胶材料不同的是，由于金属橡胶的原材料及制造工艺和橡胶材料存在巨大的差异，二者之间所表现出来的弹性阻尼变化规律也就存在着明显的不同。由于金属橡胶材料的稳定性和硬度几何特性，保证了其弹性阻尼特性主要受载荷频率和变形幅值的影响，而受环境温度的影响很小。

2 金属橡胶在转子支承系统中的阻尼减振应用

由于金属橡胶阻尼减振构件具有阻尼性能好、重量轻、且易制成各种形状、环境适应能力强、可调节刚度等一系列优点，在高速旋转机械中的得到了成功的应[2-4]。王新、朱梓根等[5]在1997年开发出了一种环形金属橡胶减振器阻尼器（RMRD）并用于转子支承系统。实验研究表明，这种金属橡胶减振阻尼器具有很好的减振性能，甚至超过了挤压油膜阻尼器，而且有效地解决了非线性问题。郭宝亭等人[4]通过把环形金属橡胶减振器与折叠式鼠笼弹支形成组合支承，这种折返式鼠笼弹支主要来提供组合弹支的刚度，而金属橡胶材料结构提供阻尼和部分刚度，即主要利用金属橡胶材料的刚度特性的线性段和软特性段。随着转速的不断增大，当转速达到某阶临界转速时，振动达到最大，此时可以充分发挥金属橡胶材料结构的阻尼耗能作用，降低和减弱转子在临界转速时的振动。同时增大转子系统的阻尼，抑制转子系统的自激振动，提高失稳阈值转速。郭等人还把该组合支承应用在了氢涡轮泵转子上，试验研究及理论分析结果表明，金属橡胶减振器减振效果十分明显，与其它类型的减振阻尼器相比，具有制作工艺、安装条件几乎不受限制的特点。马艳红[6]提出了一种带有金属橡胶外环的自适应挤压油膜阻尼器，该阻尼器油膜外环是金属橡胶制成，油膜力和金属橡胶弹性环复杂的流固耦合作用改善了系统高度非线性，研究表明：这种自适应挤压油膜阻尼器能够更好的抑制转子系统的非协调响应，具有更好的减振效果。

姜洪源等在2009年提出了一种新型金属橡胶挤压油膜阻尼器（SFD/MR）[7]。该阻尼器的与传统的挤压油膜阻尼器相比，具有充分能够利用金属橡胶弹性阻尼与节流特性的突出特点，在该阻尼器的可动外环与壳体之间安装了金属橡胶弹性环，轴颈与可动外环的轴向端面安装了金属橡胶端部密封环。金属橡胶环弹性特性能有效地改善系统的非线性，一定程度上缓解了传统挤压油膜阻尼器的刚度非线性问题。谢振宇等[8]在磁悬浮轴承柔性转子系统中同时引入磁悬浮阻尼器和金属橡胶环，通过系统高速旋转实验分析并理论分析了金属橡胶环和磁悬浮阻尼器对系统不平衡振动的影响，结果表明，金属橡胶环和磁悬浮阻尼器的同时引入，可以减小转子在整个转速范围内的不平衡振幅，保障系统可靠的运行。李胜波等[2]建立了金属橡胶构件迟滞回线边界变形过程力学模型，针对不同相对密度金属橡胶构件，推导了出了非线性迟滞恢复力表达式。同时对金属橡胶阻尼环进行了实验研究，分析了简谐激励载荷作用下阻尼环动力学的特性，并把该阻尼环用于圆锥滑动轴承-转子实验系统[3]，研究了在不平衡力等径向载荷和轴向载荷作用下，轴向力对金属橡胶阻尼器刚度和能量好散系数的影响，为进一步研究金属橡胶阻尼环在转子支承系统上的应用奠定了基础。

3 结语

目前，无论是在实验方面还是理论方面，尽管研究人员已经对金属橡胶材料及其在转子支承系统方面应用的研究取得了一定的进展，但由于金属橡胶材料在国内发展时间较短，许多方面的研究还不够成熟，需要进一步深入研究：例如，由于金属橡胶的结构和制造工艺的特殊性，在制造过程中金属丝螺旋圈直径、螺旋卷的拉伸缠绕方式、最后冷压成型的压力、保持时间、压制速度等都是影响金属橡胶构件性能的主要因素，这些因素的变化都可能使金属橡胶模型参数存在着不确定性，在使用过程中由于预紧力的变化，摩擦磨损等因素的影响，都将导致其模型参数产生不确定性，因此要想设计出更具鲁棒性的振动抑制系统，就必须探索新的设计方法及理念。

参考文献：

[1]李玉龙，何忠波，白鸿柏等.金属橡胶的研究及应用进展[J]. 兵器材料科学与工程，2011，34（1）：101-108.

[2]李胜波，闫辉，姜洪源，陈亮.应用于高速转子系统的金属橡胶阻尼环动力特性分析[J].物理学报，2012（01）.

[3]李胜波，闫辉，姜洪源等.圆锥滑动轴承-转子系统中金属橡胶阻尼器力学性能研究[J].功能材料，2011，42（1）.

[4]郭宝亭，朱梓根.金属橡胶阻尼器在转子系统中的应用[J]. 航空动力学报，2003，18（5）：663-668.

[5]王新，朱梓根.环形金属橡胶减振器[J].航空动力学报，1997， 12（2）：143-145.

[6]马艳红.金属橡胶外环自适应挤压油膜阻尼器实验研究[D].北京航空航天大学硕士学位论文，2002：55.

[7]张蕊华，姜洪源，夏宇宏，等.金属橡胶挤压油膜阻尼器刚度分析[J].湖南科技大学学报，2009，24（1）：28-31.

[8]谢振宇，牟伟兴，窦忠才，黄佩珍.金属橡胶环和磁悬浮阻尼器对磁轴承转子系统不平衡振动的影响[J].中国机械工程. 2010，21（6）.