編織-嵌槽型金屬橡膠的力學性能和阻尼性能

李 拓，白鴻柏，路純紅

（軍械工程學院，石家莊050003）

0 引 言

20世紀60年代，為解決空間飛行器的減振、過濾、密封等問題，前蘇聯薩馬拉國際航空航天大學設計并研制了一種彈性阻尼材料——金屬橡膠，其以金屬絲為原料，經過制備螺旋卷并對其進行定螺距拉伸、卷纏（或鋪設）、沖壓成型、后期處理等工藝制成［1］。金屬橡膠具有高彈性、大阻尼以及金屬的物理力學性能，已成為特殊環境下橡膠的替代品，在工程機械及航空航天等領域［2-7］得到了廣泛應用。

精密設備、儀器要求隔振器具有較寬的隔振頻帶，因此超低頻隔振逐漸成為了研究熱點。為滿足超低頻隔振的要求，金屬橡膠構件必須具備較低的剛度，而低剛度金屬橡膠構件的密度往往較低。當金屬橡膠構件的密度低于1g·cm-3時，其在實際應用方面存在一些不足，如：由于低剛度金屬橡膠構件的成型壓力較小，導致構件內部螺旋卷之間的勾連程度較低，結構松散，成型質量較差；松散的內部結構決定了低剛度金屬橡膠構件結構和性能的穩定性均較差，在使用過程中會產生較大的殘余變形，從而導致其使用壽命大大縮短。我國學者在金屬橡膠制備工藝方面進行了大量嘗試［8-10］，在一定程度上提高了金屬橡膠構件的性能，然而對低剛度金屬橡膠構件制備的研究仍處于起步階段。

軍械工程學院金屬橡膠工程研究中心提出的編織-嵌槽型金屬橡膠的制備工藝，解決了低剛度金屬橡膠構件成型質量差、結構和性能穩定性差、使用壽命短等問題。采用該方法制備的編織-嵌槽型金屬橡膠構件的宏觀形貌如圖1所示，它具有兩個比較顯著的特點，即高承載能力和低剛度，這使得它除了具備普通金屬橡膠的優點外，還具備了更佳的結構穩定性和更大的使用范圍，同時拓寬了隔振頻帶。

圖1 編織-嵌槽型金屬橡膠構件的宏觀形貌Fig.1 Macrograph of knitted-dapped metal rubber

為了解這種金屬橡膠的力學性能和阻尼性能，作者對其進行了靜態和動態力學試驗，研究了密度和厚度對其靜態剛度以及頻率、振幅、預壓載荷對其動態阻尼性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

首先將φ0.15mm的304不銹鋼金屬絲編織成金屬絲網，然后對其進行整形和壓槽處理，再將處理后的金屬絲網進行卷纏，使金屬絲網上的溝槽能夠完好地嵌合，最后進行冷沖壓成型，工藝參數如表1所示。

表1 不同試樣的工藝參數Tab.1 Process parameters of different samples

編織-嵌槽型金屬橡膠試樣的力學性能受到金屬絲材料、直徑以及試樣密度、厚度、溝槽深度和寬度、織網方式等因素的影響。由于編織-嵌槽型金屬橡膠為多孔材料且其在隔振過程中的受力方向主要為其成型方向，因此可以初步判斷，工藝參數中的密度和厚度對其力學性能的影響較大。

1.2 試驗方法

用WDW-T200型電子萬能試驗機進行靜態力學試驗，位移分辨率為0.001mm，最大試驗力為200kN；采用力控制方式，加載速率為15N·s-1，力目標值為700N，加載結束后保持2min，再以15N·s-1的速率卸載。試驗前，需要對試樣進行多次加、卸載，以保證其力學性能的穩定。

動態力學試驗采用的試驗系統由PLS-20型電液伺服試驗機和DH5936振動測試系統組成，該試驗系統可對試驗對象施加精確的正弦位移激勵；采用位移控制方式，對試樣2進行正弦位移激勵，分別改變激勵的頻率、振幅以及振動前的預壓載荷等參數，考察這三者對試樣動態阻尼性能的影響。

2 試驗結果與討論

2.1 密度對靜態剛度的影響

由圖2可知，隨著密度的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠的載荷-變形曲線逐漸向左偏移，即在變形量相同時，試樣的密度越大，其靜態剛度越大。產生這種現象的原因是，金屬橡膠構件在承受壓縮載荷時，其內部金屬絲的接觸形成過程往往開始于構件的最小密度區，且隨著壓縮載荷的增大擴展至大密度區［1］。而對于編織-嵌槽型金屬橡膠而言，其外部螺旋結構之間以及螺旋結構內部的金屬絲網之間均存在空隙，這些存在空隙的部分即為構件的小密度區，因此在壓縮初期，試樣的變形主要體現為外部螺距的減小以及螺旋結構內部金屬絲網間空隙的減小。對于相同厚度的試樣，試樣的密度越大，意味著其螺旋結構內包含的金屬絲網層數越多，因此其在壓縮初期發生變形需要的載荷就越大。另外，在試樣內部金屬絲網完全接觸后，試樣的密度越大，產生相同變形量時其內部金屬絲網的變形程度就越大，試樣內部的載荷就越大。

圖2 相同厚度、不同密度試樣的載荷-變形曲線Fig.2 Load-deformation curves of the samples with same thickness and different densities

2.2 厚度對靜態剛度的影響

由圖3可知，當變形量在6mm以內時，不同厚度試樣的變形情況基本相同；此后隨著變形量的增大，靜態剛度均呈增大的趨勢；試樣的厚度越大，其進入剛度硬化階段時對應的變形量就越大；進入硬化階段后，試樣的厚度越大，其靜態剛度的增速越緩。這主要是由于密度相同時，試樣的厚度越大，其成型方向上金屬絲網的層數就越多，試樣內部金屬絲網間的空隙也就越多，試樣內部金屬絲網發生完全接觸時的變形量就越大；進入硬化階段后，在增加相同變形量的條件下，與厚度小的試樣相比，大厚度試樣內部金屬絲網的平均變形量小，其內部載荷也較小。

圖3 相同密度、不同厚度試樣的載荷-變形曲線Fig.3 Load-deformation curves of the samples with same density and different thicknesses

2.3 振動條件對動態力學性能的影響

根據試樣2在振動頻率不同的正弦激勵下的試驗數據繪制滯遲回線，如圖4所示。可見，在不同的振動頻率下，試樣的滯遲回線基本重合。這說明編織-嵌槽型金屬橡膠的動態剛度和阻尼耗能受頻率的影響較小，性能較為穩定。

圖4 試樣2在不同振動頻率下的滯遲回線Fig.4 Hysteretic curves of sample 2under excitation with different frequencies and the amplitude of 1mm

根據試樣2在振幅不同的正弦激勵下的試驗數據繪制滯遲回線，如圖5所示。可見，隨著振幅的增大，滯遲回線逐漸向右傾斜（動態剛度依次為113，88，74kN·m-1），且包圍的面積（表示一個振動周期內損耗的能量，依次為0.007，0.021，0.058J）逐漸增大。這說明編織-嵌槽型金屬橡膠的動態剛度隨振幅的增大而減小，呈漸軟特性，阻尼耗能隨振幅的增大而增大。這主要是由于振幅較小時，試樣內部金屬絲之間不發生相對滑動或者相對滑動現象不明顯；隨著振幅的增大，金屬絲之間相對滑動的位移逐漸增大，同時振幅增大也導致了試樣變形程度增大，使振動過程中金屬絲之間的摩擦力增大，因此振動過程中損耗的能量也增多。

根據試樣2在預壓載荷不同時的試驗數據繪制滯遲回線，如圖6所示。可見，隨著預壓載荷增大，滯遲回線逐漸向左傾斜（動態剛度依次為35.27，157.42，269.87kN·m-1），且包圍的面積（一個振動周期內損耗的 能量，依次 為 0.061，0.171，0.249J）逐漸增大。這說明編織-嵌槽型金屬橡膠的動態剛度和阻尼耗能均隨著預壓載荷的增大而增大。這是因為預壓載荷越大，試樣的預壓變形量就越大，試樣在振動過程中的變形量也就越大。因此在位移相同的情況下，預壓載荷越大，振動過程中動態剛度的變化也就越劇烈，試樣內部金屬絲之間的摩擦力越大，損耗的能量也就越多。

圖6 試樣2在不同預壓載荷下的滯遲回線Fig.6 Hysteretic curves of sample 2under different pre-loads with the amplitude of 1.5mm and the frequency of 3Hz

3 結 論

（1）厚度相同時，隨著密度的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠的靜態剛度有增大的趨勢。

（2）密度相同時，隨著厚度的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠進入硬化階段對應的變形量越大，且靜態剛度在硬化階段的增速減緩。

（3）編織-嵌槽型金屬橡膠的動態剛度及阻尼耗能基本不隨頻率的變化而發生改變。

（4）隨著振幅的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠的動態剛度減小，呈漸軟特性，阻尼耗能逐漸增多。

（5）隨著預壓載荷的增大，編織-嵌槽型金屬橡膠的動態剛度和阻尼耗能均逐漸增多。

［1］切戈達耶夫.金屬橡膠構件的設計［M］.李中郢，譯.北京：國防工業出版社，2000.

［2］MARK Z，JOHN V.Experimental evaluation of a metal mesh bearing damper［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2000，122：326-329.

［3］BUGRA H E.Nonlinear dynamic characterization of oil-free wire mesh dampers［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2008，130：032503-1-032503-8.

［4］BUGRA H E.Compliant hybrid journal bearing using integral wire mesh dampers［J］.Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，2009，131：022503-1-022503-11.

［5］侯軍芳，白鴻柏，李冬偉，等.高低溫環境金屬橡膠減振器阻尼性能試驗研究［J］.航空材料學報，2006，26（6）：50-54.

［6］鄧吉宏，王珂，陳國平，等.金屬橡膠減振器用于發動機安裝減振的研究［J］.航空學報，2008，29（6）：1581-1585.

［7］馬艷紅，王虹，洪杰.帶金屬橡膠油膜環的自適應擠壓油膜阻尼器非協調響應研究［J］.航空動力學報，2009，24（2）：390-395.

［8］洪杰，朱彬，馬艷紅，等.金屬橡膠顆粒特性試驗［J］.北京航空航天大學學報，2012，38（2）：218-221.

［9］郝慧榮，白鴻柏，張慧杰.非圓截面絲金屬橡膠與普通金屬橡膠阻尼性能比較［J］.機械科學與技術，2009，28（2）：210-213.

［10］趙程，張軍，張恒.大絲徑65Mn金屬橡膠稀土硼碳氮共滲［J］.金屬熱處理，2009，34（2）：89-91.