黏彈性阻尼器硅油中氣泡的存在對其阻尼性能的影響

楊偉新，王金舜，王 平

（中國航空動力機械研究所 航空發動機振動技術航空科技重點實驗室，湖南 株洲 412002）

黏彈性阻尼器硅油中氣泡的存在對其阻尼性能的影響

楊偉新，王金舜，王 平

（中國航空動力機械研究所 航空發動機振動技術航空科技重點實驗室，湖南 株洲 412002）

為了研究某型直升機尾傳動軸組件黏彈性阻尼器硅油中存在氣泡對其阻尼性能的影響，分別對兩種阻尼器結構進行試驗，其中一種阻尼器硅油膠囊中硅油存在一定長度的氣泡，另一種基本上沒有氣泡。通過振動臺對帶軸承支座的兩種結構阻尼器進行激振，比較了兩種阻尼器結構在相同激勵下耗散能量的能力。同時為模擬阻尼器在直升機上的實際工況條件，還比較了兩種阻尼器結構耗散能量的能力隨載荷變化的情況。研究結果表明，黏彈性阻尼器硅油中存在氣泡將會降低其阻尼性能。

振動與波；黏彈性阻尼器；硅油；氣泡；阻尼性能

阻尼性能是材料在機械振動過程中周期性加載下消耗應變能的一個量度[1-2]，在經受動態應力和應變時，能量的轉換和耗散就表現為機械阻尼，具有減振和降噪的作用[3-4]。另外，粘彈性阻尼器靈敏度較高，結構稍一振動，它就能馬上耗能[5]，近年來，黏彈性阻尼器已成為抑制機械結構振動響應和降低結構噪聲輻射的重要工具。

目前，帶有流體的黏彈性阻尼器使用比較多的阻尼材料是液壓油，但是由于液壓油溫度升高時，其黏度會顯著下降，為了克服工作過程中由于溫度升高導致的阻尼材料黏度下降的缺點，選用黏溫系數小、性能優異的硅油作為阻尼材料[8]。

黏彈性阻尼器作為直升機尾傳動軸組件的支撐裝置，除了為密封深溝球軸承提供安裝定位之外，還能夠吸收振動能量，減少尾傳動軸與機身之間的振動傳遞。因此，黏彈性阻尼器的阻尼性能對尾傳動軸組件的動力學特性有著重要的影響。其中，阻尼器硅油中氣泡的存在,特別是氣泡較多的情況下,將會對阻尼器的性能產生比較明顯的影響。在往阻尼器硅油膠囊注射硅油過程中，很容易將空氣混入從而形成氣泡。另外，直升機長時間的飛行也會出現硅油泄露使硅油中存在氣泡。某型直升機在試飛過種中出現尾水平軸振動超限現象，經拆解發現尾水平軸的黏彈性阻尼器出現硅油泄露，導致硅油中存在大量的氣泡。為了解硅油中氣泡的存在對黏彈性阻尼器阻尼性能的影響，文中通過阻尼特性振動試驗對比兩種結構的黏彈性阻尼器在指定激勵條件下的耗散能量的能力，從而分析出硅油中氣泡對結構阻尼性能的影響。

1 試驗方案

某型直升機尾傳動軸組件黏彈性阻尼器是由軸承外襯套、硅油膠囊及硅油膠囊加油口三部分組成，其結構示意圖見圖1。

圖1 黏彈性阻尼器結構示意圖

將黏彈性阻尼器安裝在軸承支座外圈上，保持黏彈性阻尼器的注油嘴朝上，并通過軸承支座內圈與外圈將其固定，裝配示意圖見圖2。

圖2 黏彈性阻尼器的裝配示意圖

模擬黏彈性阻尼器在直升機尾傳動軸組件上的安裝狀態，將黏彈性阻尼器及試驗模擬件通過試驗夾具安裝在振動臺上。進行阻尼特性振動試驗時，在黏彈性阻尼器中安裝一個芯棒（芯棒是為了模擬傳動軸，其質量與傳動軸相同），芯棒的外圓與黏彈性阻尼器上軸承外襯套內圓面配合，以符合阻尼器的實際安裝狀態。另外，通過振動臺對黏彈性阻尼器進行激振以模擬阻尼器所受到的外界激勵，并以芯棒的慣性運動產生的動態載荷模擬黏彈性阻尼器工作時承受傳動軸傳遞的動態載荷。

根據振動臺和黏彈性阻尼器的接口尺寸，專門設計了一套試驗夾具用于黏彈性阻尼器的阻尼振動特性測試。黏彈性阻尼器通過軸承支座外圈上的4個螺栓孔與試驗夾具配合，試驗夾具安裝在振動臺上。試驗時，在軸承支座外圈與黏彈性阻尼器連接的螺栓處放置加速度傳感器用來測量振動臺的激勵加速度a1；在輸出端連接件上放置加速度傳感器用來測量芯棒的響應加速度a2。試驗夾具安裝及測點位置示意圖見圖3。

圖3 試驗夾具安裝及測點位置示意圖

阻尼器減振降噪是利用阻尼材料的黏彈性耗能性能，當構件受到振動作用時，阻尼層材料內部產生剪切應變，耗散能量，從而達到減振目的[6]。為了描述黏彈性阻尼器在振動試驗過程中耗散能量的能力，試驗測取臺面激勵加速度a1作為阻尼器力的輸入，測取芯棒響應加速度a2作為阻尼器力的輸出，分別對兩種結構阻尼器進行振動試驗。顯然，在臺面激勵加速度a1相同的情況下，對于芯棒響應加速度a2越小的阻尼器，其在振動試驗過程中耗散的能量越多，表明其的阻尼性能越好。用η代表阻尼器耗散能量的能力，可推導出阻尼器耗散能量的能力η為

試驗時按表1所列振動試驗參數分別對兩種結構的阻尼器進行試驗。其中結構1為硅油中存在長度為12.7 mm的氣泡(該型號黏彈性阻尼器性能鑒定試驗規定：黏彈性阻尼器內硅油中氣泡的長度應小于12.7 mm)的阻尼器，結構2則是基本上沒有氣泡的阻尼器。為模擬阻尼器在直升機飛行時的實際工況條件，振動臺的激振頻率定為68.6 Hz（該型直升機尾水平軸額定工作轉速為4 116 r/min），初始預載荷定為40 N，載荷加載步長定為0.05 mm的臺面位移，加載至0.8 mm。試驗時，記錄下在激振頻率為68.6 Hz時的振動臺激勵加速度a1和芯棒響應加速度a2。另外，為了保護阻尼器在整個試驗過程中不發生破壞，規定在整個試驗過程中黏彈性阻尼器所受激勵不允許超過其在工作中能承受的最大激勵。

表1 阻尼特性振動試驗參數

2 試驗結果

兩種結構阻尼器在每個位移下的試驗時間都為120秒。測量并記錄下振動臺的激勵加速度a1和芯棒的響應加速度a2，測量結果見表2。根據式（1）計算兩種阻尼器在各個狀態下的耗散能量的能力η，并對兩種結構耗散能量的能力η進行對比，計算結果見表3。

表2 加速度測量結果（激振頻率為68.6 Hz）

圖4為兩種結構阻尼器耗散能量的能力隨載荷不斷加大而變化的情況。

表3 隔振系數及隔振率計算結果

圖4 耗散能量的能力隨載荷變化情況

3 試驗數據分析

由于隨著載荷及加載時間不斷增加，阻尼器的溫度會不斷升高，從圖4中可以看出，兩種阻尼器的耗散能量的能力隨著載荷加大都不斷降低。另外，根據文獻[7]提出的黏彈性阻尼材料動態力學性能溫度模型（見圖5）可知，黏彈性阻尼材料動態力學性隨溫度的升高而降低,文獻中還提出黏彈性阻尼器的耗能能力受溫度影響，耗散能量的能力隨溫度的升高而降低[9]，文中還進行了多組黏彈性材料DMA溫度譜試驗，表明其溫度模型可較好地表征黏彈性阻尼材料動態力學性能隨著溫度變化的情況。因此，試驗結果也符合文獻[7]提出的黏彈性阻尼材料動態力學性能溫度模型。

圖5 動態力學性能隨溫度變化情況

文獻[8]提出通過阻尼材料的剪切流動產生阻尼力來耗散振動能量，減小結構的響應幅度，從而達到減振緩沖保護設備的目的。文獻[8]中還指出了硅油屬于Maxwell流體，并根據Maxwell模型推導出了黏彈性硅油阻尼器阻力的力學模型，并通過試驗驗證了該阻尼器阻尼力模型的合理性。阻尼力F模型表達式為

其中τp為流體的流動切應力，A為硅油周向面積，k為與試驗環境相關的切應力修正系數，d為硅油直徑，δ為硅油厚度，μ為硅油的動力粘性系數，θ為引入的空間參數，n為速度相關指數。另外，文獻[9]提出黏彈性阻尼器是吸能器的一種，并在正弦輸入的假設下，利用分數微分Maxwell模型[10]給出黏彈性阻尼器耗散能量的表達式，指出阻尼力-位移所包圍的面積即表示阻尼器耗散的能量，面積越大其耗散能量越多，阻尼器耗散能量W的表達式為

硅油膠囊中存在氣泡會減少阻尼器中硅油厚度，由式（2）可知，硅油厚度δ影響著阻尼器所產生的阻尼力，硅油膠囊中存在氣泡的使得硅油厚度減小，從而使得阻尼器產生的阻尼力減小。另外，由式（3）可知，由于阻尼力的減小使得阻尼器耗散能量的能力也相應減小了。從表2列出的兩種結構在不同振幅載荷作用下的激勵加速度與響應加速度值對比情況可知，在激勵加速度相同的情況下，硅油膠囊中存在氣泡使得硅油厚度減小的結構1的響應加速度均大于無氣泡結構2的響應加速度。另外，通過表3中的兩種結構耗散能量的能力對比結果也可以發現，由于結構1阻尼力的減小，其耗散能量的能力要小于結構2，也就是說結構1的阻尼性能要比結構2的差。上述試驗結果表明，黏彈性阻尼器硅油膠囊中硅油存在氣泡會降低結構的阻尼性能。

4 結語

試驗研究結果表明，黏彈性阻尼器硅油存在大量氣泡會降低結構的阻尼性能，從而減弱對振動的抑制作用。因此，在飛行任務中，應對直升機尾傳動力軸組件黏彈性阻尼器進行定時檢查，確保阻尼器未出現硅油的泄露而使硅油中存在大量的氣泡。另外，在往硅油膠囊澆注硅油時，應進行消除氣泡的處理，以減少硅油中氣泡的含量，提高結構的阻尼性能，以達到較好的減振效果，從而確保飛行的安全。

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Influence of the Bubbles in Silicon Oil of the Viscoelastic Damper on Its Damping Property

YANG Wei-xin,WANG Jin-shun,WANG Ping
（Aero-engine Vibration Technology inAeronautical Science Key Laboratory,ChinaAviation Powerplant Research Institute,Zhuzhou 412002,Hunan China）

To study the influence of the bubbles in the viscoelastic damper silicone oil on its damping property,two different damper structures are tested respectively.One of the structures has bubbles with certain sizes in the silicone oil capsules,and the other has no bubble basically.The two damper structures with bearing pedestals are tested on a shaking table,and the capacity of energy dissipation of the two structures at the same oscillation condition is measured and compared.Meanwhile,in order to simulate the actual working condition of the damper in helicopters,the variation of the energy dissipation capacity with the loading condition of the two structures is also obtained and compared.The results show that the bubbles in the silicone oil of the viscoelastic damper can deteriorate its damping property.

vibration and wave;viscoelastic damper;silicon oil;bubbles;damping property

V229+.1；TB32

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.033

1006-1355(2016)06-0169-04

2016-06-08

楊偉新（1988-），碩士研究生，工程師，研究方向為航空發動機振動、噪聲測試。E-mail:ywxdlu@sina.com