液壓限位隔離系統(tǒng)的抗沖擊性能研究*

王 鵬， 閆 明， 張春輝， 劉海超

(1. 沈陽工業(yè)大學機械工程學院 沈陽， 110870) (2. 海軍研究院 北京，100161)

引 言

艦船在服役期間必然會面臨魚雷、導彈、水雷等武器的攻擊。水下非接觸爆炸一般不會擊穿船體結(jié)構(gòu)，卻會導致大量艦載設(shè)備失效，致使艦艇喪失戰(zhàn)斗力[1-2]。目前，各國海軍通過在船體和設(shè)備之間添加隔離裝置的方法增強設(shè)備的抗沖擊能力[3]。由于隔離裝置的固有頻率一般較低，所以在沖擊載荷作用下，設(shè)備承受的加速度一般能夠滿足要求，然而設(shè)備所承受的沖擊位移可能超出容許范圍，甚至超出了隔離器本身的極限變形能力[4]。因此，在隔離系統(tǒng)的設(shè)計過程中，如何限制設(shè)備相對位移至關(guān)重要。

為提高艦載設(shè)備的抗沖擊性能，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。在隔離系統(tǒng)中簡單地安裝限位器是最直接也是最有效的方法之一[5-6]。江國和等[7]建立了帶限位器浮筏隔離系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)模型，利用偽力法計算了帶有限位器的浮筏隔離系統(tǒng)模型的沖擊響應(yīng)。文獻[5]建立了雙限位器沖擊隔離系統(tǒng)數(shù)學模型，通過分段線性的杜哈梅積分對沖擊方程進行了解析求解，分析了限位器參數(shù)對沖擊響應(yīng)的影響。文獻[9-11]分別利用不同有限元分析軟件對限位器隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)進行了計算，提出了限位器參數(shù)的確定方法。文獻[12]分析了限位器的阻尼比對沖擊響應(yīng)的影響,當限位器剛度一定時，隨著阻尼比的增大，不僅設(shè)備的相對位移響應(yīng)逐漸減小，加速度響應(yīng)也會隨之減小，并且在一定范圍內(nèi)，限位器阻尼越大，限位效果越明顯。以上研究為限位器的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。然而，目前國內(nèi)外艦載設(shè)備所廣泛使用的限位器仍然為橡膠限位器，雖然可以起到限制設(shè)備相對位移的作用，但是在面臨強沖擊環(huán)境時，如果限位器參數(shù)不匹配，將會對設(shè)備造成極大的二次沖擊，致使設(shè)備遭受更為嚴重的損壞。

液壓緩沖器可將系統(tǒng)所遭受的沖擊能量轉(zhuǎn)化為緩沖介質(zhì)的壓縮能，當緩沖介質(zhì)高速流經(jīng)節(jié)流孔時便以內(nèi)能的形式耗散掉。因此，液壓緩沖器具有阻尼比大、緩沖效率高、吸收能量多的顯著優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于飛機起落架抗沖、汽車懸架減振和火炮緩沖等領(lǐng)域[13]。然而，針對艦載設(shè)備的隔離系統(tǒng)，使用液壓緩沖器作為限位裝置的研究卻比較少見。因此，對船用液壓緩沖限位器進行理論分析與實驗研究，對于提高艦艇設(shè)備的抗沖擊能力具有重要的意義。

1 液壓限位隔離系統(tǒng)的抗沖擊模型

1.1 液壓限位器結(jié)構(gòu)設(shè)計

液壓限位器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其基本原理是利用一個雙出活塞桿液壓缸作為限位器本體，用固定節(jié)流孔作為產(chǎn)生阻尼力的主要元件。當活塞桿受到向下拉力時，活塞向下運動擠壓工作缸下腔內(nèi)的油液，強迫油液從節(jié)流孔流出，進入工作缸上腔；同理，當活塞桿受到向上的推力時，活塞擠壓油液從工作缸上腔流入下腔。限位器被壓縮與復原的過程是通過活塞擠壓油液做功的過程，這一過程消耗了大量動能，起到緩沖限位的作用。其中節(jié)流孔是影響液壓限位器限位效果的一項重要參數(shù)。

1-活塞桿;2-端蓋;3,8-密封圈;4-節(jié)流孔;5-活塞;6-阻尼油液;7-缸體

1.2 液壓限位器數(shù)學模型

在建立液壓限位器數(shù)學模型的過程中，忽略了油溫、油液可壓縮性氣體與油液的相容性以及節(jié)流孔與工作缸之間的泄露等因素[14]。

活塞壓縮行程中，由工作缸下腔經(jīng)過節(jié)流孔進入工作缸上腔的流量為

(1)

其中：A為限位器的有效作用面積；v活塞運動速度；D為活塞直徑;d為活塞桿直徑。

當油液經(jīng)過節(jié)流孔時，會產(chǎn)生壓降，節(jié)流孔根據(jù)長徑比可以作為短孔計算，流量公式為

(2)

其中:P1為工作缸上腔壓力；P2為工作缸下腔壓力；dr為節(jié)流孔直徑；Cd為流經(jīng)節(jié)流孔處油液流量系數(shù)；ρ為油液密度。

根據(jù)流量連續(xù)性原理得

Q1=Q2

(3)

因此，壓縮行程中限位器阻尼力的公式為

(4)

將式(1) ～ (3)代入式(4)，并整理可得

(5)

由于限位器的液壓缸結(jié)構(gòu)對稱，活塞復原行程中，阻尼力的大小與壓縮過程中的阻尼力大小相等，方向相反。因此，阻尼力的表達式可寫為

(6)

1.3 隔離系統(tǒng)的抗沖擊動力學模型

帶液壓限位器的隔離系統(tǒng)原理模型如圖2所示。M為設(shè)備的質(zhì)量；隔離器上端與設(shè)備連接，下端固定在甲板或基座上，k和c分別為隔離器的剛度和阻尼；將液壓限位器與隔離器相并連，通過限位器的阻尼力F防止沖擊過程中隔離器的彈性元件產(chǎn)生過大的彈性變形，從而避免對設(shè)備產(chǎn)生過大的二次沖擊。系統(tǒng)各參數(shù)由表1所給出。

圖2 液壓限位隔離系統(tǒng)原理模型Fig.2 Principle model of vibration isolation system with hydraulic displacement limiter

表1 液壓限位隔離系統(tǒng)仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters of vibration isolation system with hydraulic displacement limiter

根據(jù)圖2的原理模型，有無限位器的隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)微分方程分別為

(7)

(8)

根據(jù)德國軍標7BV043-85的相關(guān)規(guī)定[15]，水下非接觸爆炸沖擊載荷可用正負雙半正弦波表示

(9)

其中：τ1為正波加載函數(shù)結(jié)束的時長；ω1為正波加載函數(shù)的角頻率，ω1= 2π·1/2τ1；τ2為正負雙波加載函數(shù)結(jié)束的時長;ω2為負波加載函數(shù)的角頻率，ω2= 2π·1/2(τ1-τ2)；A1,A2分別為正、負波加速度峰值。

進行仿真試驗時，采用的系統(tǒng)參數(shù)如下：A1= 120g；A2= -60g；τ1= 10 ms；τ2= 30 ms。按此參數(shù)，可得沖擊載荷波形如圖3所示。

圖3 沖擊載荷波形Fig.3 Shock load waveform

2 液壓限位隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)仿真

2.1 有無限位器對隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響

將圖3所示的沖擊載荷分別施加于無限位隔離系統(tǒng)和帶液壓限位的隔離系統(tǒng)，其中液壓限位器的節(jié)流孔孔徑為6 mm。通過杜哈梅積分法進行沖擊響應(yīng)計算與振動過程分析，系統(tǒng)的相對位移響應(yīng)和絕對加速度響應(yīng)分別如圖4和圖5所示。

圖4 系統(tǒng)相對位移響應(yīng)Fig.4 Relative displacement ponse of system

從圖4中可以看出，在無限位隔離系統(tǒng)中，設(shè)備相對位移的最大值為31.4 mm，此后相對位移響應(yīng)的波形為逐漸衰減的正弦波；當系統(tǒng)中添加限位器后，設(shè)備的相對位移最大值為12.3 mm，幅值減少60.8%，起到明顯的限位效果。

從圖5中可以看出，當設(shè)備接觸到限位器的瞬間，加速度響應(yīng)突然增大，最大峰值可達42.6g；而當設(shè)備離開限位器的時候加速度響應(yīng)迅速減小。另外，由于液壓限位器的存在，增大了隔離系統(tǒng)的阻尼，故相比于無限位隔離系統(tǒng)，液壓限位隔離系統(tǒng)耗散能量更大，因此設(shè)備響應(yīng)的振蕩次數(shù)可明顯減小。

2.2 節(jié)流孔孔徑對隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響

為達到相對位移小于15 mm，絕對加速度低于50g的要求，對不同節(jié)流孔參數(shù)的液壓限位隔離系統(tǒng)進行抗沖擊仿真計算，研究最適合的節(jié)流孔參數(shù)。

取5組節(jié)流孔直徑分別為4,5,6,7,8 mm。將圖3所示的沖擊載荷施加于1.3節(jié)中的動力學模型進行沖擊計算與振動過程分析。系統(tǒng)的相對位移響應(yīng)和絕對加速度響應(yīng)分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同節(jié)流孔孔徑下的系統(tǒng)加速度響應(yīng)系統(tǒng)相對位移響應(yīng)Fig.6 Relative displacement response of system for different throttle apertures

從圖6中可以看出，當孔徑為4 mm時，振蕩次數(shù)僅為1次，相對位移峰值為8.2 mm。當孔徑為8 mm時，相對位移值為16.2 mm，振蕩次數(shù)為3次。因此，節(jié)流孔的直徑越小，系統(tǒng)的相對位移越小，振蕩次數(shù)也越少，限位效果越明顯。

由圖7可看出，隨著節(jié)流孔直徑的變小，系統(tǒng)的絕對加速度變大。當孔徑為4和5 mm時，絕對加速度峰值為75.2和60.1g，超過設(shè)備的抗沖擊要求。當節(jié)流孔直徑為6 ～ 7 mm時，相對位移在12.3 ～ 13.8 mm，絕對加速度在40 ～ 50g，比較符合設(shè)備對相對位移和絕對加速度峰值的設(shè)計要求。

另外，根據(jù)文中給出的帶液壓限位隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)模型，分別計算了不同節(jié)流孔孔徑的液壓限位器油缸上、下腔壓力隨時間變化的情況。在圖3所示的沖擊載荷作用下，油缸上、下腔壓力最大值分別為3.9與6.4 MPa，能夠滿足液壓限位器的設(shè)計要求。

3 液壓限位隔離系統(tǒng)的沖擊性能試驗

3.1 試驗裝置簡介

為驗證上述液壓限位隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性，并與傳統(tǒng)橡膠限位效果進行比較，設(shè)計了如圖8所示的液壓限位隔離系統(tǒng)和如圖9所示的橡膠限位隔離系統(tǒng)。

1-位移傳感器;2-液壓限位器;3-萬向節(jié);4-質(zhì)量塊;5-隔離器;6-基座

由圖8可知，液壓限位隔離系統(tǒng)主要由液壓限位器、質(zhì)量塊(模擬艦載設(shè)備)、圓柱彈簧隔離器、基座、傳感器等5部分組成。液壓限位器通過萬向節(jié)與質(zhì)量塊相連，當基座接受沖擊載荷作用后，圓柱彈簧隔離器帶動質(zhì)量塊沿豎直方向做上下往復運動，同時限位器被拉伸、壓縮，從而限制質(zhì)量塊的相對位移。

由圖9可知，通過調(diào)節(jié)橡膠塊的厚度和數(shù)量來調(diào)整橡膠限位器的阻尼和剛度。質(zhì)量塊在運動的過程中與橡膠限位器發(fā)生彈性碰撞，從而起到限制相對位移的作用。

圖9 橡膠限位隔離系統(tǒng)試驗裝置Fig.9 Test device of vibration isolation system with rubber displacement limiter

采用不同限位器的隔離系統(tǒng)在同一沖擊試驗臺上的分布如圖10所示。每組隔離系統(tǒng)均安裝相同型號的加速度傳感器與位移傳感器，來測量中間質(zhì)量塊的加速度響應(yīng)和相對位移響應(yīng)情況。試驗平臺為某科研院所研制的500 kg垂向沖擊試驗機。

圖10 試驗裝置安裝分布圖Fig.10 Installation distribution of test device

3.2 不同節(jié)流孔孔徑對隔離系統(tǒng)抗沖擊性能影響

調(diào)整每個隔離系統(tǒng)的參數(shù)使之與仿真計算的參數(shù)相一致，通過垂向沖擊機向各隔離系統(tǒng)施加一個與圖3相接近的沖擊加速度激勵，如圖11所示。

圖11 試驗沖擊載荷Fig.11 Test shock load

在圖11的沖擊載荷作用下，不同節(jié)流孔孔徑對液壓限位隔離系統(tǒng)相對位移與加速度的影響如圖12,13所示。

圖12 不同節(jié)流孔孔徑對系統(tǒng)相對位移的影響Fig.12 Effect of different throttle apertures on relative displacement of the system

由圖12可知，隨著節(jié)流孔的孔徑變小，質(zhì)量塊的相對位移與振蕩次數(shù)均逐漸減小，表明限位效果確有明顯提高。由圖13可看出，隨著液壓限位器節(jié)流孔徑的減小，質(zhì)量塊的最大加速度響應(yīng)逐漸增大。當孔徑為4 mm時，雖然限位效果最明顯，但是最大絕對加速度可達73.1g，超過設(shè)備的抗沖擊要求。當節(jié)流孔孔徑為6 mm時，最大相對位移為10.3 mm，最大絕對加速度為49.1g，最為滿足設(shè)備的抗沖擊要求。通過沖擊試驗得到的質(zhì)量塊運動規(guī)律與仿真計算結(jié)果高度符合。

圖13 不同節(jié)流孔孔徑對系統(tǒng)加速度的影響Fig.13 Effect of different throttle apertures on acceleration of the system

3.3 液壓與橡膠限位隔離系統(tǒng)的抗沖擊對比試驗

為驗證液壓限位器可有效提升隔離系統(tǒng)的抗沖擊性能，在同一沖擊試驗機進行了液壓限位與橡膠限位隔離系統(tǒng)的沖擊對比實驗。

通過調(diào)整橡膠限位器的剛度與阻尼，在保證相對位移響應(yīng)近似一致的條件下，對比其加速度響應(yīng)，借此來驗證液壓限位器的優(yōu)良特性。隔離系統(tǒng)的相對位移與加速度時域曲線如圖14,15所示。

圖14 不同限位試驗裝置的相對位移響應(yīng)Fig.14 Relative displacement response of test device with different displacement limiter

當調(diào)整橡膠限位器剛度為400 N/mm、阻尼比為0.06，并根據(jù)文獻[8]選擇安裝間隙為5 mm時，其隔離系統(tǒng)的最大相對位移響應(yīng)約10 mm，與6 mm孔徑的液壓限位隔離系統(tǒng)的相對位移近似相等。由圖15、圖16可看出，與無限位隔離系統(tǒng)相比，當使用限位器后，隔離系統(tǒng)的最大相對位移可減小60%以上；但此時橡膠限位隔離系統(tǒng)的最大加速度為88.5g，遠遠超過設(shè)備的抗沖擊要求，而液壓限位隔離系統(tǒng)的加速度峰值僅為49.1g，最大加速度響應(yīng)可降低44.5%，同時系統(tǒng)能夠快速衰減至穩(wěn)定。因此，與傳統(tǒng)橡膠限位器相比，液壓限位器可大幅度提高隔離系統(tǒng)的抗沖擊性能，具有較大的應(yīng)用價值。

圖15 不同限位試驗裝置的加速度響應(yīng)Fig.15 Acceleration response of test device with different displacement limiter

4 結(jié)束語

在隔離系統(tǒng)中安裝限位器可有效減小系統(tǒng)的相對位移響應(yīng)，但這必然會導致隔離系統(tǒng)的絕對加速度響應(yīng)迅速升高，易對設(shè)備產(chǎn)生破壞。因此，限位器不可濫用，需要事先通過仿真手段對限位隔離系統(tǒng)進行抗沖擊計算。隨著液壓限位器中節(jié)流孔孔徑減小，隔離系統(tǒng)的最大相對位移響應(yīng)與振蕩次數(shù)均明顯減小，但其最大加速度響應(yīng)隨之增大。因此，在設(shè)計特定的液壓限位器時，應(yīng)對其節(jié)流孔孔徑的選擇進行分析驗證，以滿足隔離系統(tǒng)的抗沖擊性能要求。與傳統(tǒng)橡膠限位器相比，使用液壓限位器的隔離系統(tǒng)，在最大相對位移響應(yīng)近似相等的情況下，最大加速度響應(yīng)可明顯減小，說明液壓限位器可有效吸收隔離系統(tǒng)受沖擊后的能量，大幅提高系統(tǒng)的抗沖擊性能。