李拓,白鴻柏

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)車(chē)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(lèi)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(xiàn)性阻尼材料,既具有類(lèi)似橡膠的優(yōu)良彈性和阻尼特性,也具有類(lèi)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(lèi)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(lèi)材料的隔振器[９Ｇ１０].目前,尚未見(jiàn)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(guān)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(lèi)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(pán)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(lèi)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(kāi)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(xiàn)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(lèi)和Ⅱ類(lèi)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(lèi)和Ⅱ類(lèi)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(lèi)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?、２?℃、２００ ℃、１００ ℃,密度較大的Ⅱ類(lèi)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(lèi)試樣的靜態(tài)剛度增幅比密度較大Ⅱ類(lèi)試樣的高,即高溫環(huán)境下Ⅰ類(lèi)試樣的靜態(tài)剛度隨溫度升高的增大速率比Ⅱ類(lèi)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(lèi)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?、２５℃、１００?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(lèi)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(lèi)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(lèi)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.