李拓,白鴻柏

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)車輛與電氣工程系,石家莊０５０００３)

摘　要:在不同溫度(２５,１００,２００,３００ ℃)下對(duì)編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠試樣進(jìn)行靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn),研究了溫度、頻率、振幅等參數(shù)對(duì)壓縮性能的影響. 結(jié)果表明:隨著溫度的升高,試樣的剛度和阻尼均先降低后增大;試樣的密度越大或變形量越大,則靜態(tài)剛度受溫度的影響越大;隨著頻率的增大,試樣的動(dòng)態(tài)剛度略有降低,阻尼變化很小;隨著振幅的增大,試樣的動(dòng)態(tài)剛度減小,阻尼增大.

關(guān)鍵詞:編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠;高溫;靜態(tài)壓縮;動(dòng)態(tài)壓縮

中圖分類號(hào):TB５３５;TG１４６．２　　　文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A　　　文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１８)１０Ｇ００５８Ｇ０４

CompressivePropertyofKnittedＧDappedMetalRubberat

DifferentTemperatures

LITuo,BAIHongbai

(DepartmentofVehicleandElectricalEngineeringofShijiazhuangCampus,ArmyEngineeringUniversity,

Shijiazhuang０５０００３,China)

Abstract:Staticanddynamiccompressiontestsatdifferenttemperatures (２５,１００,２００,３００ ℃)werecarriedoutonknittedＧdappedmetalrubberspecimens．Theeffectsofparameters,suchastemperature,frequencyandamplitude,onthecompressiveproperywerestudied．Theresultsshowthatthestiffnessanddampingofthespecimendecreasedandthenincreasedwiththeincreaseoftemperature．Thehigherthedensityorthelargerthedeformationofthespecimen,themoresignificanttheeffectoftemperatureonthestaticstiffness．Withtheincreaseoffrequency,thedynamicstiffnessofthespecimendecreasedslightlyandthedampingchangedslightly．Withtheincreaseoftheamplitude,thedynamicstiffnessofthespecimendecreasedandthedampingincreased．

Keywords:knittedＧdappedmetalrubber;hightemperature;staticcompression;dynamiccompression

０　引　言

金屬橡膠是一種由金屬絲以螺旋卷的形式纏繞而成的非線性阻尼材料,既具有類似橡膠的優(yōu)良彈性和阻尼特性,也具有類似金屬的物理和力學(xué)等性能(如在真空中不揮發(fā)、不怕輻射、能夠承受空間的高溫和低溫、疲勞壽命長(zhǎng)等)[１],廣泛應(yīng)用于極端環(huán)境下的隔振、密封及噪聲控制等方面[２Ｇ６].技術(shù)的發(fā)展要求精密儀器中的隔振器具有更寬的隔振頻帶,以實(shí)現(xiàn)超低頻隔振,這就需要大幅度降低金屬橡膠的剛度;而金屬橡膠的剛度受成型壓力的影響較大.由于成型壓力小,低剛度構(gòu)件內(nèi)部金屬絲的勾連程度低、成型質(zhì)量差;且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散,在使用過(guò)程中容易發(fā)生二次成型,導(dǎo)致性能不穩(wěn)定,壽命大幅度縮短.為了解決這些問(wèn)題,軍械工程學(xué)院金屬橡膠工程中心設(shè)計(jì)并制備了編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠構(gòu)件.編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠由金屬絲網(wǎng)套經(jīng)整形輥壓、冷彎、剪裁(依據(jù)制備構(gòu)件的質(zhì)量)、卷纏毛坯、冷壓成型、后期處理等工序制備而成.由于材料內(nèi)含有大量螺旋結(jié)構(gòu)且其內(nèi)部金屬絲網(wǎng)之間以嵌合方式連接,故編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠具有低剛度、低密度的特點(diǎn),主要用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備或重要機(jī)構(gòu)的低頻隔振。

近年來(lái),一些學(xué)者對(duì)金屬橡膠材料或其同類材料的高溫力學(xué)性能進(jìn)行了研究[７Ｇ１０];但是在已有研究中,金屬橡膠材料的受力方式與其在實(shí)際工作環(huán)境(隔振器)中的受力方式存在差異[７Ｇ８],且研究對(duì)象通常為安裝有金屬橡膠或其同類材料的隔振器[９Ｇ１０].目前,尚未見到對(duì)金屬橡膠本身進(jìn)行高溫力學(xué)試驗(yàn)的研究報(bào)道.此外,雖然編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠的摩擦耗能機(jī)制與傳統(tǒng)的金屬橡膠一致,但由于工藝原因,其內(nèi)部金屬絲的排布形式與傳統(tǒng)金屬橡膠的存在實(shí)質(zhì)性差別,其高溫力學(xué)性能的變化情況尚未可知.為此,作者在高溫環(huán)境下對(duì)編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠進(jìn)行了靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn),研究了溫度對(duì)編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠剛度和阻尼的影響,擬為編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠在高溫環(huán)境下的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù).

１　試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１　試樣制備

試驗(yàn)材料為環(huán)狀編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠,由直徑為０．１５mm 的３０４不銹鋼絲制備而成,外觀如圖１所示.所有試樣的外形尺寸均為外徑５０mm、內(nèi)徑１０mm、高度２２mm,密度分別為０．４３,０．６３g??cm－３(記為Ⅰ,Ⅱ類試樣),成型壓力分別為１５,２５kN.試樣均進(jìn)行了３５０℃×３０min的回火處理,以消除殘余應(yīng)力.

１．２　試驗(yàn)方法

使用配置有高溫箱的WDWＧT２００型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行一次靜態(tài)壓縮加載、卸載試驗(yàn),采用壓盤直接接觸形式,等位移控制模式,試驗(yàn)溫度為常溫(２５℃)和高溫(１００,２００,３００ ℃),下壓速度為２mm??min－１,最大載荷為試樣成型壓力的１０％.使用配置有DH５９３６振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)和高低溫環(huán)境箱的PLSＧ２０型動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),采用位移控制方式對(duì)Ⅱ類試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為常溫(２５℃)和高溫(１００,２００,３００ ℃),采用正弦位移激勵(lì),振幅分別為０．５,１．０,１．５,２．０mm,頻率分別為１,２,３,４Hz.在動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)開始前對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)壓,預(yù)壓量為７mm.動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)系統(tǒng)如圖２所示.

在對(duì)動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),將預(yù)壓量７mm 處定為位移的平衡位置,即位移為０,以試樣壓縮方向?yàn)槲灰普较?將預(yù)壓量為７mm 時(shí)試樣所受的載荷定為０,以壓縮載荷增加的方向?yàn)檩d荷正方向.金屬橡膠材料的載荷Ｇ位移曲線所圍成的面積等于其在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)所耗散的能量,以此來(lái)表征其阻尼特性.

２　試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１　靜態(tài)壓縮性能

由圖３可以看出:Ⅰ類和Ⅱ類試樣在１００℃下的靜態(tài)剛度明顯低于在２５℃下的,這是因?yàn)闇囟鹊纳邥?huì)導(dǎo)致不銹鋼絲彈性模量的降低;當(dāng)溫度高于１００℃時(shí),Ⅰ類和Ⅱ類試樣的靜態(tài)剛度隨溫度的升高而增大,且變形量越大,靜態(tài)剛度隨溫度增長(zhǎng)的幅度越大.在一定溫度范圍內(nèi),升高溫度能增大奧氏體不銹鋼的摩擦因數(shù)[１１Ｇ１３],且壓縮變形量的增大加大了試樣內(nèi)部不銹鋼絲之間接觸點(diǎn)的數(shù)量,導(dǎo)致不銹鋼絲間的摩擦力增大;摩擦力增量對(duì)剛度的強(qiáng)化作用超過(guò)了升溫對(duì)剛度的削弱作用,使得在１００~３００℃溫度范圍內(nèi)試樣的靜態(tài)剛度呈增大的變化趨勢(shì).對(duì)比圖３(a)和圖３(b)還可以看出:密度較小的Ⅰ類試樣在３００℃下的靜態(tài)剛度從大到小按溫度排序?yàn)椋常埃啊妗ⅲ玻?℃、２００ ℃、１００ ℃,密度較大的Ⅱ類試樣的靜態(tài)剛度從大到小按溫度排序?yàn)椋常埃?℃、２００℃、２５℃、１００ ℃;當(dāng)溫度由１００ ℃升至３００ ℃時(shí),密度較小的Ⅰ類試樣的靜態(tài)剛度增幅比密度較大Ⅱ類試樣的高,即高溫環(huán)境下Ⅰ類試樣的靜態(tài)剛度隨溫度升高的增大速率比Ⅱ類試樣的快.這是因?yàn)檩^大密度試樣內(nèi)部不銹鋼絲之間的接觸點(diǎn)數(shù)量較多,試樣內(nèi)部的摩擦力增量也較大.

２．２　動(dòng)態(tài)壓縮性能

２．２．１　溫度和振幅的影響

由圖４可知:在相同振幅下,Ⅱ類試樣的動(dòng)態(tài)剛度隨溫度升高的變化規(guī)律與其靜態(tài)剛度的相同,從

大到小按溫度排序?yàn)椋常埃啊妗ⅲ玻埃啊妗ⅲ玻怠妗ⅲ保埃啊?即隨溫度升先高減小后增大;同一溫度下,隨著振幅的增大,試樣的動(dòng)態(tài)剛度減小.由圖５可知:在相同振幅下,Ⅱ類試樣的阻尼隨溫度升高的變化規(guī)律與其剛度的變化規(guī)律一致,即先減小后增大,當(dāng)溫度為１００℃時(shí)最小;在相同溫度下,Ⅱ類試樣的阻尼隨振幅的增大而增加,這主要是由于振幅的增大使得試樣內(nèi)部不銹鋼絲的滑動(dòng)接觸點(diǎn)增多,摩擦力增大,同時(shí)摩擦力的作用行程增大而導(dǎo)致的.

２．２．２　頻率的影響

由圖６和圖７可知:在兩種條件下,Ⅱ類試樣的動(dòng)態(tài)剛度均隨頻率的增大而小幅度降低,這是因?yàn)轭l率的增大加快了試樣的應(yīng)變變化,加劇了其遲滯特性(即應(yīng)變的變化滯后于應(yīng)力的);當(dāng)頻率由１Hz增至４Hz時(shí),常溫下一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)耗散的能量依次為０．４０２１,０．４１５２,０．４２１３,０．４２７７J,而３００℃下的依次為０．８２８０,０．８２５５,０．８３２４,０．８３１２J,試樣的阻尼隨頻率的變化較小.

３　結(jié)　論

(１)隨溫度的升高,編織Ｇ嵌槽型金屬橡膠的靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)剛度均先降低后增大;試樣的密度越大或變形量越大(同一試樣)時(shí),其靜態(tài)剛度受溫度的影響越大.

(２)隨著頻率的增大,不同溫度下試樣的動(dòng)態(tài)剛度均略有降低,而阻尼變化不大.

(３)在相同溫度下,隨著振幅的增大,試樣的剛度減小,阻尼增大.