可調(diào)節(jié)固定式減振限位器結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

金 玲，張 程,2，張 晶，宋 磊，許俊偉

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可調(diào)節(jié)固定式減振限位器結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

金 玲1，張 程1,2，張 晶1，宋 磊1，許俊偉1

（1．中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2．國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院，長沙，410073）

飛行器在垂直熱發(fā)射同心筒內(nèi)貯存、運輸過程中，減振限位器起到固定、支承、平衡飛行器及發(fā)射導(dǎo)向的作用。減振限位器必須具有較好的減振性能、力學(xué)強度和良好的成型工藝性。由于艦載同心筒發(fā)射要求發(fā)射過程中不能有拋出物，因此采用固定式減振限位器，即減振限位器固定在發(fā)射筒內(nèi)壁面不隨飛行器運動實現(xiàn)分離。同時提出可調(diào)節(jié)設(shè)計思路，通過改變自身尺寸來適應(yīng)發(fā)射筒尺寸，降低發(fā)射筒加工精度及成本。可調(diào)節(jié)固定式止動減振器主要從結(jié)構(gòu)方案、材料性能、動力學(xué)分析及試驗等多方面開展設(shè)計。該結(jié)構(gòu)可適用于不同尺寸的發(fā)射筒內(nèi)壁，實現(xiàn)飛行器在發(fā)射筒內(nèi)的導(dǎo)向、支撐固定、減振及發(fā)射分離等多種功能外，實現(xiàn)了發(fā)射過程中拋撒物的有效控制，降低了發(fā)射筒生產(chǎn)成本，其技術(shù)成果可直接應(yīng)用于艦載、陸基等多種筒式發(fā)射系統(tǒng)中，具有廣泛應(yīng)用價值。

減振限位器；可調(diào)節(jié)；固定式；減振材料

0 引 言

同心筒式發(fā)射裝置適用于艦載垂直發(fā)射系統(tǒng)，采用同心布置的內(nèi)外筒可作為艦載武器貯存、運輸及發(fā)射的容器。傳統(tǒng)的同心筒結(jié)構(gòu)多由兩個同心圓筒組成，適合小尺寸與無翼飛行器發(fā)射，難以實現(xiàn)大尺寸有翼飛行器的同心筒發(fā)射。相比于現(xiàn)有同心筒結(jié)構(gòu)，提出一種異型筒，為非封閉式筒結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸有翼飛行器同心筒垂直熱發(fā)射。

減振限位器結(jié)構(gòu)是該異型同心筒式發(fā)射裝置中飛行器與發(fā)射筒之間的連接和支撐裝置，對飛行器在發(fā)射筒中的貯存、運輸、裝卸和發(fā)射有極其重要的作用，該結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)是發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

而該新型結(jié)構(gòu)面臨一項技術(shù)難題，即發(fā)射系統(tǒng)的調(diào)節(jié)支撐限位結(jié)構(gòu)設(shè)計。在飛行器裝填異型薄壁非封閉式、尺寸偏差較大的發(fā)射筒后，需要一種可調(diào)節(jié)固定式的支撐減振限位結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了大型飛行器支撐在薄壁非封閉式尺寸偏差較大的發(fā)射筒內(nèi)，并且同時滿足垂直熱發(fā)射通垂同心筒在飛行器發(fā)射過程中不能有拋出物的要求。

現(xiàn)有減振限位器結(jié)構(gòu)均為調(diào)節(jié)范圍較小的高匹配性結(jié)構(gòu)，對發(fā)射筒的尺寸精度要求較高，因此增加了發(fā)射筒的加工成本，并加大了結(jié)構(gòu)的安裝難度。而可調(diào)節(jié)式限位器結(jié)構(gòu)，是在發(fā)射筒加工精度不高、尺寸偏差較大的情況下提出的一種可通過改變自身尺寸來適應(yīng)發(fā)射筒尺寸的結(jié)構(gòu)。

可調(diào)節(jié)固定式減振限位器，可安裝于不同尺寸的發(fā)射筒內(nèi)壁，使飛行器與發(fā)射筒之間具有一定范圍壁面縫隙調(diào)節(jié)量，降低了發(fā)射筒的加工精度，有效減小了成本，并可以實現(xiàn)飛行器在發(fā)射筒內(nèi)的導(dǎo)向、支撐固定、減振及發(fā)射分離功能。該結(jié)構(gòu)方案可推廣應(yīng)用于各種同心筒發(fā)射結(jié)構(gòu)中。在飛行器停放、運輸過程中起到支撐固定與減振作用，在飛行器裝填與發(fā)射過程中起導(dǎo)向作用，飛行器出筒后，減振限位器固定在發(fā)射筒壁面上，不隨飛行器運動實現(xiàn)分離。

新型減振限位器必須具有良好的減振性能，且有一定的力學(xué)強度，成型工藝性好，容易預(yù)先設(shè)置預(yù)埋件。開展可調(diào)節(jié)固定式減振限位器的減振墊設(shè)計與力學(xué)性能分析，主要從結(jié)構(gòu)方案、材料性能、動力學(xué)分析及試驗等多方面開展設(shè)計。

1 整體布局設(shè)計

減振限位器為弧形，與發(fā)射筒采用螺紋固定連接方式，在發(fā)射筒4個象限中心的筒壁上對稱布置，沿軸向安裝10片減振限位器，上部布置較密，下部稍疏，如圖1所示。

圖1 減振限位器布局

在裝配中，先對發(fā)射筒的尺寸進行測量，在飛行器與筒之間間隙量較大的減振限位器安裝處，調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)件的厚度來調(diào)節(jié)減振限位器高度以適應(yīng)間隙量的不同，實現(xiàn)可調(diào)節(jié)的功能。由于減振限位器飛行器發(fā)射脫離發(fā)射筒后，減振限位器不隨飛行器離開發(fā)射筒，實現(xiàn)了與飛行器的自分離功能。

2 結(jié)構(gòu)組成

可調(diào)節(jié)固定式減振限位器主要由基體、連接組件及預(yù)設(shè)件等組成，如圖2所示。

圖2 減振限位器結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成

1 —基體；2—連接組件；3—預(yù)設(shè)件

基體由基層及表層減阻面組成，其中基層材料為聚氨酯泡沫，不可壓縮，具有較好的緩沖和抗沖擊特性，主要用于減振；表層減阻面采用表面噴涂聚四氟乙烯，減小摩擦力，摩擦系數(shù)小于0.2。連接組件為適用減振限位器結(jié)構(gòu)的特質(zhì)螺栓。預(yù)設(shè)件在基體成型過程中提前安裝在聚氨酯泡沫中，預(yù)設(shè)件與發(fā)射筒內(nèi)筒通過連接組件進行連接。

設(shè)計參數(shù)如下：

a）理論間隙為-3.6～3.6 mm；

b）理論厚度為17 mm。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 基體設(shè)計

3.1.1 基層材料選擇

減振限位器上基層主要作用是實現(xiàn)對飛行器的補償和減振作用，通常要求具有良好的動靜態(tài)壓縮-變形特性以及抗蠕變、抗老化等優(yōu)良性能。飛行器貯存環(huán)境的多樣性，要求減振材料具有良好的彈性性能和耐候性能，能夠耐高低溫、濕氣，具有抗菌性能。對材料的這些性能要求有時是相互矛盾的，需要根據(jù)不同發(fā)射平臺的具體要求選擇合適的材料和加工工藝。減振墊所采用的材料主要有橡膠類[1]（如天然橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、乙烯丙烯橡膠、氯丁橡膠等）、聚氨酯彈性體、聚氨酯泡沫等或材料混合物。其中以聚氨酯彈性體和聚氨酯泡沫的應(yīng)用最為廣泛。

聚氨酯彈性體的性能及成型工藝特點如下：

a）聚氨酯彈性體成型工藝性良好；

b）聚氨酯彈性體密度可以根據(jù)不同用途進行調(diào)整，這種材料質(zhì)量輕、強度大；

c）隔熱性能良好，導(dǎo)熱系數(shù)小于一般非金屬材料；

d）耐化學(xué)性能良好；

e）耐溫性能良好，可以用于-100 ℃的低溫場合，也可以用于+120 ℃以內(nèi)的高溫領(lǐng)域。

f）聚氨酯彈性體不容易吸水，幾乎是一種閉孔材料，吸水率較低。

聚氨酯彈性體的這些特點，決定其是制造減振墊的最佳材料。根據(jù)以上材料性能，選取聚氨酯彈性體作為減振墊的原始材料。

3.1.2 表層減阻面設(shè)計

聚四氟乙烯，一般稱作“不粘涂層”或“易潔護物料”，是一種使用了氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯具有耐高溫的特點，它的摩擦系數(shù)極低，所以可作潤滑劑使用，因此成為減振墊表層的理想涂料。

聚四氟乙烯氟聚合物具有的特性如下：

a）不粘性：大部分物質(zhì)都不與聚四氟乙烯涂膜粘合，即使很薄的膜也顯示出良好不粘附性能。

b）耐熱性：聚四氟乙烯涂膜具有優(yōu)良的耐熱和耐低溫特性。其熔點為327 ℃，高于其他一般的高聚物。短時間可耐高溫到300 ℃，一般在240～260 ℃之間可連續(xù)使用，具有顯著的熱穩(wěn)定性，在高溫下不融化。在260 ℃時其斷裂強度仍保持在5 MPa左右（約為室溫的1/5），抗屈強度達114 MPa。

c）滑動性：聚四氟乙烯涂膜有較低的摩擦系數(shù)，負(fù)載滑動時摩擦系數(shù)產(chǎn)生變化，但數(shù)值在0.05～0.15之間，滿足設(shè)計要求。

d）耐磨損性：在高負(fù)載下，具有優(yōu)良的耐磨性能，具備耐磨損和不粘附的雙重優(yōu)點。

填充改性是在聚四氟乙烯中加入能經(jīng)受燒結(jié)溫度的填充物，顯著提高聚四氟乙烯的機械強度、硬度及耐磨性，同時保持其它優(yōu)良性能。

3.1.3 基層與減阻面的粘接

由于聚四氟乙烯具有表面能低，光滑且具有不粘性，故選用什么方法實現(xiàn)聚四氟乙烯的粘結(jié)非常重要。傳統(tǒng)的粘結(jié)方法有萘溶液處理粘接法、鈉液氨溶液處理粘接法、表面無須特殊處理的粘接三類粘接方法。這3種方法比較典型和常規(guī)，也比較保守，它們有一個共同的缺點：粘接時間長，過程復(fù)雜。單從效率方面來考慮，傳統(tǒng)方法顯然不十分理想。下面介紹的新型膠粘劑，可以解決這一問題。

SG-P-10粘接劑：該粘接劑由底涂劑P-10和瞬間強力膠SG-506組合的雙組分、溶劑型膠粘接，適合于聚四氟乙烯與工件材料的快速粘合。粘接工藝：將被粘表面用丙酮或乙醇溶液擦洗干凈，晾干；用底涂劑P-10分別刷涂被粘表面，晾干（6 min）；用強力膠SG-506快速粘接，10 s即可粘牢。

由于聚四氟乙烯薄膜表面過于光滑具有不粘性，在實際粘貼過程中會因為薄膜厚度而發(fā)生難以粘貼現(xiàn)象，必須要求聚四氟乙烯薄膜很薄，但是難以保證動力學(xué)使用過程的安全性?，F(xiàn)有特殊發(fā)泡過程，受薄膜厚度影響較小。

采用聚四氟乙烯乳液為主要原料，添加一定比例的增稠劑、發(fā)泡劑等助劑，配制成涂層劑。將涂層劑導(dǎo)入泡沫發(fā)生器，通過控制系統(tǒng)控制發(fā)泡比和泡沫大小，用泡沫施加裝置使泡沫均勻地涂敷在復(fù)合濾料表面，然后送入高溫烘箱進行烘焙，冷卻即可完成。

3.2 連接組件設(shè)計

連接組件包含特制內(nèi)六角沉頭螺釘及防松墊片，安裝后連接組件低于安裝孔的上表面，不與其他位置干涉，減小了整體體積。該連接結(jié)構(gòu)根據(jù)減振限位器尺寸進行設(shè)計，內(nèi)六角形式的沉頭螺釘頭部用料少、不易滑角、松緊螺釘時所受力矩較大，便于緊固和拆卸。防松墊片防止螺釘連接松動。整體結(jié)構(gòu)具有安裝方便，機械制造簡便、成本低等特點。內(nèi)六角沉頭螺釘如圖3所示。

圖3 內(nèi)六角沉頭螺釘結(jié)構(gòu)示意

3.3 預(yù)設(shè)件設(shè)計

圖4為預(yù)設(shè)件結(jié)構(gòu)，材料為金屬，其厚度方向通過增加調(diào)節(jié)片來改變高度尺寸，達到調(diào)節(jié)間隙的目的。

圖4 預(yù)設(shè)件結(jié)構(gòu)圖

4 燒蝕試驗

減振限位器上的減振墊材料設(shè)計完成后，利用自由射流試驗對多種減振墊材料的熱沖擊環(huán)境適應(yīng)性進行考核，以驗證減振墊方案的正確性。試驗件產(chǎn)品及設(shè)備如圖5、圖6所示。

圖5 減振墊材料燒蝕試驗件

圖6 自由射流試驗設(shè)備

在試驗方案策劃時，重點考慮研制進度、成本及一次試驗成功率等因素。試驗采用臥式動力試驗臺，安裝四噴管動力機，以構(gòu)建減振墊在筒內(nèi)受到的燃氣流場環(huán)境，從而驗證減振限位器的減振材料對熱沖擊環(huán)境的適應(yīng)性。

試驗過程中，發(fā)動機正常工作，減振材料表面噴涂聚四氟乙烯，經(jīng)燃氣流沖擊后，表面有很薄一層粘附的軟化物質(zhì)。試驗件整體結(jié)構(gòu)保持良好，沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形及厚度損失較多（超過0.5 mm）的情況。

通過考核驗證，所選減振限位器產(chǎn)品能夠滿足燃氣流的熱沖擊環(huán)境要求，該試驗的圓滿完成，是減振限位器新技術(shù)攻關(guān)的階段性成果。

5 動力學(xué)分析方法[2,3]

減振限位器的動態(tài)響應(yīng)仿真分析模型包含材料非線性、接觸、摩擦、大位移和高速碰撞等問題，涉及高速非線性動力學(xué)和非線性材料特性等研究領(lǐng)域。根據(jù)飛行器發(fā)射要求，對飛行器出筒過程開展動力學(xué)仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究減振墊特性參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸以及布局對飛行器內(nèi)彈道的影響，為飛行器發(fā)射系統(tǒng)總體方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

為了能較為準(zhǔn)確地模擬飛行器發(fā)射瞬間各部位響應(yīng)的情況，分析計算運用結(jié)構(gòu)動力學(xué)的方法建立發(fā)射箱動力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ停M行飛行器發(fā)射動態(tài)響應(yīng)計算。模型中考慮了系統(tǒng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，處理了復(fù)雜的接觸、碰撞、非線性問題。采用了殼單元、顯式非線性動態(tài)方法模擬飛行器發(fā)射過程，較好地模擬了結(jié)構(gòu)在動態(tài)過載作用下的動力學(xué)響應(yīng)和動態(tài)特性。

圖7為動力學(xué)分析曲線，分析得出減振限位器和飛行器間摩擦力、各道減振限位器動態(tài)響應(yīng)及預(yù)壓后減振限位器的剛度為=1.5×106N/m。通過動力學(xué)分析，得到減振墊特性參數(shù)及變形受力情況，為減振限位器及接口的具體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計提供依據(jù)。

圖7 動力學(xué)分析曲線

6 結(jié)束語

可調(diào)節(jié)固定式減振限位器在設(shè)計上具有如下創(chuàng)新性和優(yōu)點：

a）減振限位器具有面積小、厚度可調(diào)、與飛行器采用間隙配合方式的特點，有效減小了飛行器裝填的阻力，降低了裝填難度；

b）減振限位器與發(fā)射筒采用螺紋固定連接方式，飛行器發(fā)射脫離發(fā)射筒后，減振限位器不隨飛行器離開發(fā)射筒，實現(xiàn)了與飛行器的分離功能，避免了發(fā)射出現(xiàn)拋灑物毀傷艦船的問題；

c）減振限位器可安裝于不同尺寸的發(fā)射筒內(nèi)壁，增加飛行器與發(fā)射筒之間的間隙調(diào)節(jié)量，操作方便，降低加工精度及成本。

可調(diào)節(jié)固定式減振限位器結(jié)構(gòu)方案，參加了某課題地面發(fā)射試驗，已經(jīng)成功應(yīng)用到型號研制方案上。經(jīng)地面試驗考核，該方案設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)增加飛行器與發(fā)射筒之間的間隙調(diào)節(jié)量，滿足飛行器在發(fā)射筒內(nèi)的導(dǎo)向、支撐固定、減振及發(fā)射分離等多種功能。其技術(shù)成果可直接應(yīng)用于艦載、陸基等多種筒式發(fā)射系統(tǒng)中，具有廣泛應(yīng)用價值。

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[2] 顧伯洪, 孫寶忠. 紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料沖擊動力學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2012.

Gu Bohong, Sun Baozhong. Impact mechanics of the resurrected material of textile structure[M]. Beijing: Science Press, 2012.

[3] 陳前, 朱德. 粘彈性復(fù)合結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)數(shù)值分析方法[J]. 機械科學(xué)與技術(shù), 2000(S1): 49-51.

Chen Qian, Zhu De. Numerical analysis method for dynamic response of viscoelastic composite structure[J]. Mechanical Science and Technology, 2000(S1): 49-51.

Research and Application of Adjustable and Fixed Structure ofLimiter Absorber

Jin Ling1, Zhang Cheng1,2, Zhang Jing1, Song Lei1, Xu jun-wei1

(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076;2. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha, 410073)

When the aircraft is stored and transported in a concentric cylinder with vertical heat emission, the limiter absorber is used to fix, support, balance the aircraft and launch guidance. The limiter absorber must have good damping performance, mechanical strength and molding process. The launching of ship-based concentric canister requires that there is no projectile during launch. So, we use the fixed limiter absorber, which is fixed on the inner surface of the launcher and does not separate with the movement of the aircraft. We propose adjustable design ideas, the limiter absorber adapt the size of the launcher by changing its size to reduce the accuracy and cost of launcher. We design the new limiter absorber from the aspects of structural scheme, material properties, dynamic analysis and test, etc. The new limiter absorber is suitable for the inner surface of the launcher with different sizes. It is not only to make the aircraft realize the functions of guidance, supporting and fixing, vibration damping, separating in the launcher. But also can control the superfluities and reduce the production costs. This technology can be applied to the various launching systems of ship-based and land-based, which have widely application value.

Limiter absorber; Adjustable; Fixed; Damping material

1004-7182(2018)01-0089-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180118

V19

A

2017-06-19；

2017-09-26

金 玲（1986-），女，工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)總體設(shè)計