金属橡胶阻尼环动刚度试验

摘要 金属橡胶阻尼环动刚度试验目的是探索金属橡胶的动力系数随激振频率变化的规律，本实验中金属橡胶阻尼环固定在直径为66mm的芯轴上，通过对外环施加恒幅定频激振，试验结果表明金属橡胶阻尼环的动刚度随频率上升而递减，并随着金属橡胶相对密度的增大而增大；而等效粘性阻尼系数随频率上升呈反比例函数递减；并随金属橡胶相对密度的减小而减小。

关键词 金属橡胶阻尼环；动刚度；试验研究

中图分类号TH117 文献标识码A 文章编号1674-6708（2012）81-0121-02

金属橡胶材料具有优良的阻尼性能。从1980年开始，金属橡胶（MR）材料在燃气透平发动机中被用作隔振器[1]。Okayasu等[2]用金属橡胶作为弹性支承对转子穿越临界转速起到减振作用。航空发动机工作在交变载荷的作用下，激振力的大小和方向随时间周期性的变化，因此获得影响金属橡胶动力特性的参数规律对于金属橡胶阻尼的工程设计是非常必要的，本文提出了一种金属橡胶环，描述了它的结构及动刚度试验台的设计，并通过动刚度试验研究了金属橡胶的动力特性随频率变化的规律。

1 金属橡胶阻尼环简介

金属橡胶阻尼环如图1所示，由外向内分别是外环、金属橡胶阻尼环、内环。

图1 金属橡胶阻尼环

2 MR金属橡胶阻尼环动刚度试验

2.1 动刚度试验原理

对于单自由度的机械系统来说，其系统运动幅值取决于激振力的方程为：

（1）

是金属橡胶阻尼环外环质量，和分别是外环等效粘性阻尼系数和刚度系数。对于单一激振频率，金属橡胶阻尼环的响应是，因此，方程（1）在频域内变为：

（2）

机械阻抗可表示为：

（3）

由阻抗的实部和虚部导出：

（4）

（5）

2.2 金属橡胶阻尼环动刚度试验及结果

根据动刚度原理，动刚度试验台如图2所示，基础平台上固定一个直径为66mm的芯轴，MR金属橡胶阻尼环试验器套在芯轴上，与轴间隙配合。在MR金属橡胶阻尼环的外环均布8个M5的螺纹孔，将其调节到和激振器相同的高度，连接激振杆，在180度方向上用加速度传感器拾振，通过DASP软件采集数据，将测得的加速度信号进行积分，得到位移信号。经过数据处理，获得动力特性。试验针对5种密度（0.13；0.10；0.08；0.06；0.04）的金属橡胶分别进行试验。

图2 MR金属橡胶阻尼环动刚度试验台

固定MR响应幅值20.3μm，激振频率为20Hz ～500Hz，以20Hz为步长增加。试验结果如图3所示。由动刚度曲线可以看出，当激振频率小于MR环固有频率时，动刚度随着MR密度的增大而增大；当激振频率大于MR环固有频率时，动刚度随着MR密度的增大而减小，当时，达到系统固有频率；随着MR密度的增大，系统固有频率增大。

图3 5种相对密度的金属橡胶阻尼环动刚度实部随激振频率变化规律

对于5种不同相对密度的金属橡胶，其等效粘性阻尼系数的变化规律如图4所示：

图4 5种相对金属橡胶等效粘性阻尼系数随激振频率的变化规律

由图4可知，对于相对密度≥0.08的金属橡胶阻尼环，其等效粘性阻尼系数随频率增加而显著下降，在高频段（300Hz～500Hz），下降趋势变缓；对于相对密度小于0.08的金属橡胶阻尼环，激振频率在（0Hz ～100Hz）时，等效粘性阻尼系数随激振频率呈反比例函数下降。当激振频率大于100Hz时，等效粘性阻尼系数下降至20Ns/m左右。这表明：金属橡胶材料的阻尼主要由金属丝间的摩擦产生，与其相对密度密切相关。金属橡胶相对密度越大，其阻尼效果越明显。

3 结论

本文通过对5种相对密度的金属橡胶环在单一频率下固定响应幅值进行激振，获得金属橡胶阻尼环的动态刚度阻尼随频率的变化规律。结果表明：金属橡胶阻尼环动刚度随频率呈抛物线规律下降，在系统固有频率处动刚度值为零；金属橡胶相对密度增大使系统固有频率增大。整体上，其等效粘性阻尼系数呈现下降的趋势；这表明金属橡胶材料的阻尼效果随激振频率的增加而减弱；对于不同相对密度的金属橡胶阻尼环，影响其阻尼效果的主要是金属丝之间的干摩擦作用。

参考文献

[1]Ao， H.， Jiang， H.， Wei， W.，2 006， “Study on the Damping Characteristics of MR Damper in Flexible Supporting of Turbo-Pump Rotor for Engine，” First International Symposium Systems and Controls in Aerospace and Astronautics， Harbin， China， pp. 618-622.

[2]Okayasu， A.， Ohta， T.， Azuma， T.， Fujita， T.， and Aoki， H.， 1990，“Vibration Problems in the LE-7 Liquid Hydrogen Turbopump，”AIAA Paper No.AIAA-1990-2250.