液壓限位隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性研究

劉海超，閆 明，張春輝，劉慧芳

（1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 1108702；2.海軍研究院，北京100161）

1 引言

艦船在作戰(zhàn)中難免遭受水雷、魚雷等敵方武器的攻擊，由此產(chǎn)生的水下非接觸爆炸沖擊載荷可能會(huì)造成艦船設(shè)備的大面積失效，導(dǎo)致艦艇喪失戰(zhàn)斗力和生命力[1-2]，因此設(shè)備是限制艦船抗沖擊能力的薄弱環(huán)節(jié)。目前，各國(guó)海軍普遍采用在船體和設(shè)備之間添加隔離器的方法，既能降低設(shè)備的振動(dòng)和噪聲也能增強(qiáng)設(shè)備的抗沖擊能力。隔離系統(tǒng)的固有頻率一般都較低，因此受到?jīng)_擊時(shí)，設(shè)備的加速度響應(yīng)都不大，但設(shè)備相對(duì)船體的位移卻較大，可能會(huì)超過設(shè)備與外界聯(lián)接部件（比如聯(lián)軸器、撓性接管等）的允許值，也可能會(huì)超過了隔離元件本身的變形范圍，因此，常在設(shè)備上安裝限位器來降低設(shè)備的相對(duì)位移[3-4]。但是，一旦限位參數(shù)不匹配，極易造成更為劇烈的二次沖擊問題[5]。

為提高艦載設(shè)備的抗沖擊性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)帶限位隔離系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。文獻(xiàn)[6]通過一系列帶間隙彈簧單元的疊加模擬限位器的非線性剛度和限位器間隙，并通過限位艦用管道系統(tǒng)的算例進(jìn)行沖擊響應(yīng)特性分析。文獻(xiàn)[7]利用偽力法分析了限位器參數(shù)對(duì)帶限位器浮筏隔振系統(tǒng)模型沖擊響應(yīng)的影響，并加以試驗(yàn)驗(yàn)證。文獻(xiàn)[8-10]分別利用不同的仿真軟件建立帶限位隔離系統(tǒng)的計(jì)算模型，分析了限位器數(shù)對(duì)沖擊響應(yīng)的影響，并提出了限位器參數(shù)的初步設(shè)計(jì)方法。以上研究為限位器的設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)，但都忽略了限位器阻尼對(duì)隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[11]考慮了限位器阻尼因素，利用分段線性杜哈梅積分對(duì)雙限位隔離系統(tǒng)沖擊方程進(jìn)行解析求解，進(jìn)一步分析限位器參數(shù)對(duì)沖擊響應(yīng)的影響，并通過多島遺傳算法優(yōu)化了限位器參數(shù)。但傳統(tǒng)彈性限位器多采用橡膠或聚氨酯等超彈性材料，一旦被隔離設(shè)備碰撞限位器，由于加速度的突變以及彈性變形必然引起更為劇烈的二次沖擊造成艦載設(shè)備的損壞。

因此，需要一種反應(yīng)靈敏、能耗高，緩沖效果好的限位裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)限位器，而液壓緩沖器具有以上全部?jī)?yōu)良特性并已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了飛機(jī)起落架抗沖、火炮緩沖、建筑物抗震等多個(gè)領(lǐng)域[12]。所以這里首次提出將液壓緩沖器引入艦載設(shè)備的隔離系統(tǒng)中充當(dāng)限位裝置，建立基于了AMESim的仿真計(jì)算模型，分析了液壓緩沖器阻尼孔孔徑對(duì)隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響，然后對(duì)液壓限位與橡膠限位隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性進(jìn)行了對(duì)比分析，并加以試驗(yàn)驗(yàn)證，旨在為帶限位隔離系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新的思路與方向。

2 液壓限位隔離系統(tǒng)模型構(gòu)建

2.1 物理模型

液壓限位隔離系統(tǒng)物理模型，如圖1 所示。主要結(jié)構(gòu)由基座、彈簧隔離器、液壓限位器和被隔離設(shè)備四個(gè)部分組成。其中，彈簧隔離器上下兩端分別與設(shè)備和基座相連，起到了支撐、隔振的作用，被動(dòng)式液壓緩沖器與彈簧隔離器并聯(lián)于設(shè)備和基座之間，當(dāng)沖擊激勵(lì)作用在基座上，被隔離設(shè)備開始快速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，液壓限位器通過節(jié)流孔的節(jié)流作用產(chǎn)生較大的阻尼力，能夠快速消耗系統(tǒng)中的能量，對(duì)被隔離設(shè)備起到較好的緩沖和限位的效果。

圖1 液壓限位隔離系統(tǒng)的物理模型Fig.1 Physical Model of Hydraulic Limit Isolation System

2.2 沖擊載荷

根據(jù)德國(guó)軍標(biāo)BV043-85的相關(guān)規(guī)定，用圖2所示的正負(fù)雙半正弦波表示水下非接觸爆炸沖擊載荷，圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為加速度，V1、V2分別代表正、負(fù)波速度，A1、A2分別代表正、負(fù)波加速度峰值，t1、t2分別代表正、負(fù)波沖擊時(shí)間。

圖2 沖擊載荷Fig.2 The Shock Load

根據(jù)艦載設(shè)備的抗沖擊要求以及目前國(guó)內(nèi)各科研院所沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊激勵(lì)的載荷范圍，這里參照?qǐng)D2 選取A1= 110g；A2=44g；t1=5.0ms；t2=12.5ms的正負(fù)雙半正弦波作為輸入沖擊載荷。

2.3 基于AMESim仿真計(jì)算模型

AMESim是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)，通過創(chuàng)建和運(yùn)行多物理場(chǎng)仿真模型來分析復(fù)雜的系統(tǒng)特性，所以基于AMESim的建模與仿真是液壓系統(tǒng)特性分析的重要手段之一[13]。

因此，為了更好地分析液壓限位隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性，這里建立了基于AMESim的液壓限位隔離系統(tǒng)仿真計(jì)算模型，如圖3所示。

圖3 基于AMESim的仿真計(jì)算模型Fig.3 Simulation Calculation Model Based on AMESim

該模型主要由信號(hào)源、彈簧隔離器、液壓限位器和被隔離設(shè)備四部分組成。其中，信號(hào)源即信號(hào)發(fā)生裝置，是通過AMESim中的二次開發(fā)功能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行編譯，使其能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)雙半正弦波沖擊激勵(lì)信號(hào)的加載；彈簧隔離器選用機(jī)械庫(kù)中的彈簧-阻尼模型來模擬其剛度和阻尼特性；液壓限位器主要通過HCD庫(kù)中兩個(gè)BRP18模型組合成液壓限位器的主體部分，并通過液壓庫(kù)中的HYDORG1模型來模擬液壓限位器中的阻尼孔，由二者共同構(gòu)成了雙出桿孔隙式液壓限位器模型；同時(shí)選用機(jī)械庫(kù)中的MAS31元件來模擬被隔離設(shè)備的質(zhì)量。由此組成了完整的液壓限位隔離系統(tǒng)仿真模型。

為了便于沖擊仿真計(jì)算以及設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)的驗(yàn)證，故采用艦載設(shè)備的縮比模型，其質(zhì)量為8kg，與之匹配的彈簧隔離器參數(shù)和液壓緩沖器參數(shù)，如表1所示。

表1 仿真計(jì)算參數(shù)Tab.1 Simulation Calculation Parameters

3 液壓限位隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)分析

液壓緩沖器的工作原理是利用粘滯液體通過阻尼孔產(chǎn)生的阻尼力來吸收并消耗系統(tǒng)中的沖擊能量，進(jìn)而達(dá)到減小系統(tǒng)沖擊響應(yīng)峰值的目的。由文獻(xiàn)[14]可知，對(duì)于雙出桿孔隙式液壓緩沖器來說，阻尼孔孔徑是影響液壓緩沖器阻尼系數(shù)的最重要參數(shù)，因此，首先分析了阻尼孔孔經(jīng)對(duì)液壓限位隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響。其次，為了進(jìn)一步說明采用液壓緩沖器充當(dāng)限位器時(shí)，隔離系統(tǒng)具有的優(yōu)良特性，對(duì)比分析了液壓限位和傳統(tǒng)橡膠限位隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性。

同時(shí)，對(duì)于限位的隔離系統(tǒng)來說，通常要求在保證被隔離設(shè)備的相對(duì)位移不超過極限位移的同時(shí)盡可能降低其加速度響應(yīng)峰值，因此，這里采用式（1）所示加速度隔沖率η來衡量隔離系統(tǒng)的抗沖擊能力[15]，其加速度隔沖率越大，系統(tǒng)的抗沖擊能力越強(qiáng)。

式中：Ai—加速度輸入峰值；Am—加速度輸出峰值。

3.1 阻尼孔孔徑對(duì)沖擊響應(yīng)的影響

選取液壓缸的直徑為30mm，阻尼孔孔徑在（1～8）mm變化，其他參數(shù)同表1，對(duì)液壓限位隔振系統(tǒng)施加如圖2所示的沖擊載荷，分析液壓限位器阻尼孔孔徑對(duì)隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響。

隔離系統(tǒng)相對(duì)位移響應(yīng)、加速度響應(yīng)隨阻尼孔孔徑變化規(guī)律曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 相對(duì)位移響應(yīng)曲線Fig.4 Relative Displacement Response Curve

圖5 加速度響應(yīng)曲線Fig.5 Acceleration Response Curve

由圖4、圖5可知：當(dāng)阻尼孔孔徑d1＞5mm時(shí)，雖然加速響應(yīng)峰值低于40g，但相對(duì)位移響應(yīng)峰值高于16mm，可能已經(jīng)超出了隔離系統(tǒng)所允許的極限位移，同時(shí)，隔離系統(tǒng)一直振蕩，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)用時(shí)較長(zhǎng)，說明此時(shí)液壓限位器的阻尼系數(shù)較小，緩沖、限位能力較差；當(dāng)阻尼孔孔徑d1＜3mm時(shí)，相對(duì)位移響應(yīng)峰值較小，低于9mm，但此時(shí)加速度響應(yīng)峰值高較大，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了沖擊激勵(lì)正波峰值110g，加速度隔沖率出現(xiàn)負(fù)值，這說明此時(shí)隔離系統(tǒng)抗沖擊能力極差；當(dāng)阻尼孔孔徑3≤d1≤5mm 時(shí)，相對(duì)位移響應(yīng)峰值在（9～16）mm 之間，加速度響應(yīng)峰值范圍在（40～80）g之間，當(dāng)阻尼孔孔徑為4mm時(shí)，加速度隔沖率為47.50%，同時(shí)系統(tǒng)振蕩次數(shù)減少，快速恢復(fù)到了穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)液壓限位隔離系統(tǒng)具有最佳沖擊響應(yīng)特性。

綜上所述，隨著阻尼孔由大到小，雖然隔離系統(tǒng)的相對(duì)位移響應(yīng)峰值迅速減小，但其加速度響應(yīng)驟然增大，加速度隔沖率會(huì)迅速下降。因此，對(duì)于具有額定負(fù)載的隔離系統(tǒng)，并非阻尼孔孔徑越小，阻尼系數(shù)越大，液壓限位隔離系統(tǒng)的抗沖擊性能越好，而是存在一個(gè)最優(yōu)阻尼孔區(qū)間，在該區(qū)間內(nèi)，不僅能夠有效的限制相對(duì)位移響應(yīng)峰值，而且使隔離系統(tǒng)具有較好的抗沖擊性能。

3.2 液壓與橡膠限位隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)對(duì)比分析

為了更好地對(duì)比分析液壓限位與橡膠限位隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性，選擇液壓緩沖器阻尼孔孔徑為4mm，其他參數(shù)同表1，橡膠限位器材料選擇艦載設(shè)備限位器常用的丁晴膠，其阻尼比為0.06，同時(shí)，通過調(diào)整橡膠限位器的剛度，在保證液壓限位與橡膠限位隔離系統(tǒng)相對(duì)位移響應(yīng)峰值相同時(shí)，對(duì)比二者的加速度響應(yīng)特性。通過調(diào)整最終橡膠限位器的剛度為1000N/mm。相對(duì)位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)曲線，如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知，隔離系統(tǒng)的響應(yīng)過程主要分為沖擊載荷作用階段和自由振動(dòng)階段。同時(shí)在相同的沖擊載荷作用下，無(wú)限位隔離系統(tǒng)最大相對(duì)位移響應(yīng)幅值為28.78mm，最大加速度響應(yīng)幅值為14.39g,加速度隔沖率為86.92%；橡膠限位隔離系統(tǒng)最大響應(yīng)幅值出現(xiàn)在沖擊載荷作用階段的第二個(gè)峰值，最大相對(duì)位移響應(yīng)幅值為13.73mm，最大加速度響應(yīng)為164.80g，加速度峰值大于沖擊激勵(lì)的110g，加速度隔沖率為負(fù)值，隔沖性能較差；液壓限位隔離系統(tǒng)最大響應(yīng)幅值出現(xiàn)在沖擊載荷作用階段的第一個(gè)峰值，最大相對(duì)位移響應(yīng)為13.70mm，最大加速度響應(yīng)幅值為57.75g，加速度隔沖率為47.50%。

圖6 相對(duì)位移響應(yīng)曲線Fig.6 Relative Displacement Response Curve

圖7 加速度響應(yīng)曲線Fig.7 Acceleration Response Curve

與無(wú)限位隔離系統(tǒng)相比，使用限位器能夠使隔離系統(tǒng)的相對(duì)位移響應(yīng)降低50%以上，這說明限位裝置確實(shí)起到了很好的限位作用。但是在降低相對(duì)位移響應(yīng)的同時(shí)，橡膠限位會(huì)導(dǎo)致加速度響應(yīng)驟然上升，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了沖擊加載，加速度隔沖率出現(xiàn)負(fù)值，導(dǎo)致隔離系統(tǒng)的抗沖擊性能大幅降低；而液壓限位雖然也會(huì)導(dǎo)致加速度響應(yīng)略有升高，但是加速度隔沖率依舊在45%以上，滿足隔離系統(tǒng)的隔沖要求。與橡膠限位隔離系統(tǒng)相比，在相對(duì)位移響應(yīng)近似一致的前提下，液壓限位隔離系統(tǒng)的加速度響應(yīng)幅值降低了65%，同時(shí)加速度響應(yīng)在第一個(gè)波峰出現(xiàn)最大值，隨后迅速衰減，恢復(fù)平衡狀態(tài)，這說明采用液壓限位不僅能夠有效限制相對(duì)位移響應(yīng)，而且改善了橡膠限位造成的二次沖擊問題，大幅提高了隔離系統(tǒng)的抗沖擊能力。

4 沖擊試驗(yàn)與仿真計(jì)算對(duì)比分析

4.1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

為了驗(yàn)證上述仿真計(jì)算規(guī)律的正確性，設(shè)計(jì)的液壓限位和橡膠限位隔離系統(tǒng)的試驗(yàn)裝置，如圖8所示。并采用某科研院所研制的500kg垂向雙波沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證，帶限位隔離系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置在沖擊試驗(yàn)臺(tái)上的安裝分布圖，如圖9所示。分別通過位移傳感器和加速度傳感器分別采集質(zhì)量塊（被隔離設(shè)備）上的相對(duì)位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)。

圖8 限位隔離系統(tǒng)試驗(yàn)裝置Fig.8 Limit Isolation System Test Device

圖9 試驗(yàn)裝置布局圖Fig.9 Test Device Layout

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

調(diào)整試驗(yàn)裝置各部分參數(shù)同仿真計(jì)算參數(shù)一致，通過垂向雙波沖擊試驗(yàn)機(jī)施加與仿真相同的沖擊激勵(lì)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證。無(wú)限位、橡膠限位以及液壓限位隔離系統(tǒng)的仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)量的加速度響應(yīng)時(shí)域歷程曲線對(duì)比結(jié)果，如圖10～圖12所示。

圖10 無(wú)限位隔離系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真對(duì)比曲線Fig.10 Infinite Isolation System Test and Simulation Comparison Curve

圖11 橡膠限位隔離系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真對(duì)比曲線Fig.11 Test and Simulation Comparison Curve of Rubber Limit Isolation System

圖12 液壓限位隔離系統(tǒng)試驗(yàn)與仿真對(duì)比曲線Fig.12 Test Device Layout Test and Simulation Comparison Curve of Hydraulic Limit Isolation System

由圖10～圖12可知，無(wú)限位、橡膠限位以及液壓限位隔離系統(tǒng)仿真計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)得的加速度響應(yīng)時(shí)域歷程曲線具有較好的一致性，同時(shí)，試驗(yàn)測(cè)得的三種隔離系統(tǒng)的加速度響應(yīng)依次是14.72g、169.17g和60.32g，仿真計(jì)算誤差依次為2.24%、2.58%和4.26%，均在誤差允許范圍內(nèi)。通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算時(shí)域曲線對(duì)比分析可知，仿真計(jì)算規(guī)律具有一定可靠性與準(zhǔn)確性，能夠較為真實(shí)地反應(yīng)出三種隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而證明了采用液壓緩沖器充當(dāng)隔離系統(tǒng)限位裝置，不僅能有效限制被隔離設(shè)備的相對(duì)位移響應(yīng)，而且相對(duì)橡膠限位，在相對(duì)位移一致的條件下，能將加速度響應(yīng)降低65%以上，改善了橡膠限位引起的二次沖擊問題，大幅提高了隔離系統(tǒng)的抗沖擊性能。

5 結(jié)論

首先將液壓緩沖器引入艦載設(shè)備用的隔離系統(tǒng)中充當(dāng)限位裝置，建立了基于AMESim的液壓限位隔離系統(tǒng)仿真計(jì)算模型，分析了阻尼孔孔徑對(duì)隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)的影響，然后對(duì)比分析了液壓限位與橡膠限位隔離系統(tǒng)沖擊響應(yīng)特性，最后通過沖擊試驗(yàn)加以驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：（1）在液壓限位隔離系統(tǒng)中，對(duì)于任意一額定負(fù)載，并非阻尼孔越小，隔離系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性越好，而是存在一個(gè)最佳阻尼孔，即最優(yōu)阻尼系數(shù)，在該阻尼孔條件下，隔離系統(tǒng)才會(huì)具有良好的限位、隔沖性能。（2）與橡膠限位隔離系統(tǒng)相比，采用合理的液壓限位器，不僅能夠有效限制隔離系統(tǒng)的相對(duì)位移響應(yīng)，而且能夠在保證相對(duì)位移響應(yīng)一致的條件下，將加速度響應(yīng)幅值降低65%以上，同時(shí)隔離系統(tǒng)的隔沖率在45%以上，大幅提高了限位隔離系統(tǒng)的抗沖擊性能。（3）液壓緩沖器具有較大的阻尼系數(shù)，在沖擊作用時(shí)，由于沖擊瞬間速度較快，緩沖器阻尼力較大，起到了很好地限位效果；在自由振動(dòng)階段，由于粘滯阻尼的作用，能夠快速吸收并消耗系統(tǒng)中的能量，使其恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。因此，合理的液壓限位隔離系統(tǒng)的最大加速度響應(yīng)均出現(xiàn)在第一個(gè)波峰，這樣有效改善了傳統(tǒng)橡膠限位隔離系統(tǒng)中二次沖擊對(duì)被隔離設(shè)備造成的損壞。

綜上，將液壓緩沖器引入隔離系統(tǒng)充當(dāng)限位器能夠大幅提高其隔振抗沖擊性能，因此，設(shè)計(jì)出適合艦載設(shè)備用的液壓限位器具有重大的研究意義與廣泛的應(yīng)用前景。