多方向沖擊條件下隔振器沖擊特性試驗(yàn)研究

陳 輝， 王韶楓， 何 斌， 黃亞平， 楊 軍， 杲 濤

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

多方向沖擊條件下隔振器沖擊特性試驗(yàn)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(guó)船舶科學(xué)研究中心九室，江蘇 無(wú)錫 214082；2. 華東減震器有限公司，江蘇 無(wú)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(shí)產(chǎn)生不同方向的大變形。此時(shí)，隔振器的沖擊特性與實(shí)驗(yàn)室單方向沖擊條件下獲得的試驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在差異。多方向沖擊對(duì)隔振器沖擊特性的影響目前國(guó)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(jī)對(duì)BE120和EA120兩型橡膠隔振器進(jìn)行兩個(gè)方向沖擊載荷同時(shí)作用下的沖擊試驗(yàn)研究。試驗(yàn)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(yàn)樣本太少，試驗(yàn)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(yàn)

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(gè)方向的耦合變形。以往的研究表明多方向載荷耦合作用會(huì)對(duì)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(jìn)行橫向沖擊試驗(yàn)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(shí)作用使得試驗(yàn)得到的隔振器橫向沖擊剛度減小了(沖擊位移8 mm時(shí)，相對(duì)偏差約為50%)。那么，實(shí)際使用條件下，多方向沖擊對(duì)隔振器的沖擊特性參數(shù)影響規(guī)律如何；此時(shí)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(guó)尚未開展研究，國(guó)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(jìn)行了兩型隔振器在兩個(gè)方向同時(shí)沖擊作用下的沖擊試驗(yàn)研究。試驗(yàn)一方面是要提出合適的測(cè)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(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理；另一方面，分析多方向沖擊作用下隔振器動(dòng)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(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

要在實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)單模擬某幾個(gè)固定方向沖擊的情況還是可以實(shí)現(xiàn)的，如在中型沖擊機(jī)上進(jìn)行設(shè)備的基座、艙壁30°傾斜安裝沖擊試驗(yàn)[2]。圖2所示為中國(guó)船舶科學(xué)研究中心沖擊爆炸試驗(yàn)室利用落錘沖擊機(jī)進(jìn)行鋼絲繩隔振器傾斜安裝沖擊特性檢測(cè)試驗(yàn)的情況[3]，隔振器通過專門設(shè)計(jì)的安裝架固定在沖擊錘底部，兩個(gè)隔振器對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)[4-6]。試驗(yàn)時(shí)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(duì)隔振器同時(shí)提供兩個(gè)方向沖擊載荷的要求。因此，參照?qǐng)D2所示的試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)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(cè)量沖擊錘的加速度響應(yīng)變化情況，通過位移傳感器測(cè)量隔振器的變形情況，如圖3～圖4所示。然后，根據(jù)測(cè)量參數(shù)計(jì)算得到?jīng)_擊特性參數(shù)包括沖擊剛度、阻尼等進(jìn)行比較[1，7-9]。

圖2 鋼絲繩隔振器沖擊特性試驗(yàn)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(yàn)裝置進(jìn)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(duì)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(gè)隔振器對(duì)稱安裝，可以認(rèn)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(jì)算得到。對(duì)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(yàn)裝置進(jìn)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(dāng)然，由于兩個(gè)隔振器對(duì)稱安裝D1=D3、D2=D4仍然適用，同時(shí)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(jì)測(cè)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(duì)多方向沖擊條件下隔振器剛度進(jìn)行解算。根據(jù)沖擊錘的沖擊響應(yīng)計(jì)算隔振器在沖擊錘沖擊方向的沖擊剛度(計(jì)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(yàn)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(yàn)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(lái)表示[10]，無(wú)需進(jìn)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(jìn)行多方向沖擊條件下的隔振器沖擊特性試驗(yàn)時(shí)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(jìn)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(jìn)行定性比較，步驟如下：

(a)進(jìn)行多方向沖擊載荷隔振器沖擊特性試驗(yàn)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(yàn)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(jìn)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(yàn)得到的隔振器沖擊剛度進(jìn)行比較。

此外，目前試驗(yàn)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(yàn)得到的阻尼參數(shù)平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，因此，可以直接對(duì)阻尼參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

3 試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)際試驗(yàn)設(shè)計(jì)了三個(gè)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。同時(shí)，定義隔振器承受主軸方向的壓縮和橫向單方向沖擊時(shí)隔振器安裝面與沖擊錘底面夾角分別為0°和90°，以對(duì)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(yàn)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(cè)量得到的沖擊錘加速度響應(yīng)時(shí)程曲線；

(2) 首次碰撞的加速度時(shí)程曲線；

(3) 加速度時(shí)程信號(hào)積分得到的速度時(shí)程曲線；

(4) 位移傳感器測(cè)量得到的位移時(shí)程曲線。

圖7的右側(cè)是隔振器的動(dòng)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(biāo)，以位移傳感器得到的變形數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)。曲線旁邊的文字部分表明了試驗(yàn)條件和得到的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)值[1]。同時(shí)，為了便于理論分析，將試驗(yàn)得到的動(dòng)態(tài)特性曲線進(jìn)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(duì)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(duì)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(yàn)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(yàn)得到的動(dòng)態(tài)特性曲線進(jìn)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(dòng)態(tài)特性曲線。從圖中可以看出：

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

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

因此，可以將各次試驗(yàn)得到的十等分折線進(jìn)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(diǎn)為各次試驗(yàn)得到的十等分折線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖8 不同落高條件下隔振器沖擊試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果對(duì)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(diǎn)位置置于0點(diǎn)。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(shí)作用下對(duì)隔振器的沖擊特性存在影響。

利用2.2節(jié)描述的計(jì)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(yàn)位移抗力曲線為基準(zhǔn)，推算出30°、45°和60°安裝角條件下的典型位移抗力曲線與實(shí)際試驗(yàn)得到曲線對(duì)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(shí)作用對(duì)隔振器的沖擊特性是存在影響的，推算曲線與試驗(yàn)曲線之間也存在差異，還需進(jìn)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(yàn)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(duì)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(yàn)得到的位移抗力曲線存在的差異。本節(jié)通過對(duì)上述位移抗力曲線進(jìn)行擬合處理，得出各條曲線的線性段剛度，然后對(duì)線性段剛度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，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(jì)算得到，因此不再進(jìn)行擬合處理(實(shí)際擬合結(jié)果與計(jì)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(zhǔn)，對(duì)比計(jì)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(duì)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(zhǔn)剛度值通過簡(jiǎn)單的計(jì)算后相對(duì)偏差小于3.0%，但是60°安裝角條件下的計(jì)算方式與其他兩個(gè)角度的不一致；

(2)對(duì)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(zhǔn)剛度值通過簡(jiǎn)單的計(jì)算后相對(duì)偏差小于15%，但是各安裝角條件下的計(jì)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(zhǔn)，30°、45°、60°安裝角條件下剛度值與基準(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)，對(duì)比計(jì)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(duì)BE120型隔振器，將90°安裝隔振器的沖擊剛度乘以?shī)A角的正弦，計(jì)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(duì)偏差在9.6%以內(nèi)；

(2)對(duì)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(duì)偏差在7.2%以內(nèi)。

表2 隔振器沖擊剛度對(duì)比表

表3 隔振器沖擊剛度對(duì)比表

隔振器30°、45°和60°安裝角條件下的線性段剛度試驗(yàn)值與推算值的對(duì)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(yàn)值與推算值最大偏差達(dá)到11.8%，而EA120型隔振器達(dá)到了33.6%。EA120型隔振器推算得到的沖擊剛度與試驗(yàn)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(jiǎn)單疊加，2.1節(jié)的推導(dǎo)公式(4)對(duì)EA120型隔振器并不適用。

3.2.3 阻尼參數(shù)比較

本次試驗(yàn)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(duì)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(jì)算公式：

(5)

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

(2)對(duì)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(jì)算公式，阻尼比也有所減小；

(3)對(duì)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(dāng)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(yàn)，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(jiǎn)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(shí)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(duì)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(gè)主軸方向沖擊作用下的沖擊特性試驗(yàn)方法、不同安裝角度靜剛度與沖擊剛度的對(duì)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(shí)，試驗(yàn)樣本數(shù)太少，試驗(yàn)結(jié)論并不能代表所有類型隔振器的特性，此外試驗(yàn)方法對(duì)于實(shí)際情況由于設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響還不能進(jìn)行考慮，還需要進(jìn)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(jí)工程師，1980年9月生

U610.30

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.036