一種慣性導(dǎo)航用減振器的低溫工作特性

郭瑞毅，馬利寧，涂春潮，任玉柱，蘇正濤

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095）

0 引言

隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，飛行器上的電子、光學(xué)設(shè)備數(shù)量不斷增加，形式更加復(fù)雜。由于空氣動(dòng)力噪聲以及發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣噪聲作用會(huì)造成飛行器機(jī)體的振動(dòng)［1］，為了保證這些設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高設(shè)備可靠性，通常需要加裝減振器［2?4］。橡膠減振器因?yàn)榭杀恢瞥筛鞣N形狀，且質(zhì)量小、體積?。?］、 阻尼系數(shù)高［6］、 隔振頻率寬［7?8］的特性，在當(dāng)今工業(yè)體系中得以廣泛應(yīng)用。然而，通常的橡膠減振器的使用溫度受到了自身材料特性的限制。低溫條件下，減振器的動(dòng)態(tài)性能變化巨大，無(wú)法滿足溫度條件苛刻情況下的減振需求［9］。因此，需要對(duì)減振器的低溫性能進(jìn)行大量考核，保證在工作溫度下減振器性能合理可用。然而進(jìn)行低溫振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備要求高，且相對(duì)室溫試驗(yàn)較復(fù)雜，因此開展大量低溫試驗(yàn)的工作量較大，試驗(yàn)費(fèi)用和試驗(yàn)周期也很長(zhǎng)。若可以建立減振器工作溫度與振動(dòng)特性的函數(shù)關(guān)系，則可以減少試驗(yàn)性工作，且預(yù)估減振器在其要求的工作溫度下的振動(dòng)特性，也可為減振器的低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。壓剪混合型減振器由于其三向等剛度、安裝方便以及優(yōu)良的疲勞性能，在慣導(dǎo)系統(tǒng)上廣泛使用。本文以JZ?2壓剪混合型減振器為例，建立了低溫條件下減振器振動(dòng)特性與溫度的關(guān)系。并通過(guò)改變減振器膠料性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證減振器振動(dòng)特性與溫度的關(guān)系的普遍性。

1 試驗(yàn)

1.1 試件和試驗(yàn)儀器

試件為 JZ?2 型、 JZ?3 型、 JZ?4 型、 JZ?5 型減振器，試驗(yàn)儀器為DC?4000?40電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)和 ETHV?1200?70?30H 恒溫恒濕試驗(yàn)箱。

1.2 性能測(cè)試

如圖1和圖2所示，將JZ?2型減振器安裝在模擬工裝上，并將工裝固定在測(cè)試振動(dòng)臺(tái)上。將恒溫恒濕箱調(diào)節(jié)至指定溫度，待溫度穩(wěn)定后保溫1h。之后使用2g正弦掃頻10min完成單程10Hz～2000Hz振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)定被減振系統(tǒng)在該溫度下的一階諧振頻率f1－t以及此時(shí)的放大倍數(shù)D，并記錄。

2 結(jié)果與分析

為了研究低溫對(duì)橡膠減振器性能的影響，測(cè)量了減振系統(tǒng)Y方向從－70℃～20℃條件下的振動(dòng)曲線，記錄了系統(tǒng)的一階諧振頻率f1－t，以及相應(yīng)諧振頻率下的放大倍數(shù)D，如圖3所示。

由圖3可知，隨著溫度的降低，減振系統(tǒng)的諧振頻率不斷增大，且增大的速率不斷提升。這是由于隨著溫度的降低，橡膠材料的鏈段運(yùn)動(dòng)不斷受到限制，從而橡膠材料模量上升，減振系統(tǒng)剛度增大。此類型減振器在低溫條件下的諧振頻率經(jīng)擬合可以由式（1）表達(dá)。其中，t表示溫度，f1、a、b為3個(gè)與減振器自身結(jié)構(gòu)和膠料種類有關(guān)系的常數(shù)。

式中，f1－t為溫度t時(shí)減振器一階諧振頻率，單位為Hz；t為溫度，單位為℃。

為了驗(yàn)證這一諧振頻率與溫度的關(guān)系式，在－40℃條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)得減振器的一階諧振頻率為82.87Hz。利用式（2），計(jì)算得到的減振器在－40℃時(shí)的一階諧振頻率為82.27Hz。從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果看，擬合公式的誤差為7.2‰，即說(shuō)明使用這一擬合方式對(duì)減振器低溫諧振頻率有著很高的估算精度。

由圖3同樣可以發(fā)現(xiàn)，此減振器的放大倍數(shù)隨著溫度的降低先減小后增大。這是由于隨著溫度的降低，橡膠材料鏈段與鏈段之間的運(yùn)動(dòng)更加困難，因此在共振發(fā)生時(shí)有更多的能量被減振器轉(zhuǎn)化為熱能消耗。但當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時(shí)，部分鏈段已經(jīng)被徹底凍結(jié)無(wú)法運(yùn)動(dòng)，因此參與將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的鏈接數(shù)量減小，從而放大倍數(shù)提高。

JZ?3型、 JZ?4型和 JZ?5型減振器均屬于壓減混合型減振器，但其結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)承載、安裝方式均有所區(qū)別。此外，它們雖然均為硅橡膠減振器，但使用了不同的橡膠牌號(hào)，使得材料的邵氏硬度有較大差距。因此，使用這幾種減振器可以驗(yàn)證式（1）的普適性。使用這些減振器搭配各自的配重，分別組成的系統(tǒng)，測(cè)定其20℃、0℃和－20℃條件下的諧振頻率。并根據(jù)測(cè)試結(jié)果帶入式（1）中求出各自的f1、a和b， 從而確認(rèn)各自的低溫諧振頻率與溫度關(guān)系式。根據(jù)對(duì)應(yīng)的關(guān)系式求出－45℃時(shí)各減振器的諧振頻率，并與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。從表1可知，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的差距均小于5%，雖然與JZ?2型中的擬合結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果的誤差相比數(shù)值更大，但在工程應(yīng)用中已經(jīng)可以用于進(jìn)行預(yù)測(cè)。由此說(shuō)明，式（1）對(duì)于壓剪混合型硅橡膠減振器有著普適性。對(duì)于硅橡膠壓剪混合型減振器，只需3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)就足夠確認(rèn)其低溫工作特性。此外，結(jié)合試驗(yàn)點(diǎn)還可以預(yù)測(cè)減振器低溫性能，減少試驗(yàn)工作量，從而為減振器的選用提供依據(jù)。

表1 JZ?3型、 JZ?4型和 JZ?5型低溫諧振頻率及－45℃預(yù)測(cè)值Table 1 Resonant frequency of JZ?3， JZ?4 and JZ?5 in low temperature and the predicted resonant frequency in －45℃

表2 JZ?2型、JZ?3型、JZ?4型和JZ?5型減振器在不同溫度下的溫度敏感系數(shù)Table 2 Temperature sensitive parameters of JZ?2， JZ?3， JZ?4 and JZ?5 in different temperatures

3 結(jié)論

以一種航空慣性導(dǎo)航用減振器（JZ?2）的低溫動(dòng)態(tài)性能測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并利用多種型號(hào)減振器試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，總結(jié)出壓剪型減振器低溫下的工作特性與溫度的關(guān)系。其中，諧振頻率與溫度的關(guān)系為：

（1）硅橡膠壓剪型減振器的諧振頻率隨著溫度的降低不斷增大。

（2）對(duì)于硅橡膠壓剪型減振器產(chǎn)品，其低溫諧振頻率與溫度的關(guān)系符合一階指數(shù)衰減函數(shù)

（3）JZ?2型減振器在低溫階段比室溫條件下阻尼性能更優(yōu)，放大倍數(shù)隨著溫度的降低先減小后略有增加。

（4）對(duì)比4種減振器，可知JZ?5型的低溫穩(wěn)定性最好。