橡膠隔振器動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)改進(jìn)方法

肖文勇 孟凡華 萬 鵬

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

橡膠隔振器動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)改進(jìn)方法

肖文勇 孟凡華 萬 鵬

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

橡膠隔振器作為艦艇上的主要抗沖擊設(shè)備，其抗沖擊性能直接關(guān)系到設(shè)備的安全。詳述了橡膠隔振器的主要性能參數(shù)及其表征意義與相互關(guān)系，描述了動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)的測(cè)試原理和幾種測(cè)試方法，給出了自振衰減方法的試驗(yàn)裝置原理與試驗(yàn)方法。以橡膠隔振器為試驗(yàn)對(duì)象，利用改造前和改造后的試驗(yàn)裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比。指出影響動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果的幾種關(guān)鍵因素主要是拉桿剛度、扣環(huán)剛度和非剛性連接，并提出了對(duì)試驗(yàn)裝置的改進(jìn)措施。

橡膠隔振器；抗沖擊性能；動(dòng)態(tài)性能；艦艇

0 引 言

艦艇在實(shí)戰(zhàn)中很可能會(huì)遭受各種武器的攻擊，在大多數(shù)情況下，這種攻擊表現(xiàn)為對(duì)艦艇的沖擊。這種沖擊會(huì)引起艦艇結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大的變形及強(qiáng)烈的振動(dòng)，從而導(dǎo)致艇上各類裝置、設(shè)備和儀器毀壞以及人員傷亡，嚴(yán)重的甚至還會(huì)導(dǎo)致船體破壞。因此，艦艇的抗沖擊設(shè)計(jì)便成為艦船總體設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。要提高艦艇用設(shè)備的抗沖擊能力，常用的方法是在船體基座與設(shè)備之間安裝具有良好抗沖擊性能的抗沖元件。目前，常用的抗沖擊元件主要有橡膠隔振器和彈簧隔振器。瑞典的A19和荷蘭的Moray潛艇，以及意大利小艇上的液氧罐均采用的是橡膠類隔振器。我國(guó)艦艇上的重要設(shè)備也經(jīng)常采用橡膠隔振器作為抗沖元件，平時(shí)以承載和隔振功能為主，在受到爆炸沖擊載荷時(shí)，則用于將爆炸的沖擊能量以大變形的形式轉(zhuǎn)為勢(shì)能，并以較緩慢的形式釋放出來，避免設(shè)備因受到強(qiáng)沖擊而損壞，從而保護(hù)艦艇上設(shè)備的安全。

與其他種類的隔振器相比，橡膠隔振器主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）橡膠材料具有良好的彈性和機(jī)械強(qiáng)度，能承受交變應(yīng)力；

2）可以自由確定形狀，可通過調(diào)整橡膠配方組分來控制硬度，能滿足對(duì)各個(gè)方向的剛度和強(qiáng)度要求；

3）橡膠材料的阻尼系數(shù)較大，能抑制共振振幅；

4）橡膠的彈性具有滯后作用，橡膠隔振器可儲(chǔ)藏相當(dāng)大的能量，適于抗沖擊；

5）橡膠隔振器質(zhì)量小，安裝、拆卸方便。

艦艇用橡膠隔振器的結(jié)構(gòu)一般比較簡(jiǎn)單，大多為橡膠與金屬件粘貼而成的組合件，但對(duì)其性能要求卻很高。設(shè)計(jì)中，一般要通過樣機(jī)試制、性能試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和配方改進(jìn)，并不斷地循環(huán)試驗(yàn)，最終得到滿足性能指標(biāo)的橡膠隔振器結(jié)構(gòu)形式、橡膠配方和硫化工藝等。因此，在橡膠隔振器的研制過程中，性能測(cè)試的準(zhǔn)確性就顯得尤為重要，這取決于性能測(cè)試試驗(yàn)裝置的可靠性和試驗(yàn)方法等多方面的因素。本文將探討不同的測(cè)試方法和不同形式試驗(yàn)裝置對(duì)性能測(cè)試的影響，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，提出在橡膠隔振器動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)中應(yīng)注意的問題。

1 橡膠隔振器的性能參數(shù)

橡膠隔振器的主要力學(xué)性能指標(biāo)包括靜剛度、動(dòng)剛度、沖擊剛度和蠕變等。文獻(xiàn)［1］介紹了橡膠隔振器的各種參數(shù)及其計(jì)算方法；文獻(xiàn)［2］采用有限元方法計(jì)算了橡膠隔振器的動(dòng)態(tài)特性；文獻(xiàn)［3］給出了含有橡膠隔振器的單自由振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量塊時(shí)域響應(yīng)的求解方法，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較；文獻(xiàn)［4］采用試驗(yàn)方法研究了橡膠隔振器的沖擊剛度特性；文獻(xiàn)［5］研究了橡膠隔振器的蠕變特性。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一個(gè)隔振器，沖擊剛度、動(dòng)剛度和靜剛度這3個(gè)指標(biāo)的變化趨勢(shì)是一致的，例如，若要增加橡膠的硬度或截面積，沖擊剛度、動(dòng)剛度和靜剛度也會(huì)相應(yīng)增大，但這三者之間的變化規(guī)律卻并非線性關(guān)系。

靜剛度為橡膠隔振器在緩慢增減載荷條件下所測(cè)定的載荷增量與對(duì)應(yīng)變形增量的比率，其主要用于反映橡膠隔振器在承受靜載荷時(shí)的變形大小。在橡膠隔振器的實(shí)際使用中，主要用其計(jì)算安裝時(shí)橡膠隔振器的變形量。動(dòng)剛度作為衡量隔振器動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)之一，可以認(rèn)為與沖擊剛度存在著近似的線性比例關(guān)系，沖擊剛度與動(dòng)剛度的線性比值定義為沖動(dòng)比。橡膠隔振器的沖擊剛度是表征橡膠隔振器沖擊性能的直接指標(biāo)，是計(jì)算橡膠隔振器抗沖擊性能的輸入?yún)?shù)，其大小直接決定了橡膠隔振器的抗沖擊效果，它表征的是橡膠隔振器在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，載荷增量與對(duì)應(yīng)變形增量的比率。通過對(duì)橡膠隔振器進(jìn)行的沖擊試驗(yàn)，可繪制出橡膠隔振器的沖擊特性曲線，從而得到橡膠隔振器的沖擊剛度。

由于橡膠隔振器的沖擊試驗(yàn)屬破壞性試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，參加沖擊試驗(yàn)的橡膠隔振器不能作為產(chǎn)品交付，因此，無法通過對(duì)每個(gè)橡膠隔振器進(jìn)行沖擊試驗(yàn)來確定交付產(chǎn)品的沖擊剛度?？紤]到同一型號(hào)、同一批次橡膠隔振器的沖動(dòng)比值從理論上講是在小范圍內(nèi)波動(dòng)，因此，通過測(cè)量抽樣產(chǎn)品的動(dòng)剛度值和沖擊剛度值便可計(jì)算出抽樣產(chǎn)品的沖動(dòng)比。在產(chǎn)品驗(yàn)收時(shí)，可用所有橡膠隔振器的動(dòng)剛度、抽樣產(chǎn)品的沖擊剛度和沖動(dòng)比這3個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)方法簡(jiǎn)介

為保證所測(cè)得的橡膠隔振器的動(dòng)剛度在應(yīng)用到實(shí)際的隔振系統(tǒng)時(shí)真實(shí)可靠，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定，受試系統(tǒng)由施加于隔振器上的質(zhì)量塊和隔振器組成。橡膠隔振器的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)的測(cè)試，是根據(jù)單自由度彈性系統(tǒng)中慣性力、阻尼力、彈性力和外力平衡的原理，在假定彈性系統(tǒng)中為粘彈性結(jié)構(gòu)阻尼，輸入為簡(jiǎn)諧信號(hào)的條件下進(jìn)行的。單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的強(qiáng)迫振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程式為：

式中，m為系統(tǒng)質(zhì)量，kg；c為系統(tǒng)粘性阻尼，N/（m·s-1）；k為系統(tǒng)動(dòng)剛度，N/m；F為激振力幅值，N；ω為激振力角頻率，rad/s。

相對(duì)于其他方法，自振衰減法的測(cè)試儀器簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)試精度高，而其他方法則要測(cè)量動(dòng)態(tài)力和動(dòng)態(tài)變形，不僅儀器設(shè)備昂貴，而且精度也不高。特別是大載荷力傳感器，一直是困擾試驗(yàn)的一個(gè)難題。要做到力傳感器的幅頻特性與相頻特性都平直很困難。力傳感器的靈敏度與其自身的剛性相關(guān)，傳感器的剛性參與測(cè)量系統(tǒng)，其在不同頻率下有不同的響應(yīng)，這便會(huì)給測(cè)量帶來誤差。另外，力傳感器的校正也比較困難，不僅要校幅頻特性，還有校相頻特性。以上這些缺點(diǎn)都會(huì)使得測(cè)量精度不高，誤差較大。

無論采用何種方法，都要將質(zhì)量塊與隔振器連接固定。其中最簡(jiǎn)單的方法就是將質(zhì)量塊安裝固定在隔振器上部，另一種方法是通過安裝架將質(zhì)量塊懸掛在隔振器的下部，如美軍標(biāo)規(guī)定的方法。本文的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試采用自振衰減法，試驗(yàn)裝置與美軍標(biāo)的相似，除可測(cè)量隔振器的動(dòng)剛度外，還可測(cè)量隔振器的蠕變量。本動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)裝置原理如圖1所示，試驗(yàn)裝置如圖2所示，隔振器的安裝如圖3所示，典型的自由衰減振蕩波形如圖4所示。

試驗(yàn)方法如下：

1）將隔振器置于試驗(yàn)臺(tái)架上，然后在下部加載質(zhì)量塊，組成一個(gè)重量彈性振動(dòng)系統(tǒng)。

2）通過手動(dòng)葫蘆，對(duì)隔振器施加一個(gè)初始位移，釋放初始位移后，使系統(tǒng)產(chǎn)生自由衰減振蕩，用測(cè)量系統(tǒng)記錄該自由衰減振蕩的波形。

圖1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 The sketch of test equipment

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Test equipment photograph

圖3 隔振器安裝圖Fig.3 The installation of isolator

圖4 典型衰減振蕩波Fig.4 Typical wave of attenuation

3）取進(jìn)入穩(wěn)態(tài)自由衰減振蕩的3個(gè)波，計(jì)算出振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)剛度。

3 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

根據(jù)“振動(dòng)與沖擊隔離器性能測(cè)試方法”（GB/T 15168-1994）中第5.4.6條“安裝架或過渡板應(yīng)有足夠的剛性，其局部固有頻率至少應(yīng)為受試系統(tǒng)固有頻率的4倍或大于60 Hz”的要求，采用錘擊法對(duì)試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)的剛度進(jìn)行了測(cè)量，試驗(yàn)臺(tái)架的固有頻率為227 Hz。而本文研究的I型和II型隔振器的固有頻率均小于10 Hz，因此，試驗(yàn)臺(tái)架或過渡板的剛度滿足“振動(dòng)與沖擊隔離器性能測(cè)試方法”（GB/T 15168-1994）中的相關(guān)要求。采用上述試驗(yàn)裝置和方法，對(duì)I型編號(hào)I-1、I-2和II型編號(hào)II-1、II-2隔振器進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。

I型、II型隔振器的動(dòng)態(tài)性能測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果分別如表1、表2所示。

根據(jù)表1和表2中的測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果可得出以下結(jié)論：

表1 I型隔振器的測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果Tab.1 Test data and results of I type isolator

表2 II型隔振器測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果Tab.2 Test data and results of II type isolator

1）4個(gè)隔振器的動(dòng)剛度在各種初始位移下其測(cè)量值的偏差均在允許偏差范圍內(nèi)。

2）隨著初始位移的減少，動(dòng)剛度的測(cè)量值有稍微增大的趨勢(shì)。由于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自振衰減法沒有規(guī)定初始位移的大小，參照國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并根據(jù)本隔振器的變形大小，以初始位移取不大于1 mm為原則。

3）與將傳感器置于負(fù)載上相比，傳感器置于隔振器上時(shí)測(cè)量的動(dòng)剛度要大，可見傳感器的布置位置對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)稍有影響?！罢駝?dòng)與沖擊隔離器性能測(cè)試方法”（GB/T 15168-1994）的第5.4.7條規(guī)定，“振動(dòng)傳感器應(yīng)固定在接近受試系統(tǒng)的質(zhì)量中心及臺(tái)面中心”，因此，根據(jù)實(shí)際情況選擇質(zhì)量塊中心和隔振器中心都是可以接受的位置。

3.2 試驗(yàn)裝置存在的問題分析

依據(jù)“振動(dòng)與沖擊隔離器性能測(cè)試方法”（GB/T 15168-1994）中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)上述試驗(yàn)裝置（圖1）中存在的問題進(jìn)行了分析。從試驗(yàn)裝置原理圖中可看出，該裝置在理論上存在兩個(gè)問題：一是連接隔振器與質(zhì)量塊的拉桿和扣環(huán)（圖5）的剛性有限；二是試驗(yàn)裝置中存在著非剛性連接，如圖6所示。

連接隔振器與質(zhì)量塊的拉桿直徑為36 mm，長(zhǎng)度約0.3 m，計(jì)算出的拉桿的剛度約為676 000kN/m。此剛度約為I型隔振器垂向動(dòng)剛度的30倍，因此，估計(jì)拉桿會(huì)使I型隔振器垂向動(dòng)剛度的測(cè)量值減少約3.3%。試驗(yàn)裝置中的扣環(huán)直徑約36 mm，為近似的“U”形，振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形。

圖5 試驗(yàn)裝置中的扣環(huán)Fig.5 The ouch in the test equipment

1—固定壓緊螺母與壓板接觸連接處2—壓板與隔振器上表面接觸連接處3—質(zhì)量塊的扣環(huán)與拉桿的連接處

根據(jù)“振動(dòng)與沖擊隔離器性能測(cè)試方法”（GB/T 15168-1994）中的第 5.4.3條規(guī)定，“動(dòng)剛度測(cè)試中系統(tǒng)各部位的連接應(yīng)牢固，避免振動(dòng)時(shí)松動(dòng)”，而在上述試驗(yàn)裝置中，卻存在著3處非剛性連接的地方（圖6中的標(biāo)記1、標(biāo)記2和標(biāo)記3）。

3.3 改造后的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)

為綜合了解上述存在的問題對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)上述試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改造，以盡量消除拉桿、扣環(huán)剛度和非剛性連接的影響。改造后的試驗(yàn)裝置如圖7所示，試驗(yàn)方法與改造前的相似。由圖7可看出，改造后的隔振器置于強(qiáng)基座上，質(zhì)量塊壓在隔振器上面，質(zhì)量塊與隔振器之間幾乎為剛性連接，消除了之前試驗(yàn)裝置拉桿、扣環(huán)剛度和多處非剛性連接的影響。同時(shí)，為保證質(zhì)量塊的重量均勻作用在隔振器上表面，對(duì)質(zhì)量塊與隔振器上表面各個(gè)方向的相對(duì)位置進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)量，以確保質(zhì)量塊中心與隔振器中心重合，從而減少試驗(yàn)誤差。經(jīng)計(jì)算，基座的剛度約為1.4×107kN/m，遠(yuǎn)大于隔振器的剛度，約為隔振器剛度的600余倍，因此，可以認(rèn)為基座剛度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒影響。

圖7 改造后的試驗(yàn)裝置Fig.7 The improved test equipment

采用改造前、后的試驗(yàn)裝置對(duì)I型編號(hào)I-3隔振器進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果如表3所示。

表3 I-3隔振器測(cè)量數(shù)據(jù)和結(jié)果Tab.3 Test data and results of I-3 isolator

由表3可看出，改造后，試驗(yàn)裝置測(cè)量的動(dòng)剛度比改造前約大20%。造成的這種偏差來源于拉桿和扣環(huán)剛度、臺(tái)架剛度、非剛性連接與系統(tǒng)誤差等綜合因素。根據(jù)彈簧串聯(lián)原理，正是這些因素導(dǎo)致改造前所測(cè)得的隔振器動(dòng)剛度試驗(yàn)測(cè)量值偏小，但由于系統(tǒng)誤差無法確定，故無法確定拉桿和扣環(huán)剛度、臺(tái)架剛度、非剛性連接對(duì)隔振器動(dòng)剛度的影響所占的比例。

改造后的試驗(yàn)裝置的缺點(diǎn)主要有3點(diǎn)：一是隔振器安裝極不方便，安裝耗時(shí)長(zhǎng)，且不能進(jìn)行隔振器橫向動(dòng)剛度的測(cè)試；二是安裝時(shí)質(zhì)量塊中心與隔振器中心不易對(duì)齊，偏心量過大，會(huì)影響測(cè)量精度；三是試件過大時(shí)不易安裝，通用性較差。

4 改進(jìn)措施及建議

通過以上的試驗(yàn)對(duì)比和結(jié)果分析，認(rèn)為在改造前的試驗(yàn)裝置中，影響隔振器動(dòng)剛度測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的因素主要包括拉桿剛度、扣環(huán)剛度和3處非剛性連接，這可通過加大拉桿和扣環(huán)直徑，消除非剛性連接來對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)。為保證隔振器動(dòng)態(tài)性能測(cè)試的準(zhǔn)確性，建議在采用上述類似的動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)裝置時(shí)，應(yīng)注意以下問題：

1）試驗(yàn)裝置中各種連接件的剛度應(yīng)盡量大，以減少對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；

2）在試驗(yàn)裝置中，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)非剛性連接；

3）試驗(yàn)裝置中的質(zhì)量塊應(yīng)盡量為一整體，當(dāng)由多塊連接而成時(shí)，各塊之間的連接固定應(yīng)牢固，避免振動(dòng)時(shí)松動(dòng)。

4）試驗(yàn)振動(dòng)傳感器應(yīng)固定在接近受試系統(tǒng)的質(zhì)量中心及臺(tái)面中心。

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The Improvement of Dynamic Performance Test Method of Rubber Isolator

XIAO Wen-yong MENG Fan-hua WAN Peng

China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

As the main shock resistance component of the warship，the shock resistance capability of the rubber isolators determines the security of the devices.We presented the main performance parameters of the rubber isolator with their characteristics and relationships.The dynamic characteristics test methods were introduced，proposing experimental device of the free vibration decay method.By the original and im?proved test device，the dynamic characteristics test method of rubber isolator was carried out.And we pre?sented some improvement ways for the test device.The results show that some key factors influencing the dynamic characteristics test are stiffness of the rod，stiffness of the ring and the non-rigid connection.

rubber isolator；shock resistance capability；dynamic characteristics；ship

U661.43

A

1673－3185（2012）03－93－05

10.3969/j.issn.1673－3185.2012.03.018

2011－06－16

肖文勇（1979－），男，碩士，工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)。E?mail：xiaowenyong1207@126.com

孟凡華（1974－），男，高級(jí)工程師。研究方向：船舶結(jié)構(gòu)。

肖文勇。

［責(zé)任編輯：盧圣芳］