帶有粘彈性材料涂層的顆粒阻尼器實驗

付立新

(承德石油高等專科學校 安全工作處，河北 承德 067000)

抑制機械結構振動產生、傳遞的方法之一是對其施加阻尼，非阻塞性顆粒阻尼技術(Non Obstructive Particle Damping-NOPD)是近十幾年發展起來的一種新型減振技術，通過在結構的空腔或者附加空腔中放入一定量的顆粒，當機械結構振動時，使得顆粒之間與腔壁之間發生摩擦和沖擊，同時不斷進行動量交換、摩擦生熱和噪聲輻射，從而達到耗能減振的目的[1]，具有耐久性好、可靠度高、對溫度變化不敏感，可用于惡劣環境等優點[2]。20世紀90年代初，Panossian[3]首先提出了NOPD，并通過試驗驗證了該技術的阻尼特性，并在汽輪葉片上得到成功的應用。Z Cui[4]等人首次用湍流理論來描述阻尼顆粒的運動，并發現顆粒阻尼器的耗能隨顆粒直徑和填充率的增加而增加。Heckel[5]等人針對擺動鋸的振動特點，設計顆粒阻尼器進行振動控制，試驗結果表明經過合理設計優化的顆粒阻尼器其振動控制效果是單體沖擊阻尼器的兩倍。Sanchez，Pugnaloni[6]通過研究發現顆粒阻尼器中顆粒存在一個最佳質量使得其耗能達到最大。P Veeramuthuve[7]將顆粒阻尼器用于抑制電路板在印刷過程中所產生的振動，大大提高了電路板的印刷質量。M Trigui，E Foltete[8]對機械結構進行周期性的激勵，發現顆粒阻尼器的耗能與激勵頻率和其他設計參數有很大的聯系。Lucifredi[9]運用改進的散體單元模型對阻尼器內部顆粒工作時的耗能進行了仿真，并進行了相關實驗驗證了模型的正確性，大大提高了仿真結果的精度。對帶有粘彈性材料涂層的鋼球顆粒阻尼器進行了懸臂梁減振實驗研究，發現其減振效果明顯優于普通鋼球顆粒阻尼器，且在低頻振動中仍具有良好的減振性能。

1 新型顆粒的提出

新型帶粘彈性材料涂層阻尼顆粒由傳統的密度較大的鋼球和一層均勻噴涂在鋼球外的粘彈性材料組成。實驗中采用的粘彈性材料的主要成分是聚氨酯，其主要特點是：可以在相對較寬的頻帶范圍內進行減振；將所吸收的動能轉化為熱能散發出去從而減振；在諧振點處具有明顯的減振效果[10]。

在對傳統的顆粒阻尼器的研究過程中，Bapat[11]發現阻尼器壁腔中使用塑性材料，腔體中填塞同等質量、尺寸較小、彼此接觸的鉛粒可獲得比鋼鐵腔壁更好的阻尼效果。上海理工大學的杜妍辰、王樹林[12]提出了帶顆粒減震劑的碰撞阻尼理論，它主要是利用微顆粒材料的塑性變形來耗散振動所產生的能量。結果表明，在填充鋼球的顆粒阻尼器中加入一定量的銅粉、活性炭粉等塑性材料微顆粒，可以明顯提高阻尼器的阻尼性能。阻尼效果增強的原因是在原有的鋼球顆粒中加入細微顆粒后，由于這些細微顆粒具有粘附性，當和鋼球接觸時會粘附在鋼球的表面，一旦鋼球間發生碰撞，其表面的細微顆粒就會發生塑性變形進而可以損耗更多的能量。然而，此種方法也存在嚴重的缺陷：細微顆粒粘附不均勻且不牢靠；兩種密度的顆粒在振動過程中會逐漸產生分層現象；微顆粒的塑性變形無法自行恢復導致減振效果逐漸下降。因此，基于此種方法和顆粒阻尼的減振機理提出了帶彈性涂層的顆粒阻尼器。將粘彈性材料均勻地噴涂在鋼球顆粒的表面，保持涂層厚度在0.5mm左右，將此顆粒填充到阻尼器空腔中即得到帶粘彈性材料涂層的顆粒阻尼器。

2 實驗設備與實驗方案

2.1 實驗設備

實驗將自制的顆粒阻尼器安置在懸臂梁的自由端，由便攜式數據采集系統發出隨機噪聲激勵信號，經過功率放大器放大后輸入給B&K 4825型激振器，對懸臂梁的自由端進行激振。激振時所采用的信號為0-100 Hz的掃頻信號，在激振器與懸臂梁的連接處安裝力傳感器，測量由激振器所產生的激振力，在懸臂梁自由端上表面安裝加速度傳感器進行拾振，最后由B&K3560B數據采集系統通過力傳感器和加速度傳感器得出該懸臂梁的幅頻特性曲線以檢驗阻尼器對懸臂梁的減振效果。實驗設備連接示意圖如圖1所示，實物圖如圖2所示。

實驗所用的懸臂梁長度為1 000 mm，寬度為150 mm，厚度為15 mm，材料為45號鋼，彈性模量2.09 Gpa，泊松比為0.269。阻尼器容器為PVC材質的圓柱形空腔，內徑為70 mm，長度為144 mm。

2.2 粘彈性涂層鋼球顆粒的制備

實驗時阻尼器空腔內填充的阻尼顆粒分別為帶有粘彈性涂層的碳鋼球顆粒和普通碳鋼鋼球顆粒。所選用的粘彈性涂層材料為聚氨酯。為了保證帶有粘彈性涂層的碳鋼球顆粒涂層厚度的均勻，采用噴涂的方法進行制備。首先，將購買回來的鋼球顆粒用用丙酮溶液清洗并晾干。然后，用噴槍將配制好的聚氨酯溶液均勻地噴涂在鋼球的外部，并將噴涂后的顆粒放入烤箱進行烘干，以加速聚氨酯的固化。若聚氨酯涂層厚度未達到0.5 mm則重復噴涂、烘干步驟，保證涂層厚度在0.5 mm左右。帶有粘彈性材料涂層的鋼球顆粒如圖3所示。

2.3 實驗方案

利用以上介紹的實驗設備和實驗材料，進行懸臂梁的阻尼比測定實驗。根據阻尼器內有無填充顆粒、及填充顆粒的類型分別進行表1中的實驗，測試該懸臂梁阻尼系統的阻尼比大小。

表1 實驗內容表

對表1所列的各種情況在懸臂梁的一階和二階彎曲模態范圍內的振動情況進行實驗測試，通過比較實驗結果，來驗證本文所提出的帶粘彈性材料涂層顆粒的減振性能，尤其是在較低的振動頻率下的減振效果。

3 懸臂梁的模態分析

3.1 懸臂梁模態軟件分析結果

使用ANSYS軟件對實驗所用的懸臂梁預先進行模態分析[14]，得出懸臂梁的各階固有頻率。得到一階固有頻率為：15.79 Hz，二階固有頻率為：95.29 Hz。

3.2 懸臂梁模態測試

采用單點激勵多點拾振的方法，在懸臂梁上布置5個拾振點，并安放加速度傳感器，拾振點的位置如圖5所示。根據ANSYS軟件對懸臂梁模態分析的初步結果，由于本次實驗只研究一階模態范圍內阻尼器的特性，故只需在0 Hz～30 Hz范圍內對懸臂梁的自由端進行掃頻激勵，記錄測試數據。為消除每次由激振力大小不同引起的誤差，故取激振力與加速度的比值為幅頻特性曲線的縱坐標。重復上訴步驟5次，取平均值得出幅頻特性曲線如圖所示。

從測試結果可以看出，由ANSYS軟件分析得出的結果與測試結果基本一致，說明了測試結果的準確性，所得結果可以用來進行數據計算。

4 實驗結果與分析

4.1 實驗結果

按照2.3節中的實驗方案，對直徑為8 mm帶涂層鋼球顆粒和普通鋼球顆粒進行實驗。實驗時，將功率放大器的電壓調至2.0 V，0～30 Hz的頻率范圍內采用掃頻信號測量懸臂梁的幅頻特性曲線。圖7為阻尼顆粒為8 mm時懸臂梁的幅頻特性曲線。

4.2 實驗結果分析

從圖7中可以看出，在阻尼器中添加阻尼顆粒之后，整個系統的一階固有頻率有所降低，并且，阻尼器在系統的一階固有頻率處發揮作用最大。在圖7中還可以看出，以涂層鋼球為填充顆粒時阻尼器的減振性能相對于普通鋼球明顯提升。以普通鋼球作為填充顆粒時，相比于未填充顆粒時幅頻特性曲最大降幅達22.4%；以涂層鋼球作為填充顆粒時幅頻特性曲線最大降幅可達35.3%。

帶有粘彈性涂層的顆粒阻尼器具有優秀的減振效果的原因是在粘彈性涂層內部存在很多的分子鏈，他們相互交錯排列，組成網格。當有外力作用在其上時，網格會發生拉伸、錯動、扭轉等，最終導致能量的耗散。實驗中、所采用的粘彈性材料為聚氨酯，是一種硫化橡膠材料，此硫化橡膠分子鍵在未變形時處于嫡最大(能量最小)的狀態，將其伸長時嫡減少，系統能量增加，當力被去除便恢復到原來的嫡狀態,此時加載與卸載的應力-應變曲線重合。在真實狀態下，硫化橡膠分子鍵之間除了用化學鍵固定，此外還受到范德華力及氫鍵的作用。在硫化橡膠中，因為分子鍵的運動有相當大的摩擦(高粘性)，使得分子鍵會產生相互纏繞和聚集，從而存在著許多的擬交聯點。當硫化橡膠受力增大時，分子鍵會產生滑移及聚集部分的分離，從而導致擬交聯點的數目減少。因此比較卸載時與加載時應力-應變曲線的情況，隨著擬交聯點的減少應力開始下降，卸載時的應力-應變曲線呈現出滯后狀態。橡膠發生變形時的分子摩擦能就是滯后曲線范圍內的能量(滯后能)，它會以熱能的形式釋放出來[13]。因為這種耗能機理的存在，使得新型涂層顆粒阻尼器的阻尼特性較傳統的鋼球顆粒阻尼器更加優越。

5 結 論

1)通過實驗發現，顆粒阻尼器可以降低結構本身的固有頻率，并且具有非常明顯的減振效果。

2)帶粘彈性涂層的顆粒阻尼器較普通的顆粒阻尼器具有更加優越的減振性能。其通過減少粘彈性涂層材料內部擬交聯點的方式來達到耗能的目的，改變了原有普通顆粒阻尼器通過摩擦、動量交換以及聲輻射的耗能方式。

3)此外，帶有粘彈性涂層的顆粒阻尼器在機械的低頻振動中的減振效果更為突出，幅頻特性曲線的最大降幅可達35.3%，明顯優于普通鋼球顆粒阻尼器。