方興，畢京丹

?

過載狀態(tài)下橡膠減振器動態(tài)性能分析

方興，畢京丹

（北京強度環(huán)境研究所，北京 100076）

目的研究飛行過載狀態(tài)下的橡膠減振器動態(tài)性能。方法通過對試驗件施加不同大小力來模擬過載情況，測量試驗件減振前后的加速度響應(yīng)。結(jié)果對加速度響應(yīng)進行分析，發(fā)現(xiàn)橡膠減振器主減振方向上的減振效率隨飛行過載增大而減小，減振器的剛度反而增大。在正交于主減振方向上，其減振器減振效率和剛度，基本不隨飛行過載環(huán)境而變化。結(jié)論飛行過載影響橡膠減振器在過載方向上的動態(tài)性能，因此在橡膠減振器選型時，應(yīng)考慮到飛行過載環(huán)境的影響。

橡膠減振器；過載；動態(tài)性能

減振器是一類用途廣泛的工程結(jié)構(gòu)原件，適用于各種工程結(jié)構(gòu)的減振、隔振、抗沖擊等領(lǐng)域，如地面車輛的懸掛系統(tǒng)、艦船燃氣輪機的浮筏結(jié)構(gòu)、機床的基礎(chǔ)安裝等。其工作原理一般是選擇合適的阻尼和剛度系數(shù)達到迅速衰減由外力擾動或突加載荷引起的系統(tǒng)振動，以提高舒適性、降低噪聲輻射、保證系統(tǒng)的工作精度和靈敏度不受損害等。目前橡膠減振器依然是一些設(shè)備隔振設(shè)計的首選類型。航天領(lǐng)域中，慣組對于飛行器屬于重要儀器設(shè)備，對任務(wù)成敗有著關(guān)鍵作用，對其安裝和使用環(huán)境有較為苛刻的要求。因此，為降低慣組飛行中受到的振動環(huán)境，有些慣組將橡膠減振器安裝在基座上，其他一些直接安裝于支架上的慣組，則設(shè)有內(nèi)置減振。橡膠材料的動態(tài)特性與材料配方、環(huán)境溫度、預(yù)緊量等因素有關(guān)。地面試驗中，曾發(fā)現(xiàn)內(nèi)置減振器隨慣組加溫時間的延長，其減振頻率發(fā)生變化。因此，飛行器在飛行過程中，慣組處的減振器特性會有何種細微變化，需要進行地面試驗研究。文中通過一個慣組環(huán)境試驗，研究了不同飛行過載情況下，橡膠減振器的動態(tài)特性變化。

1 試驗設(shè)計

文中研究的橡膠減振器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橡膠減振器結(jié)構(gòu)示意

研究飛行過載狀態(tài)下減振器動態(tài)性能。試驗在不同過載、且相同隨機振動環(huán)境下，測量產(chǎn)品四個連接處減振前、后的振動響應(yīng)，通過對響應(yīng)的分析來研究橡膠減振器的動態(tài)特性。試驗采用航天希爾2130型30噸振動臺進行試驗，振動試驗原理如圖2所示。

圖2 試驗原理

試驗中需要模擬空中過載飛行環(huán)境，那么就要想辦法模擬過載加速度帶來的效果。飛行中，在不同值的環(huán)境下，對于慣組處的橡膠減振器感受到的主要是慣組帶來的慣性力，該力的方向為飛行負方向。對于本試驗的試驗件，在過載環(huán)境下，橡膠減振器受到壓力。試驗中慣組安裝于儀器艙艙的梁上，很難直接施加豎直向下的力，因此試驗中設(shè)計一套系統(tǒng)將外部拉力轉(zhuǎn)為減振器上的壓力。試驗中，在慣組上對應(yīng)安裝減振器位置設(shè)4個施力點，對兩兩一組施加外拉力來模擬過載時，慣組產(chǎn)生對減振器的壓力，如圖3所示。

圖3中軸為承力梁受力點的豎直中心線，此時力作用點處向合力為0。外力作用于一個滑輪上，分為兩個力后，經(jīng)鋼絲繩作用在慣組本體外的承力梁上。分力中的橫向分量在承力梁上轉(zhuǎn)化為梁的內(nèi)力，不作用于慣組本體；豎直向分力通過慣組本體外殼作用于減振器上，來模擬過載環(huán)境下慣組本體施加在減振器上的力。

圖3 慣組處加力設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)中力作用點在垂直于軸方向上發(fā)生偏移擾動+，鋼絲繩與豎直方向夾角變化，則力作用點處橫向合力變化近似為-2。在無阻力情況下，力的作用點將回復(fù)到原點位置，保持向合力為0的狀態(tài)。進而可以保證，在試驗過程中分解后作用于兩個減振器上的向模擬過載力基本相同。試驗實施時，外部同時施加兩個大小相同的力，最終轉(zhuǎn)化為四個大小相同的力作用于減振器上。試驗分析慣組本體上響應(yīng)與其安裝基礎(chǔ)的響應(yīng)。

2 減振器動態(tài)性能分析

試驗測量數(shù)據(jù)見表1、表2。減振效率為：1－減振后均方響應(yīng)/減振前均方響應(yīng)。

表1 主減振方向試驗數(shù)據(jù)

表2 正交于主減振方向試驗數(shù)據(jù)

從表1中看到，隨著過載值的增大，減振器的減振效率都在減小，諧振響應(yīng)頻率由約90 Hz增大到120 Hz。其中位置1，2處在20過載條件下幾乎無減振效果，另兩個位置處的減振效率相比無過載也有大幅下降。減振器中阻尼的作用是使系統(tǒng)的能量消耗，因此判斷，隨著過載值的增大（減振器受壓力增大），減振器主減振方向上的總體阻尼減小。

從表2中可以看到，隨著過載值的增大。在5過載環(huán)境下，減振器減振效率略有增加，諧振響應(yīng)頻率基本無變化。再增大過載環(huán)境，其減振效率下降至約與無過載環(huán)境下相同。整體趨勢上看，減振器正交于主減振方向上的阻尼，基本與過載（減振器受壓）環(huán)境無關(guān)。

圖4、圖5給出了減振前后振動量級的傳遞曲線。表3給出諧振頻率下的阻尼比，利用=2得到。

從圖4中可以看了40 Hz，且放大倍數(shù)有所提升。根據(jù)阻尼系統(tǒng)角頻率公式可知，d增大。由表3可知，隨著過載的增大，諧振處阻尼比略有減小。對于本試驗研究，可簡化為圖3所示的質(zhì)到，隨著過載值的增大，減振器的減振頻率升高量-彈簧阻尼系統(tǒng)。試驗研究中的主減振方向的諧振頻率即為簡化系統(tǒng)的一階平動固有頻率，因此試驗中諧振頻率對應(yīng)的模態(tài)質(zhì)量是基本不變的。

表3 主減振方向諧振頻率處阻尼比

假設(shè)剛度不變（即0不變），將20與無過載時的諧振頻率帶入公式做比，則存在下列關(guān)系（以位置3為例，其中1對應(yīng)無過載時阻尼，2對應(yīng)20過載時阻尼），顯然等式不成立。由此可知，參數(shù)0增大，使得主減振方向上剛度增大。

圖5 正交于主減振方向上減振后與減振前傳遞曲線

從圖5中可以看到，隨著過載值的增大，傳遞曲線基本一致。由此可知，橡膠減振器在正交于主減振方向上的阻尼、剛度基本與過載環(huán)境無關(guān)。

3 結(jié)論

通過試驗分析可知，在相同振動環(huán)境下，橡膠減振器主減振方向上的過載，使得主減振方向上的阻尼減小、剛度變大。在正交于主減振方向上，減振器的阻尼、剛度不受主減振方向上的過載影響。因此，在橡膠減振器選型時，應(yīng)考慮到飛行過載環(huán)境的影響。該試驗方法可以實現(xiàn)地面模擬飛行過載環(huán)境的考核，為后續(xù)過載狀態(tài)下橡膠減振器性能研究以及研制選型提供參考。

[1] 韓德寶, 宋希庚, 薛冬新. 橡膠減振器非線性動態(tài)特性的試驗研究[J]. 振動工程學(xué)報, 2008, 21 (1): 102—106.

[2] 宋漢文, 王文亮, 傅志方. 橡膠減振器非線性動力參數(shù)識別[J]. 復(fù)旦學(xué)報(自然科學(xué)版), 1998, 37(5): 607—612.

[3] 李雄魁, 徐珊珊, 閆路, 等. 運載火箭慣組基座設(shè)計與優(yōu)化[J]. 強度與環(huán)境, 第42卷第1期: 46—53.

[4] 宓寶江, 高建軍. 基于Creo Simulate的橡膠減震器超彈性材料分析[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2013(4): 56—61.

[5] 諸德超, 邢譽峰. 工程振動基礎(chǔ)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 8—57.

勘誤說明

由于作者供稿時的失誤，2017年第1期期刊上出現(xiàn)了一處錯誤，現(xiàn)更正如下。

第87頁作者署名中

原描述：劉楊

更正為：劉揚

Dynamic Performance of Rubber Buffer in Overload Flight

FANG Xing, BI Jing-dan

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China)

Objective To study the dynamic performance of rubber buffer in overload flight. MethodDifferent press was applied to test pieces to simulate overload and measure the acceleration response before and after vibration reduction of test pieces.ResultsThe vibration reduction efficiency in the main vibration reduction direction of the rubber buffer decreased with the increase of the flight overload, while the stiffness of the damper increased instead. In orthogonal to the main vibration direction, the vibration reduction efficiency and stiffness don't change with the overload environment. ConclusionFlight overload influences the dynamic performance of the rubber butter in the overload direction; therefore, influences of the flight overload conditions should be considered in lectotype of rubber buffer.

rubber buffer; overload; dynamic performance

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.003

TJ01; V244

A

1672-9242(2017)05-0012-04

2016-12-02；

2017-03-01

方興，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)動力學(xué)。13522723625 fangxing1026@126.com