陳 輝， 王韶楓， 何 斌， 黃亞平， 楊 軍， 杲 濤

(1. 中國船舶科學(xué)研究中心九室，江蘇 無錫 214082；2. 華東減震器有限公司，江蘇 無錫 214000)

多方向沖擊條件下隔振器沖擊特性試驗研究

陳 輝1， 王韶楓2， 何 斌1， 黃亞平1， 楊 軍1， 杲 濤1

(1. 中國船舶科學(xué)研究中心九室，江蘇 無錫 214082；2. 華東減震器有限公司，江蘇 無錫 214000)

作用在設(shè)備上的沖擊載荷往往是多方向的，導(dǎo)致安裝在設(shè)備上的隔振器同時產(chǎn)生不同方向的大變形。此時，隔振器的沖擊特性與實驗室單方向沖擊條件下獲得的試驗結(jié)果會存在差異。多方向沖擊對隔振器沖擊特性的影響目前國內(nèi)外相關(guān)研究很少，需要開展一些探索性的工作。為此，使用落錘式?jīng)_擊機對BE120和EA120兩型橡膠隔振器進行兩個方向沖擊載荷同時作用下的沖擊試驗研究。試驗結(jié)果表明，隔振器的沖擊剛度與其主軸方向的沖擊剛度存在相關(guān)性。但由于目前試驗樣本太少，試驗結(jié)論并不能代表所有類型隔振器的特性。

隔振器； 多方向沖擊； 沖擊特性； 沖擊試驗

圖1 某型隔振器橫向沖擊抗力位移曲線比較Fig.1 Contrast of the force-deflection curve in transverse impact of a isolator

由于輸入載荷的多方向性(如地震造成的沖擊)或自身安裝的偏心、偏轉(zhuǎn)等原因，使設(shè)備在使用過程中受到多方向的慣性作用，從而導(dǎo)致安裝在設(shè)備上的隔振器產(chǎn)生其多個方向的耦合變形。以往的研究表明多方向載荷耦合作用會對隔振器沖擊特性造成影響[1]，圖1所示為某型隔振器在主軸方向承受不同壓縮變形狀態(tài)下進行橫向沖擊試驗得到的抗力位移曲線(主軸方向承受靜態(tài)載荷，橫向承受沖擊載荷)，從圖中可以看出，多方向載荷的同時作用使得試驗得到的隔振器橫向沖擊剛度減小了(沖擊位移8 mm時，相對偏差約為50%)。那么，實際使用條件下，多方向沖擊對隔振器的沖擊特性參數(shù)影響規(guī)律如何；此時隔振器的沖擊特性參數(shù)與隔振器主軸方向的沖擊特性參數(shù)是否存在關(guān)聯(lián)。這些問題目前在我國尚未開展研究，國外相關(guān)工作開展得也很少，需要開展一些探索性的研究工作。為此，選擇BE120和EA120型橡膠隔振器，進行了兩型隔振器在兩個方向同時沖擊作用下的沖擊試驗研究。試驗一方面是要提出合適的測試方法，能夠?qū)Χ喾较驔_擊作用下隔振器的沖擊特性參數(shù)進行準確測量和試驗數(shù)據(jù)處理；另一方面，分析多方向沖擊作用下隔振器動態(tài)位移和沖擊力之間的關(guān)系，為研究隔振器不同方向沖擊特性的耦合效應(yīng)提供試驗依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

要在實驗室條件下完整地復(fù)現(xiàn)設(shè)備在使用過程中可能受到的沖擊情況幾乎是不可能的，但簡單模擬某幾個固定方向沖擊的情況還是可以實現(xiàn)的，如在中型沖擊機上進行設(shè)備的基座、艙壁30°傾斜安裝沖擊試驗[2]。圖2所示為中國船舶科學(xué)研究中心沖擊爆炸試驗室利用落錘沖擊機進行鋼絲繩隔振器傾斜安裝沖擊特性檢測試驗的情況[3]，隔振器通過專門設(shè)計的安裝架固定在沖擊錘底部，兩個隔振器對稱安裝，隔振器安裝面與沖擊錘底面成45°傾角，使用跌落法進行試驗[4-6]。試驗時隔振器既承受主軸方向的壓縮作用，又承受橫向的剪切作用，可以滿足對隔振器同時提供兩個方向沖擊載荷的要求。因此，參照圖2所示的試驗工裝設(shè)計BE120和EA120型隔振器的安裝架，通過沖擊錘上的加速度傳感器測量沖擊錘的加速度響應(yīng)變化情況，通過位移傳感器測量隔振器的變形情況，如圖3～圖4所示。然后，根據(jù)測量參數(shù)計算得到?jīng)_擊特性參數(shù)包括沖擊剛度、阻尼等進行比較[1，7-9]。

圖2 鋼絲繩隔振器沖擊特性試驗圖片F(xiàn)ig.2 Picture of shock characteristics tests of wire rope isolates

2 沖擊特性參數(shù)比較方法

2.1 多方向沖擊作用下隔振器受力、變形解耦分析

根據(jù)圖3所示的試驗裝置進行隔振器的受力分析，如圖5所示，F(xiàn)為沖擊輸入載荷，F(xiàn)1～F4為對稱安裝的兩只隔振器的抗力，F(xiàn)1、F3為隔振器的軸向壓縮抗力，F(xiàn)2、F4為隔振器的橫向抗力。由于兩個隔振器對稱安裝，可以認為F1=F3、F2=F4，并最終得到：

2F1cosα+2F2sinα=F

(1)

其中：沖擊錘的沖擊載荷F可以通過沖擊錘的加速度響應(yīng)計算得到。對于固定的工裝，夾角α是已知的。但等式(1)中的F1和F2未知，即隔振器的抗力不能解耦。

根據(jù)圖3所示的試驗裝置進行隔振器的變形分析，如圖6所示，D為沖擊錘的沖擊位移，D1～D4為隔振器的變形，D1、D3為隔振器的軸向壓縮變形，D2、D4為隔振器的橫向變形。與受力分析不同的是，隔振器的變形應(yīng)滿足條件：

D1sinα=D2cosα；D3sinα=D4cosα

當然，由于兩個隔振器對稱安裝D1=D3、D2=D4仍然適用，同時還滿足：

D1cosα+D2sinα=D；D3cosα+D4sinα=D

(2)

其中：沖擊錘的沖擊位移D通過位移計測量得到。因此，從上面的分析可以看出，可以解算出隔振器不同方向變形結(jié)果：

D1=Dcosα；D2=Dsinα

(3)

根據(jù)上面的分析，對多方向沖擊條件下隔振器剛度進行解算。根據(jù)沖擊錘的沖擊響應(yīng)計算隔振器在沖擊錘沖擊方向的沖擊剛度(計算公式K=F/(2D))，并結(jié)合式(1)和(3)，則得到：

圖3 隔振器多方向沖擊特性試驗圖片F(xiàn)ig.3 Picture of shock characteristics tests of isolators in the multidirectional shock

圖4 隔振器多方向沖擊特性試驗裝置圖Fig.4 Sketch of shock characteristics tests of isolators in the multidirectional shock

圖5 隔振器的抗力解耦示意圖Fig.5 Uncoupled schematic diagram of force of isolators

圖6 隔振器的位移解耦示意圖Fig.6 Uncoupled schematic diagram of deflection of isolators

(4)

其中：K1為隔振器軸向壓縮剛度；K2為隔振器橫向剪切剛度。

隔振器的阻尼特性通常由等效粘滯阻尼系數(shù)來表示[10]，無需進行解耦分析。

2.2 多方向與單方向沖擊作用下的隔振器沖擊特性參數(shù)比較方法

通過2.1節(jié)的分析可知，進行多方向沖擊條件下的隔振器沖擊特性試驗時可以解算出隔振器不同方向的變形結(jié)果。因此，可以按如下方法進行多方向與單方向沖擊作用下的隔振器沖擊特性的比較：

(1)利用變形-抗力關(guān)系曲線進行定性比較，步驟如下：

(a)進行多方向沖擊載荷隔振器沖擊特性試驗并解算出隔振器不同主軸方向的變形結(jié)果D1、D2；

(d)比較抗力F′與沖擊錘沖擊位移D的關(guān)系曲線及多方向沖擊試驗得到的抗力F與沖擊錘沖擊位移D的關(guān)系曲線之間的差異。

(2)利用沖擊剛度數(shù)據(jù)進行定量比較，將單向沖擊載荷作用下的隔振器沖擊剛度代入式(4)并與多方向沖擊試驗得到的隔振器沖擊剛度進行比較。

此外，目前試驗給出的阻尼參數(shù)為等效線性參數(shù)[1，7-9]，并將多次試驗得到的阻尼參數(shù)平均值作為最終試驗結(jié)果，因此，可以直接對阻尼參數(shù)進行對比。

3 試驗結(jié)果及對比

3.1 試驗結(jié)果

實際試驗設(shè)計了三個工裝，分別使隔振器的主軸與沖擊錘底面成30°、45°和60°夾角，以考察夾角變化對試驗結(jié)果的影響。同時，定義隔振器承受主軸方向的壓縮和橫向單方向沖擊時隔振器安裝面與沖擊錘底面夾角分別為0°和90°，以對比多方向與單方向沖擊作用下的隔振器沖擊特性參數(shù)。典型的試驗曲線如圖7所示，圖7的左側(cè)從上到下分別為

(1) 加速度傳感器測量得到的沖擊錘加速度響應(yīng)時程曲線；

(2) 首次碰撞的加速度時程曲線；

(3) 加速度時程信號積分得到的速度時程曲線；

(4) 位移傳感器測量得到的位移時程曲線。

圖7的右側(cè)是隔振器的動態(tài)特性曲線，該曲線以加速度乘以沖擊錘質(zhì)量得到的沖擊力數(shù)據(jù)為縱坐標，以位移傳感器得到的變形數(shù)據(jù)為橫坐標。曲線旁邊的文字部分表明了試驗條件和得到的動態(tài)特性參數(shù)值[1]。同時，為了便于理論分析，將試驗得到的動態(tài)特性曲線進行處理得到了隔振器抗力與變形的十等分折線，每段折線的斜率表示隔振器在此變形位移范圍內(nèi)對應(yīng)的切線剛度。圖7右側(cè)下方的表格為十等分折線所對應(yīng)的位移、抗力、上寬、下寬(即到十等分折線的距離，該力值表示阻尼力)。

圖7 隔振器典型沖擊試驗曲線(EA120隔振器,安裝面與沖擊錘底面成45°夾角)Fig.7 Typical curve of shock tests of isolators (EA120 isolator, the angle between the mounting surface of isolator and the bottom surface of hammer is 45°)

將試驗得到的動態(tài)特性曲線進行比較，圖8所示為典型的沖擊錘不同落高條件下得到的隔振器動態(tài)特性曲線。從圖中可以看出：

(1) 低落高試驗得到的動態(tài)特性曲線完全包含在高落高試驗得到的動態(tài)特性曲線中；

(2) 低落高試驗得到的十等分折線與高落高試驗得到的十等分折線變化趨勢比較接近，部分曲線甚至重合。

因此，可以將各次試驗得到的十等分折線進行綜合處理，擬合出隔振器不含阻尼力的位移抗力關(guān)系公式，見圖9，圖中的散點為各次試驗得到的十等分折線上的數(shù)據(jù)點。

圖8 不同落高條件下隔振器沖擊試驗曲線比較(EA120隔振器,安裝面與沖擊錘底面成45°夾角)Fig.8 Contrast of testing curve of isolators in different drop height (EA120 isolator, the angle between the mounting surface of isolator and the bottom surface of hammer is 45°)

3.2 試驗結(jié)果對比

3.2.1 位移抗力關(guān)系曲線比較

通過擬合得到的隔振器的位移抗力曲線如圖10所示，為了便于比較，去除了所有位移抗力曲線在沖擊力軸上的截距，即所有曲線的起始點位置置于0點。從圖10可以看出，兩種隔振器尤其是BE120型隔振器在不同安裝角條件下的位移抗力曲線并不重合，表明多方向沖擊載荷同時作用下對隔振器的沖擊特性存在影響。

利用2.2節(jié)描述的計算方法，以隔振器安裝面與沖擊錘底面成0°(軸向壓縮)和90°(橫向)的試驗位移抗力曲線為基準，推算出30°、45°和60°安裝角條件下的典型位移抗力曲線與實際試驗得到曲線對比見圖11。通過圖11的比較，從直觀上可以判斷，多方向沖擊載荷同時作用對隔振器的沖擊特性是存在影響的，推算曲線與試驗曲線之間也存在差異，還需進一步的比較。

圖9 隔振器位移抗力曲線擬合(EA120隔振器，安裝面與沖擊錘底面成45°夾角)Fig．9Fittingoftheforce?deflectioncurveofisolators(EA120isolator，theanglebetweenthemountingsurfaceofisolatorandthebottomsurfaceofhammeris45°)圖10 隔振器抗力位移曲線比較Fig．10Contrastoftheforce?deflectioncurveofisolators

(a)BE120隔振器安裝面與 (b)EA120隔振器安裝面與 沖擊錘底面成45°夾角 沖擊錘底面成45°夾角 圖11 隔振器沖擊抗力位移試驗曲線與推算值的比較Fig．11Contrastofthetestingforce?deflectioncurveandprojectedvalueofisolators圖12 隔振器抗力位移關(guān)系擬合(與圖9、11相對應(yīng))Fig．12Fittingoftheforce?deflectioncurveofisolators(Correspondtofig．9andfig．11)

3.2.2 沖擊剛度參數(shù)比較

通過3.2.1節(jié)的比較，從直觀上看到了不同安裝角條件下試驗得到的位移抗力曲線存在的差異。本節(jié)通過對上述位移抗力曲線進行擬合處理，得出各條曲線的線性段剛度，然后對線性段剛度數(shù)據(jù)進行比對，從而得出隔振器沖擊參數(shù)變化的定量結(jié)果。擬合結(jié)果見圖12和表1，推算得到的曲線剛度可以利用式(4)計算得到，因此不再進行擬合處理(實際擬合結(jié)果與計算結(jié)果偏差不超過5%)。

以隔振器安裝面與沖擊錘底面成0°的沖擊剛度為基準，對比計算30°、45°和60°安裝角條件下的隔振器沖擊剛度，見表2。從表2可以看出：

(1)對BE120型隔振器，30°、45°、60°安裝角條件下的隔振器沖擊剛度與基準剛度值通過簡單的計算后相對偏差小于3.0%，但是60°安裝角條件下的計算方式與其他兩個角度的不一致；

(2)對EA120型隔振器，30°、45°、60°安裝角條件下的隔振器沖擊剛度與基準剛度值通過簡單的計算后相對偏差小于15%，但是各安裝角條件下的計算方式均不一致。

表1 隔振器沖擊剛度數(shù)據(jù)列表

因此，以0°安裝角的沖擊剛度為基準，30°、45°、60°安裝角條件下剛度值與基準之間的關(guān)系不明確，表明30°、45°、60°安裝角條件下的隔振器沖擊剛度并不是受0°安裝時隔振器沖擊剛度的影響。

以隔振器安裝面與沖擊錘底面成90°的沖擊剛度值為基準，對比計算30°、45°和60°安裝角條件下的隔振器沖擊剛度，見表3。從表3可以看出：

(1)對BE120型隔振器，將90°安裝隔振器的沖擊剛度乘以夾角的正弦，計算結(jié)果與30°、45°和60°安裝角條件下的隔振器沖擊剛度相對偏差在9.6%以內(nèi)；

(2)對EA120型隔振器，90°安裝隔振器的沖擊剛度與30°、45°、60°安裝角條件下的隔振器沖擊剛度相對偏差在7.2%以內(nèi)。

表2 隔振器沖擊剛度對比表

表3 隔振器沖擊剛度對比表

隔振器30°、45°和60°安裝角條件下的線性段剛度試驗值與推算值的對比見表4。從表4可以看出，多方向沖擊條件下BE120型隔振器沖擊剛度試驗值與推算值最大偏差達到11.8%，而EA120型隔振器達到了33.6%。EA120型隔振器推算得到的沖擊剛度與試驗值的差異隨安裝角的增加而逐步減小，表明EA120型隔振器在多方向沖擊載荷作用下的沖擊剛度受橫向剪切剛度的影響更為明顯，而并非是兩主軸方向沖擊剛度的簡單疊加，2.1節(jié)的推導(dǎo)公式(4)對EA120型隔振器并不適用。

3.2.3 阻尼參數(shù)比較

本次試驗得到的隔振器阻尼參數(shù)見表5。從表5可以看出：

表5 隔振器阻尼參數(shù)列表

(1)對BE120型隔振器，30°安裝角條件下的隔振器阻尼系數(shù)最小，但是考慮阻尼比的計算公式：

(5)

此時隔振器沖擊剛度較小(見表1)，相同負載質(zhì)量條件下阻尼比反大于45°和60°安裝角條件；

(2)對EA120型隔振器，30°、45°、60°安裝角條件下的隔振器阻尼系數(shù)均有所減小，參考阻尼比的計算公式，阻尼比也有所減??；

(3)對比阻尼系數(shù)和阻尼數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)之間沒有統(tǒng)一的關(guān)系可循。

考慮是由于阻尼比和隔振器彈性元件的約束面積及自由面積相關(guān)，本身不同方向的阻尼比是不同的，當然不同方向沖擊阻尼比是不同的。

4 結(jié) 論

通過BE120和EA120兩型隔振器的多方向落錘沖擊試驗，得到了兩主軸方向沖擊載荷作用下隔振器的沖擊特性參數(shù)，并得到了如下結(jié)論：

(1)隔振器30°、45°和60°安裝角條件下的沖擊剛度不是兩主軸方向沖擊剛度的簡單線性耦合；

(2)隔振器30°、45°和60°安裝角條件下的沖擊剛度主要受90°(Y向)安裝時隔振器的沖擊剛度影響，兩者存在正弦關(guān)系或比較接近；

(3)隔振器的沖擊阻尼參數(shù)與隔振器彈性元件的約束面積及自由面積有很大關(guān)系，隔振器安裝角度發(fā)生變化對沖擊阻尼參數(shù)影響較大。

但是，鑒于目前的工作屬于探索性質(zhì)的，相關(guān)工作還有繼續(xù)深入的必要，如隔振器三個主軸方向沖擊作用下的沖擊特性試驗方法、不同安裝角度靜剛度與沖擊剛度的對應(yīng)關(guān)系、多方向沖擊作用下隔振器沖擊剛度的耦合效應(yīng)研究等等。同時，試驗樣本數(shù)太少，試驗結(jié)論并不能代表所有類型隔振器的特性，此外試驗方法對于實際情況由于設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量的影響還不能進行考慮，還需要進一步完善。

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Tests for shock characteristics of isolators under multidirectional shocks

CHEN Hui1, WANG Shao-feng2, HE Bin1，HUANG Ya-ping1, YANG Jun1，GAO Tao1

(1. China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China；2. East China Shock Absorber Co.Ltd，Wuxi 214000，China)

Shock loads imposed on equipments are often multidirectional. At the same time, the isolators installed under equipments have multidirectional distortions. In this condition, the shock characteristics of isolators are different from those of unidirectional shocks in a lab. The references about the influence of multidirectional shocks on shock characteristics of isolators are much less both home and abroad at present, and it is necessary to conduct some groping for this problem. Here, the shock characteristics along two directions of BE120 and EA120 isolators were tested using drop hammer impact test machine. The results showed that the shock stiffnesses of isolators are related to their main axis direction stiffness. The results could not represent the shock features of all types of isolators due to lack of test samples.

isolator; multidirectional shock; shock characteristic; shock test

2012-08-17 修改稿收到日期：2013-05-13

陳輝 男，碩士，高級工程師，1980年9月生

U610.30

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.036