遙控武器站黏彈性膠體緩沖器試驗(yàn)研究

王之千， 毛保全， 朱銳， 楊雨迎， 韓小平

(陸軍裝甲兵學(xué)院 兵器與控制系, 北京 100072)

0 引言

遙控武器站是可安裝在多種載體上相對(duì)獨(dú)立的模塊化武器系統(tǒng)[1]。我國現(xiàn)有遙控武器站主要依靠彈簧緩沖器以消耗和緩沖機(jī)槍后坐時(shí)傳遞到遙控武器站架座上的能量。然而彈簧緩沖器剛度大、阻尼小，后坐緩沖過程中存在能量耗散不足、后坐力偏大，致使槍口出現(xiàn)跳動(dòng)，導(dǎo)致遙控武器站射擊密集度低、可靠性差等問題。為此，杜敏等[2]將彈簧加工變形成碟形或環(huán)形等結(jié)構(gòu)，使其具有一定能量耗散能力，并將其應(yīng)用于自動(dòng)武器上。但這類緩沖器仍屬于低耗能型緩沖器，能量消耗較少，不適用于承受較大阻力和需要消耗較多能量的工作環(huán)境。武器裝備上也常采用氣體式緩沖器[3]、彈簧組合式緩沖器[4]、液氣式緩沖器[5]、磁流變緩沖器[6]、泡沫金屬緩沖器[7]等作為安全保護(hù)裝置或提高武器性能，但亦存在能量吸收率低、密封困難、工作頻率不易過快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、受遙控武器站結(jié)構(gòu)限制不易實(shí)現(xiàn)等問題。Wang等[8]根據(jù)遙控武器站實(shí)際工況構(gòu)建了武器站動(dòng)力學(xué)模型，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)含阻尼較高的緩沖裝置可以有效減小后坐沖擊，提高遙控武器站射擊密集度。因此，選擇高阻尼、高彈性的緩沖器是提高遙控武器站性能的重要手段。

黏彈性膠體緩沖器兼有橡膠緩沖器和液壓緩沖器的高黏彈性與高阻尼性能[9]，且耐高低溫和耐老化性能良好，頗受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。根據(jù)黏彈性膠體材料的不同和緩沖器結(jié)構(gòu)的變化，黏彈性膠體緩沖器體現(xiàn)的性能也各不相同，應(yīng)用于鐵道機(jī)車[9]、火炮[10]、艦艇管道[11-12]、建筑土木[13-15]、車輛懸掛[16-18]等領(lǐng)域，且緩沖、減振效果顯著。劉韋[9]將黏彈性膠體緩沖器應(yīng)用于高速動(dòng)車組上，有效地降低了動(dòng)車組的縱向沖動(dòng)，提高旅客的乘坐舒適性。馬彥晉[10]設(shè)計(jì)了一種適用于火炮反后坐裝置的黏彈性膠體緩沖器，通過試驗(yàn)及仿真證明了其具有良好的緩沖性能和軍事價(jià)值。Jia等[11-12]設(shè)計(jì)了一種用于減少艦船管道振動(dòng)的黏彈性膠體阻尼器，采用線性流體模型和冪率函數(shù)，通過試驗(yàn)推導(dǎo)出了適用于沖擊環(huán)境下的半經(jīng)驗(yàn)公式，為阻尼器設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。Gong等[15]研究了一種用于建筑抗震、具有較強(qiáng)非線性特性的黏彈性阻尼器，并通過試驗(yàn)證明了該阻尼器的優(yōu)勢。Li等[18]構(gòu)建了考慮形狀參數(shù)的分?jǐn)?shù)階黏彈性振子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，以某工程車輛為實(shí)例，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，為黏彈性阻尼器的應(yīng)用提供了理論模型。文獻(xiàn)[19-20]設(shè)計(jì)了一種新型液彈阻尼器以減小直升機(jī)旋翼的擺振，通過模型構(gòu)建和試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了這種阻尼器的優(yōu)勢。為研究黏彈性膠體阻尼緩沖器啟動(dòng)流，王之千等[21]提出了一種含準(zhǔn)態(tài)特性的分?jǐn)?shù)Maxwell 模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，并研究了黏彈性膠體材料在緩沖器中的流動(dòng)特點(diǎn)。Xu等[22]基于分子鏈網(wǎng)絡(luò)的微觀結(jié)構(gòu)和溫度頻率等效原理，建立了黏彈性材料正多面體鏈網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)比數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性，并通過動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)表明了黏彈性阻尼器具有良好的耗能能力。

以上研究表明黏彈性膠體緩沖器具有良好的儲(chǔ)耗能能力，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛且成熟。但遙控武器站射擊條件與車輛懸掛等領(lǐng)域?qū)嶋H工況差別很大，導(dǎo)致緩沖器尺寸、行程、結(jié)構(gòu)迥異，無法直接移植應(yīng)用，且黏彈性膠體緩沖器應(yīng)用于車載自動(dòng)武器緩沖后坐中鮮有報(bào)道。另外，膠體材料的制備方式、方法屬于商業(yè)機(jī)密，不輕易公開，而現(xiàn)有黏彈性膠體材料黏度受溫度影響變化較大，黏溫特性較差，基于遙控武器站復(fù)雜的使役環(huán)境，直接應(yīng)用于黏彈性膠體緩沖器易出現(xiàn)較低溫度下遙控武器站無法正常工作，導(dǎo)致可靠性下降等問題。

因此，本文配制了一種黏溫特性較好的黏彈性膠體材料，研發(fā)了一種適用于遙控武器站的黏彈性膠體緩沖器。通過靜壓試驗(yàn)、落錘試驗(yàn)和射擊頻率模擬試驗(yàn)，并與原遙控武器站彈簧緩沖器性能進(jìn)行對(duì)比，研究黏彈性膠體緩沖器的力學(xué)特性。

1 黏彈性膠體材料的配制

1.1 組成成分

配制的黏彈性膠體材料主體成分為甲基硅橡膠，其組成成分如表1所示。其中：端羥基硅油作為調(diào)和劑，用以提高黏彈性膠體材料的流動(dòng)性；聚硅氧烷液晶彈性體作為改性劑，不僅具有非交聯(lián)液晶高分子的液晶性能，而且具有彈性體良好的軟彈性，用以改善膠體材料的彈性、流動(dòng)性和有序性；蒙脫土和納米二氧化硅作為增塑劑，用以調(diào)節(jié)黏彈性膠體材料的黏度、體積壓縮率和阻尼值等性能，同時(shí)起到降低成本的作用。

表1 黏溫特性較好的黏彈性膠體材料組成成分Tab.1 Compositions of viscoelastic elastomer material with temperature insensitivity and high viscoelasticity

根據(jù)表1中材料組成成分，按照總質(zhì)量200 g配制黏彈性膠體材料。采用臺(tái)秤分別稱取甲基硅橡膠120.4 g、端羥基硅油72.4 g、液晶彈性體2.4 g、端羥基聚丁二烯0.8 g、蒙脫土1.2 g、納米二氧化硅1.2 g、炭黑1.2 g、石墨1.2 g. 配置時(shí)先將甲基硅橡膠、液晶彈性體、蒙脫土、納米二氧化硅、炭黑、石墨等放置于光滑玻璃板上混合均勻，而后將其加入三輥研磨機(jī)中，一邊研磨一邊均勻加入秤好的端羥基聚丁二烯和端羥基硅油，待其充分混合后，取出靜置168 h，期間觀察有無分層現(xiàn)象，如無分層現(xiàn)象發(fā)生即配制得所需黏彈性膠體材料，其實(shí)物如圖1所示。

圖1 黏溫特性較好的黏彈性膠體材料實(shí)物Fig.1 Viscoelastic elastomer material with good viscosity-temperature characteristic

1.2 性能分析

圖2 兩種黏彈性膠體材料動(dòng)力黏度對(duì)比Fig.2 Dynamic viscosities of two viscoelastic elastomers

圖2為所配制的黏彈性膠體材料與購置的某公司5×105mm2/s膠體材料的動(dòng)力黏度隨溫度變化曲線。從圖2中可以看出：現(xiàn)有動(dòng)力黏度5×105mm2/s膠體材料實(shí)際動(dòng)力黏度為4.3×105mm2/s(20 ℃時(shí))，比目標(biāo)值5×105mm2/s?。滑F(xiàn)有膠體材料動(dòng)力黏度隨溫度變化很大，-50 ℃時(shí)動(dòng)力黏度為4.21×106mm2/s，而80℃時(shí)動(dòng)力黏度為1.57×105mm2/s，低溫與高溫下的動(dòng)力黏度比為26.88(見表2)。我國南北溫差大，因此遙控武器站使役溫差也很大。如果將現(xiàn)有膠體材料直接應(yīng)用于遙控武器站黏彈性膠體緩沖器中，低溫環(huán)境下膠體材料黏度太大，導(dǎo)致黏彈性膠體緩沖器緩沖不充分，無法正常工作，易出現(xiàn)首發(fā)命中率及射擊密集度過低、可靠性差的問題。從圖2中可以看出：配制的黏彈性膠體材料動(dòng)力黏度雖隨溫度有變化，但較現(xiàn)有膠體材料變化不大，其-50 ℃的動(dòng)力黏度1.45×106mm2/s比同溫度下現(xiàn)有膠體材料動(dòng)力黏度降低了2.91倍；當(dāng)溫度大于10 ℃后，配制的黏彈性膠體材料動(dòng)力黏度均比現(xiàn)有的高，在80 ℃時(shí)動(dòng)力黏度為2.27×105mm2/s，是同溫度下現(xiàn)有膠體材料的1.44倍，而且20 ℃時(shí)的動(dòng)力黏度為5.07×105mm2/s與目標(biāo)值5×105mm2/s基本相符。結(jié)合表2和圖2可知，配制的黏彈性膠體材料低溫與高溫動(dòng)力黏度比為6.38，較現(xiàn)有黏彈性膠體材料下降了4.21倍。由此可見，所配制的黏彈性膠體材料較現(xiàn)有膠體材料黏溫特性明顯增強(qiáng)，且常溫下動(dòng)力黏度與目標(biāo)值相當(dāng)，證明了其具有較好的黏溫特性，更滿足遙控武器站黏彈性膠體緩沖器的需求。

表2 兩種膠體材料低溫與高溫下動(dòng)力黏度比Tab.2 Dynamic viscosity ratios of two viscoelastic elastomers at low and high temperatures

2 黏彈性膠體緩沖器的結(jié)構(gòu)及原理

圖3 某型遙控武器站黏彈性膠體緩沖器示意圖Fig.3 Geometrical schematic of a viscoelastic elastomer damper

黏彈性膠體緩沖器選擇單出桿混合式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組成如圖3所示。緩沖器支座用于連接緩沖器和遙控武器站架座，起傳遞和承力作用。緩沖器活塞缸通過螺紋與緩沖器支座連接，而活塞堵頭也通過螺紋與緩沖器活塞缸連接。O形密封圈、單向閥等組成黏彈性膠體注入口，黏彈性膠體材料通過其注入緩沖器腔室中。根據(jù)需要增加黏彈性膠體材料的填充量，使阻尼緩沖器具有一定的預(yù)壓力，稱為初始預(yù)緊力。射擊過程中機(jī)槍通過活塞桿將力傳遞給緩沖器，當(dāng)緩沖器受到外力大于初始預(yù)緊力時(shí)，活塞桿推動(dòng)活塞壓縮緩沖器腔室內(nèi)的黏彈性膠體材料。膠體材料被迫流過節(jié)流間隙和活塞上的阻尼孔，產(chǎn)生黏滯力，阻礙活塞前行，這一過程中外力轉(zhuǎn)化為熱能和勢能，消耗和存儲(chǔ)。當(dāng)外力被撤消時(shí)，沖擊力小于初始預(yù)緊力，黏彈性膠體材料自行膨脹，釋放壓縮過程中儲(chǔ)存的勢能，將活塞推回到初始位置，而通過阻尼孔和節(jié)流間隙被擠入前腔體的膠體材料流回后腔體，等待下次沖擊或壓力。

在添加膠體材料時(shí)，首先擰松活塞堵頭便于膠體材料加入時(shí)空氣的排出。采用膠體材料填充裝置(見圖4)連接緩沖器上的黏彈性膠體注入口注入膠體材料。膠體材料填充裝置中充滿配制好的膠體，壓縮填充裝置活塞桿，擠壓內(nèi)部膠體流經(jīng)與緩沖器注入口相連的膠體材料注入管，將膠體材料注入到緩沖器腔體內(nèi)。黏彈性膠體注入口為單向閥，膠體材料通過注入口添加后不會(huì)從注入口泄漏。隨著膠體材料的加入，腔體內(nèi)原有空氣從擰松的活塞堵頭處擠出，待空氣完全排除，膠體材料充滿緩沖器腔體后，采用專用設(shè)備擰緊活塞堵頭。此時(shí)，膠體材料正好充滿整個(gè)緩沖器腔體，緩沖器活塞不受力，理想狀態(tài)下視為預(yù)緊力等于0 N. 如果需要提升緩沖器的預(yù)緊力，可將膠體材料填充裝置放置在萬能試驗(yàn)機(jī)上，膠體材料注入口始終連接緩沖器黏彈性膠體注入口。采用萬能試驗(yàn)機(jī)緩慢壓縮填充裝置的活塞桿，直至試驗(yàn)機(jī)上顯示達(dá)到所需預(yù)緊力。由此可見，預(yù)緊力的施加是通過增加膠體材料的量而實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際上膠體材料量的增加意味著緩沖器腔體內(nèi)壓強(qiáng)的提升，即也是通過改變緩沖器腔體內(nèi)的壓強(qiáng)而實(shí)現(xiàn)緩沖器預(yù)緊力的施加。

圖4 膠體材料填充裝置Fig.4 Filling device of a viscoelastic elastomer material

一般而言，為使活塞在外力撤消后能完全回復(fù)原位，所充入膠體材料的量不僅需大于正好充滿緩沖器腔體時(shí)的量，且需超過一定量，以使緩沖器在初始狀態(tài)下腔體內(nèi)存在一定壓強(qiáng)。待外力撤消后，該壓強(qiáng)可使活塞左右兩側(cè)腔體產(chǎn)生力差，推動(dòng)活塞完全歸位。

原遙控武器站彈簧緩沖器的彈簧如圖5所示，主要參數(shù)如表3所示。在彈簧緩沖器安裝尺寸不變的情況下，設(shè)計(jì)黏彈性膠體緩沖器，其實(shí)物如圖6所示，基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。在黏彈性膠體緩沖器中注入所配制黏溫特性較好的黏彈性膠體材料，其材料密度為1.1 g/cm3. 首先根據(jù)遙控武器站原彈簧緩沖器行程和最大力等性能參數(shù)，設(shè)計(jì)了阻尼孔直徑為1.5 mm、阻尼孔個(gè)數(shù)為6、節(jié)流間隙寬度為0.9 mm、活塞直徑為20 mm的黏彈性膠體緩沖器樣機(jī)，通過靜壓和落錘試驗(yàn)，對(duì)比分析黏彈性膠體緩沖器與彈簧緩沖器的性能；為了進(jìn)一步減小遙控武器站上機(jī)槍后坐行程，滿足提升遙控武器站射擊密集度的需求，在不改變外部尺寸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)下，提出更嚴(yán)格的黏彈性膠體緩沖器設(shè)計(jì)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了阻尼孔直徑為1.0 mm、阻尼孔個(gè)數(shù)為4、節(jié)流間隙寬度為0.9 mm、活塞直徑為20 mm的新黏彈性膠體緩沖器，通過靜壓和射擊頻率模擬試驗(yàn)驗(yàn)證新膠體緩沖器應(yīng)用于遙控武器站的可行性。

圖5 某型遙控武器站彈簧緩沖器用彈簧實(shí)物圖Fig.5 Spring of a spring damper for a remote weapon station

表3 遙控武器站彈簧緩沖器基本參數(shù)

Tab.3 Basic parameters of spring damper for a remote weapon station

緩沖器彈簧直徑/mm長度/mm原始長度/mm直徑/mm材料截面形狀4486.583.52860Si2Mn鋼矩形

3 靜壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的SUNS萬能壓力機(jī)(見圖7)進(jìn)行靜壓試驗(yàn)，用以研究緩沖器力與位移之間的關(guān)系。進(jìn)行黏彈性膠體緩沖器靜壓試驗(yàn)時(shí)，將組裝好的黏彈性膠體緩沖器豎直安裝在壓力機(jī)上，以2 mm/s的速度均勻加載壓力壓縮緩沖器活塞桿頭部；當(dāng)壓縮量到達(dá)或者接近緩沖器的最大設(shè)計(jì)行程時(shí)，以2 mm/s勻速緩慢地卸載。測量彈簧緩沖器靜壓曲線時(shí)，將彈簧緩沖器豎直安裝在壓力機(jī)上，以2 mm/s的速度均勻加載壓力壓縮彈簧緩沖器活塞桿頭部，待進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)撤消加載力，結(jié)束試驗(yàn)。壓力機(jī)與計(jì)算機(jī)相連，同步記錄緩沖器的力- 位移曲線。

圖6 某型遙控武器站黏彈性膠體緩沖器實(shí)物圖Fig.6 Viscoelastic elastomer damper for a remote weapon station

表4 黏彈性膠體緩沖器基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.4 Basic structure parameters of viscoelastic elastomer dampers

緩沖器阻尼孔直徑/mm阻尼孔個(gè)數(shù)節(jié)流間隙寬度/mm活塞直徑/mm活塞桿直徑/mm設(shè)計(jì)最大行程/mm設(shè)計(jì)最大力/N黏彈性膠體緩沖器1.560.9209123100新黏彈性膠體緩沖器1.040.920985000

圖7 SUNS萬能壓力機(jī)Fig.7 SUNS universal press

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

彈簧緩沖器和黏彈性膠體緩沖器靜壓試驗(yàn)所得力與位移曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，黏彈性膠體緩沖器進(jìn)程、回程曲線之間存在一定面積，該面積表示黏彈性膠體緩沖器所消耗的能量，證明了該緩沖器具有一定的能量吸收率。而由于試驗(yàn)方法的區(qū)別，彈簧緩沖器僅有進(jìn)程曲線，且彈簧緩沖器進(jìn)程曲線呈線性增長，大約在12.5 mm處出現(xiàn)了屈服現(xiàn)象。比較最大力發(fā)現(xiàn)，黏彈性膠體緩沖器的最大力為3.10 kN，而彈簧緩沖器在不屈服情況下最大力為3.15 kN，二者相差不大。

圖8 兩種緩沖器靜壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Force-displacement curves of two dampers in static pressure test

4 落錘試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

采用落錘試驗(yàn)?zāi)M遙控武器站單發(fā)射擊，研究緩沖器儲(chǔ)耗能效果。采用深圳新三思材料檢測有限公司生產(chǎn)的SANS全自動(dòng)落錘試驗(yàn)機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備(見圖9)，沖擊落錘質(zhì)量為7.19 kg. 根據(jù)動(dòng)量守恒定律(見(1)式)近似計(jì)算遙控武器站射擊過程中緩沖器所受到的沖擊速度，以確定落錘自由墜落的最大高度。

mbvb=mgvg，

(1)

式中：mb為彈頭質(zhì)量，mb=0.05 kg；vb為彈頭出槍口速度，vb=800 m/s；mg為遙控武器站上機(jī)槍的質(zhì)量，mg=19.8 kg；vg為遙控武器站機(jī)槍的后坐速度，vg=2.02 m/s.

圖9 SANS全自動(dòng)落錘試驗(yàn)機(jī)Fig.9 SANS automatic drop-testing machine

根據(jù)能量守恒定律計(jì)算落錘高度：

(2)

式中：H為落錘的跌落高度；g為重力加速度；v為H對(duì)應(yīng)的落錘跌落速度。在遙控武器站射擊過程中，緩沖器所受的沖擊速度與機(jī)槍后坐速度相當(dāng)，因此將(1)式中遙控武器站機(jī)槍的后坐速度vg=2.02 m/s代入(2)式，可得H≈0.21 m，即落錘從約210 mm高度跌落沖擊緩沖器的速度為武器站射擊過程中緩沖器所受的實(shí)際沖擊速度。

為全面分析和對(duì)比緩沖器的性能，落錘高度范圍設(shè)定較實(shí)際廣泛，分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每個(gè)高度連續(xù)沖擊5次，沖擊間隔不超過50 s，沖擊結(jié)束后觀察黏彈性膠體緩沖器是否出現(xiàn)膠體泄漏或采樣曲線異常等性能退化或失效情況。落錘提升到一定高度后無摩擦自由滑下，撞擊試驗(yàn)物放置平臺(tái)上的緩沖器，利用加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集平臺(tái)記錄沖擊過程中落錘加速度隨時(shí)間的變化情況。對(duì)加速度進(jìn)行濾波處理后，1次積分得到相應(yīng)時(shí)刻的瞬時(shí)速度，2次積分得到落錘位移，落錘所受的力等于加速度與落錘質(zhì)量的乘積。而緩沖器所受的力與落錘所受力互為作用力與反作用力，因此，落錘力與位移的關(guān)系可近似看作緩沖器阻抗力與行程的關(guān)系。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖10為彈簧緩沖器從50 mm至300 mm高度落錘試驗(yàn)加速度與時(shí)間的變化曲線。從圖10可以看出，隨著落錘高度的逐漸增加，加速度呈增長趨勢。在不同高度下，彈簧緩沖器加速度曲線均呈現(xiàn)前半段紊亂、后半段平緩的形式。在沖擊前期存在兩次波峰，且加速度值很大，這說明彈簧緩沖器在受力時(shí)出現(xiàn)了二次沖擊效應(yīng)。其原因在于彈簧的剛度較大，在受到?jīng)_擊瞬間彈簧與落錘發(fā)生剛性碰撞，沖擊能量較大且無法短時(shí)間吸收，導(dǎo)致加速度采集平臺(tái)捕捉到加速度較高的異常信號(hào)；而后期彈簧被壓縮，逐漸吸收少量能量，進(jìn)而相對(duì)平緩。遙控武器站在射擊過程中，彈頭出槍口瞬間產(chǎn)生的瞬態(tài)沖擊類似于落錘試驗(yàn)，其沖擊力較大、時(shí)間較短。由此推斷，彈簧緩沖器二次沖擊現(xiàn)象的存在是導(dǎo)致槍口擾動(dòng)較大、射擊密集度不高的原因之一。

圖10 不同落錘高度下彈簧緩沖器加速度與時(shí)間曲線Fig.10 Acceleration-time curves of spring damper at different drop heights

圖11為黏彈性膠體緩沖器從50 mm至300 mm高度落錘試驗(yàn)加速度與時(shí)間的變化曲線。從圖11可以看出，黏彈性膠體緩沖器加速度與時(shí)間曲線不存在二次沖擊現(xiàn)象，說明黏彈性膠體緩沖器緩沖過程較為平穩(wěn)，不存在明顯的剛性碰撞，有助于減小遙控武器站射擊時(shí)的槍口擾動(dòng)、提高射擊密集度。黏彈性膠體緩沖器緩沖過程中加速度最高點(diǎn)平均值與彈簧緩沖器平均值相差不大，這說明二者的最大阻抗力基本相當(dāng)。沖擊結(jié)束后觀察黏彈性膠體緩沖器未出現(xiàn)膠體泄漏等失效情況，且圖11各沖擊高度下未出現(xiàn)加速度異常曲線，證明了黏彈性膠體緩沖器在連續(xù)沖擊下緩沖性能保持良好。

圖11 不同沖擊高度下黏彈性膠體緩沖器加速度與時(shí)間曲線Fig.11 Acceleration-time curves of viscoelastic elastomer damper at different drop heights

采用小波濾波法對(duì)落錘試驗(yàn)加速度曲線進(jìn)行濾波處理，而后進(jìn)行積分計(jì)算。其1次積分得到瞬態(tài)速度，2次積分得到位移。黏彈性膠體緩沖器和彈簧緩沖器在不同沖擊高度下力與位移的曲線對(duì)比如圖12所示，其能量吸收率、最大阻抗力及最大位移如表5所示。對(duì)比圖12中黏彈性膠體緩沖器和彈簧緩沖器的滯回曲線，發(fā)現(xiàn)在不同沖擊高度下，黏彈性膠體緩沖器滯回曲線所圍繞面積明顯大于彈簧緩沖器，表明黏彈性膠體緩沖器的耗能能力大于彈簧緩沖器。彈簧緩沖器的彈簧采用矩形簧形式，材料為60Si2Mn鋼，這使得彈簧緩沖器在不同沖擊高度下力與位移曲線呈非線性，且具有一定能量吸收率。然而當(dāng)落錘高度超過200 mm時(shí)，彈簧緩沖器滯回曲線出現(xiàn)線性增加的趨勢，能量吸收率明顯降低，最大力和最大位移增長較大。當(dāng)超過250 mm時(shí)彈簧進(jìn)入屈服狀態(tài)，這是導(dǎo)致彈簧緩沖器能量吸收率明顯下降的主要原因。遙控武器站在實(shí)際射擊工況下作用于緩沖器的沖擊速度大約為2 m/s，由此可見在遙控武器站射擊時(shí)彈簧緩沖器工作臨界于屈服邊緣，長此以往彈簧緩沖器容易變性，降低其使用壽命，使遙控武器站存在射擊密集度降低、可靠性變差的風(fēng)險(xiǎn)。

表5 兩種緩沖器落錘試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

Tab.5 Drop weight test results of two dampers

高度/mm落錘最大速度/(m·s-1)能量損耗率/%最大力/N最大位移/mm黏彈性膠體緩沖器彈簧緩沖器黏彈性膠體緩沖器彈簧緩沖器黏彈性膠體緩沖器彈簧緩沖器501.0083.4865.46108810035.215.481001.4079.5764.80173415056.036.631501.7184.2462.89204318647.638.032001.9887.4367.58215021378.919.462502.2184.6144.682325246110.9512.823002.4286.7739.392692282711.5513.49

由表5可知，在不同沖擊高度下黏彈性膠體緩沖器能量吸收率差別不大，均在80%左右，其平均值為84.35%，遠(yuǎn)大于彈簧緩沖器的57.47%. 對(duì)比最大位移發(fā)現(xiàn)，黏彈性膠體緩沖器最大位移均小于彈簧緩沖器，且小于最大設(shè)計(jì)行程(12 mm)。當(dāng)沖擊高度超過200 mm時(shí)，由于彈簧進(jìn)入屈服狀態(tài)，彈簧緩沖器的能量吸收率明顯下降，最大位移超過了最大設(shè)計(jì)行程，而黏彈性膠體緩沖器不存在屈服范圍，即使沖擊載荷較大也能保持良好的能量吸收率，且最大位移均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

5 新黏彈性膠體緩沖器靜壓、射擊頻率模擬試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法及設(shè)備

圖13 MTS 809 疲勞試驗(yàn)機(jī)Fig.13 MTS 809 electro-hydraulic servo fatigue testing machine

為檢驗(yàn)黏彈性膠體緩沖器在遙控武器站連發(fā)射擊載荷下的適應(yīng)能力，采用美國MTS公司生產(chǎn)的MTS 809電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)(見圖13)加載2 Hz、5 Hz、10 Hz正弦波頻率激勵(lì)模擬遙控武器站120發(fā)/min、300發(fā)/min和600發(fā)/min時(shí)的射擊工況。采集不同頻率下緩沖器的滯回曲線，分析黏彈性膠體緩沖器的頻響性能。將熱電偶粘貼于黏彈性膠體緩沖器外壁表面，測量不同頻率下連續(xù)加載300次時(shí)緩沖器的溫度情況，待溫度不再發(fā)生變化時(shí)讀取數(shù)據(jù)，并觀察膠體泄漏情況，以研究黏彈性膠體緩沖器在連發(fā)射擊載荷下的適應(yīng)性。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在遙控武器站原彈簧緩沖器設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上提出新黏彈性膠體緩沖器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，即：預(yù)緊力為1 200 N，最大力為5 kN，最大行程小于8 mm，能量吸收率不小于65.00%. 新黏彈性膠體緩沖器設(shè)計(jì)值與實(shí)測值對(duì)比如表6所示，表中能量吸收率為不同頻率下射擊頻率模擬試驗(yàn)?zāi)芰课章实钠骄?。圖14為根據(jù)新指標(biāo)設(shè)計(jì)的新黏彈性膠體緩沖器靜壓試驗(yàn)力與位移曲線，從圖中可以看出其預(yù)緊力為1 350 N，最大行程為7 mm，最大力為5 475 N，均滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 遙控武器站新黏彈性膠體緩沖器

設(shè)計(jì)值與實(shí)測值對(duì)比

Tab.6 Design and measured values of viscoelastic elastomer damper for a remote weapon station

數(shù)據(jù)類別預(yù)緊力/N最大行程/mm最大承力/N能量吸收率/%設(shè)計(jì)值12008500065.00實(shí)測值13507547577.28

圖14 新黏彈性膠體緩沖器靜壓試驗(yàn)力- 位移曲線Fig.14 Force-displacement curve of new viscoelastic elastomer damper in static pressure test

實(shí)際上，遙控武器站射擊過程中提供給緩沖器的最大力并未達(dá)到5 kN. 通過上述彈簧緩沖器試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)彈簧緩沖器達(dá)到最大位移時(shí)，其最大受力約為3 kN左右，可見設(shè)計(jì)的最大力明顯大于實(shí)際承受的最大力。但采用5 kN的最大設(shè)計(jì)力不僅有利于保證緩沖器有較寬的安全工作范圍，提高緩沖器的安全系數(shù)，而且可以間接減小遙控武器站上機(jī)槍的后坐行程。其原因在于，黏彈性膠體緩沖器的能量吸收率只與自身結(jié)構(gòu)相關(guān)[23]，與所受外界載荷無關(guān)，不論沖擊力多大，其能量吸收率基本保持不變，上述落錘試驗(yàn)也證明了這一特點(diǎn)。因此，當(dāng)沖擊力較小時(shí)，黏彈性膠體緩沖器工作行程也隨之減小。在受力不變情況下，增大最大設(shè)計(jì)力相當(dāng)于間接地減小黏彈性膠體緩沖器的工作行程。例如新黏彈性膠體緩沖器受到2.5 kN力時(shí)，壓縮行程僅為1.53 mm，而遙控武器站彈簧緩沖器在此壓力下行程大約為10 mm，減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，明顯降低了后坐行程。

遙控武器站上機(jī)槍的后坐行程與遙控武器站供彈鏈有一定關(guān)系，當(dāng)后坐行程較大時(shí)，供彈鏈會(huì)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、卡彈等現(xiàn)象，降低后坐行程可以保證供彈過程的舒暢性，從而提高遙控武器站的可靠性。但黏彈性膠體緩沖器最大設(shè)計(jì)力并不是越大越好。緩沖器的外部結(jié)構(gòu)尺寸限制了黏彈性膠體緩沖器中膠體材料的最大填充量，使得黏彈性膠體緩沖器的最大力存在最大邊界。而且隨著最大設(shè)計(jì)力的增加，黏彈性膠體緩沖器剛度逐漸增大、阻尼逐漸減小，導(dǎo)致能量吸收率隨之降低。因此，只有在滿足能量吸收率的前提下提高最大設(shè)計(jì)力，才能達(dá)到既保持良好儲(chǔ)能、耗能性能，又起到降低后坐行程的效果。

圖15為疲勞試驗(yàn)機(jī)分別加載2 Hz、5 Hz、10 Hz正弦波頻率模擬遙控武器站120發(fā)/min、300發(fā)/min和600發(fā)/min射擊工況下新黏彈性膠體緩沖器的滯回曲線。表7為不同頻率下新黏彈性膠體緩沖器性能參數(shù)。結(jié)合圖15和表7可以看出在不同頻率下新黏彈性膠體緩沖器滯回曲線均呈梭形，形狀較為飽滿，且各頻率下緩沖器平均能量吸收率為77.28 %，遠(yuǎn)大于65.00%的設(shè)計(jì)要求，反映了新黏彈性膠體緩沖器具有良好的抗振能力和耗能能力。采用熱電偶測量了不同頻率下連續(xù)加載300次時(shí)新黏彈性膠體緩沖器的溫度，結(jié)果如表7所示。隨著頻率的升高，溫度呈現(xiàn)上升趨勢，在10 Hz時(shí)緩沖器溫度為61.8 ℃，該溫度屬于新黏彈性膠體材料的正常工作溫度范圍(-50～80 ℃)。溫度是影響?zhàn)椥阅z體緩沖器性能的主要因素之一，當(dāng)膠體材料的工作溫度升高或降低至適用溫度范圍以外時(shí)，黏彈性膠體緩沖器將失效，而設(shè)計(jì)的新黏彈性膠體緩沖器在不同頻率下連續(xù)加載300次溫度始終在正常工作范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于最高工作溫度值，且膠體無泄漏發(fā)生，其力學(xué)特性和緩沖效果始終保持良好?？梢姡吗椥阅z體緩沖器可適用于高射頻長時(shí)間射擊工況，具有良好的射頻適應(yīng)性。

圖15 不同振動(dòng)頻率下新黏彈性膠體緩沖器滯回曲線Fig.15 Hysteresis loop curves of new viscoelastic elastomer damper at different vibration frequencies

6 結(jié)論

本文針對(duì)遙控武器站彈簧緩沖器剛度較大、阻尼較小導(dǎo)致射擊密集度低、可靠性差等問題，研發(fā)了一種適用于遙控武器站的黏彈性膠體緩沖器。通過試驗(yàn)對(duì)比現(xiàn)有黏彈性膠體材料，配制了一種適用于遙控武器站具有良好黏溫特性的黏彈性膠體材料。

表7 不同頻率下新黏彈性膠體緩沖器性能參數(shù)

Tab.7 Performance parameters of new viscoelastic elastomer damper at different frequencies

頻率/Hz最大位移/mm最大承力/mm能量吸收率/%加載300次后溫度/℃26.01489874.6742.755.83508477.2452.5105.22527179.9361.8

根據(jù)遙控武器站原彈簧緩沖器性能和結(jié)構(gòu)等參數(shù)，設(shè)計(jì)了黏彈性膠體緩沖器樣機(jī)，通過靜壓試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)，對(duì)比分析了黏彈性膠體緩沖器和彈簧緩沖器的力學(xué)特性。在不改變外部尺寸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)下，為滿足減小后坐行程的要求，設(shè)計(jì)了新黏彈性膠體緩沖器，通過靜壓試驗(yàn)和射擊頻率模擬試驗(yàn)分析了新黏彈性膠體緩沖器力學(xué)特性及射擊頻率適應(yīng)性。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1) 配制的黏彈性膠體材料低溫與高溫動(dòng)力黏度比為6.38，較現(xiàn)有黏彈性膠體材料下降了4.21倍，具有良好的黏溫特性。

2) 彈簧緩沖器在12.5 mm處出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，而黏彈性膠體緩沖器沒有，且二者的最大阻抗力相差不大。

3) 彈簧緩沖器存在二次沖擊現(xiàn)象，而黏彈性膠體緩沖器樣機(jī)沒有；黏彈性膠體緩沖器樣機(jī)落錘試驗(yàn)平均能量吸收率為84.35%，是彈簧緩沖器的1.47倍。

4) 新黏彈性膠體緩沖器預(yù)緊力為1 350 N，最大行程為7 mm，最大力為5 475 N，能量吸收率為77.28%，滿足設(shè)計(jì)要求；不同頻率下新黏彈性膠體緩沖器滯回曲線均呈梭形，形狀較為飽滿，10 Hz加載300次時(shí)緩沖器溫度最高，為61.8 ℃，具有良好的射擊頻率適應(yīng)性。

因此，黏彈性膠體緩沖器不僅具有良好的能量吸收率，可有效減小后坐行程、消耗多余能量，而且可適應(yīng)遙控武器站不同射擊頻率的射擊工況，起到提高遙控武器站射擊密集度和可靠性的目的，為提高遙控武器站性能奠定基礎(chǔ)。