套筒型金屬減振器型譜建設(shè)研究與實(shí)踐

劉闞元、石少仿、李昊宇、丁洋、趙爽、姜志國(guó) /北京強(qiáng)度環(huán)境研究所

套筒型金屬減振器具有良好的三方向減振隔沖效果，部分產(chǎn)品在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中減振效率可達(dá)70%以上，在沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)中隔沖效率可達(dá)90%以上，可以為設(shè)備提供可靠的防護(hù)。金屬減振器全部結(jié)構(gòu)由耐銹蝕金屬制成，同時(shí)具有在真空中不揮發(fā)、耐高低溫、耐腐蝕、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為各類新型導(dǎo)彈武器、運(yùn)載火箭、飛船衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船等搭載的電子設(shè)備或敏感單機(jī)的主要防護(hù)單元。

由于套筒型金屬減振器適用范圍廣，環(huán)境條件和技術(shù)指標(biāo)差異性較大，迫使承制單位采用“一對(duì)一”定制開發(fā)模式，開發(fā)效率、成本以及通用性等距離產(chǎn)品化要求存在較大差距。隨著客戶對(duì)減振產(chǎn)品認(rèn)可度的提升，定制開發(fā)模式使減振產(chǎn)品發(fā)展遇到瓶頸。

為適應(yīng)日益拓展的應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)短平快需求的挑戰(zhàn)，面對(duì)宇航任務(wù)高可靠、高要求的單套生產(chǎn)和武器任務(wù)批量化、多樣化、穩(wěn)定生產(chǎn)的不同組織模式，以及通用化、系列化和組合化戰(zhàn)略要求，將客戶需求分級(jí)分類，保留定制化的研發(fā)生產(chǎn)方式，同時(shí)將套筒型金屬減振器型譜化，為客戶提供兩種選擇是解決目前供需矛盾的一個(gè)有效手段。

一、型譜建立需求分析

1.減振原理

套筒型金屬減振器通常安裝在被減振設(shè)備上，由螺釘將金屬減振器和被減振設(shè)備整體安裝到振源基座上。當(dāng)基座傳遞來(lái)振動(dòng)能量時(shí)，金屬減振器通過(guò)金屬減振墊的變形和其金屬絲之間相互摩擦耗散設(shè)備的振動(dòng)能量，使傳遞到被減振設(shè)備的能量降低，達(dá)到保護(hù)被減振設(shè)備的作用，屬于被動(dòng)隔振。減振基本原理如圖1 所示。

圖1 金屬減振器減振的基本原理圖

安裝金屬減振器的設(shè)備和振源組成的系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

其中，m 為設(shè)備的質(zhì)量、x為設(shè)備的位移、x為振源的位移、k 和c 分別為金屬減振器的剛度和阻尼。

上式可寫為：兩邊進(jìn)行拉氏變換（設(shè)初始條件為零），可得：

因而，該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

可得設(shè)備受到的振動(dòng)的功率譜密度與振源，即振動(dòng)試驗(yàn)中振動(dòng)條件的功率譜密度的關(guān)系如下：

因此，只要根據(jù)設(shè)備的質(zhì)量和安裝方式等選擇適合的金屬減振器，即可做到使設(shè)備所受振動(dòng)的總均方根值小于振動(dòng)條件中的總均方根值，從而實(shí)現(xiàn)減振。

2.技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

國(guó)外從20 世紀(jì)70 年代開始鋼絲繩、鋼絲網(wǎng)和粘彈性材料的新型被動(dòng)式減振器，半主動(dòng)液壓型開關(guān)式減振器及主動(dòng)控制的減振器的研究工作，以取代老式的橡膠或彈簧隔振器。國(guó)內(nèi)目前在小型電子設(shè)備領(lǐng)域仍以傳統(tǒng)橡膠減振器的應(yīng)用為主導(dǎo)，往往是在設(shè)備進(jìn)行仿真校核或隨整機(jī)進(jìn)行地面試驗(yàn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備振動(dòng)量級(jí)較大，存在超過(guò)電子元器件抗振量級(jí)閥值的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而選用橡膠減振墊進(jìn)行防護(hù)，在經(jīng)過(guò)試驗(yàn)未產(chǎn)生問(wèn)題后便一直延續(xù)應(yīng)用，并未根據(jù)單機(jī)產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境要求綜合考慮減振器的選擇，如高低溫循環(huán)、腐蝕性環(huán)境、設(shè)備接地等要求。

國(guó)外同類型軍用產(chǎn)品由于技術(shù)封鎖等方面的原因難以獲得真實(shí)有效的技術(shù)參數(shù)和指標(biāo)。對(duì)比分析國(guó)內(nèi)的小型電子設(shè)備領(lǐng)域，在軍方對(duì)貯存期和環(huán)境適應(yīng)性要求不斷提高的大環(huán)境下，全金屬減振器仍有廣闊的市場(chǎng)需求和應(yīng)用前景。

3.現(xiàn)有產(chǎn)品狀態(tài)分析

金屬減振器配套設(shè)備具有種類繁雜、多代共存、產(chǎn)品來(lái)源多的特點(diǎn)，各類設(shè)施設(shè)備的技術(shù)成熟程度、產(chǎn)品資源積累程度甚至同一種產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)的一致性程度等都有不同。因此，應(yīng)采用統(tǒng)計(jì)、分析、歸納的方法，按照全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的基本原則進(jìn)行型譜建設(shè)。

對(duì)現(xiàn)有配套武器型號(hào)的套筒型金屬減振器進(jìn)行梳理，共梳理出常用的6 個(gè)系列套筒型金屬減振器，共包含95 個(gè)型號(hào)（見(jiàn)表1），主要在連接接口、外形尺寸、承載能力以及剛度等設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)中存在一定差異性，但也存在相似性和重復(fù)性。

表1 現(xiàn)有產(chǎn)品狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表

二、型譜建立方案

1.結(jié)構(gòu)形式

套筒型金屬減振器由2 個(gè)金屬減振墊、1 個(gè)限位套筒、1 個(gè)限位墊片、2 個(gè)鋼套組成，如圖2 所示。

圖2 套筒型金屬減振器基本結(jié)構(gòu)及安裝示意

金屬減振墊作為彈性阻尼元件，是用特定的工藝方法將一定質(zhì)量的、呈螺旋狀態(tài)的金屬絲經(jīng)拉伸展開并有序地排放在沖壓模具中，然后用冷沖壓的方法成型的一種功能性網(wǎng)狀隔振材料。限位套筒、限位墊片、鋼套為機(jī)械加工零件，其中限位套筒和限位墊片提供支撐和限位，鋼套提供對(duì)外安裝接口，同時(shí)提供橫向支撐，使減振器具備三方向的減振能力。

2.識(shí)別特征參數(shù)

金屬減振墊是提供剛度和阻尼的減振功能元件，也決定了金屬減振器的外形尺寸、承載能力、剛度范圍等核心參數(shù)。結(jié)合客戶選用要求，確定安裝螺釘?shù)囊?guī)格作為第一特征參數(shù)，將安裝接口尺寸（孔和板厚）作為第二特征參數(shù)，將外形尺寸作為第三特征參數(shù)，將剛度作為第四特征參數(shù)。第一、二、三特征參數(shù)由金屬減振墊的尺寸決定，第四特征參數(shù)剛度在繼承現(xiàn)有型號(hào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行梯度布局。

3.構(gòu)建產(chǎn)品樹

按照套筒型金屬減振器產(chǎn)品型譜特征參數(shù)的重要程度，逐級(jí)劃分產(chǎn)品樹層次，如圖3 所示。

圖3 套筒型金屬減振器產(chǎn)品樹示意圖

4.編制代號(hào)

套筒型金屬減振器型譜產(chǎn)品代號(hào)由型式代號(hào)、螺釘代號(hào)、剛度特性、結(jié)構(gòu)序列4 個(gè)部分組成（見(jiàn)圖4）。

圖4 型號(hào)標(biāo)記

型式代號(hào)表示產(chǎn)品類型、特性的漢語(yǔ)拼音首字母，以3 位大寫字母表示，代號(hào)TSJ 分別為套筒型、絲網(wǎng)、軍品級(jí)減振器的拼音首字母。

螺釘代號(hào)表示安裝螺釘?shù)拇?hào)，以大寫字母M和2 位阿拉伯?dāng)?shù)字表示。其中，M 代表螺紋形式，2 位阿拉伯?dāng)?shù)字代表螺紋規(guī)格，如M04。

剛度特性表示產(chǎn)品剛度，以2～3 位阿拉伯?dāng)?shù)字表示，如剛度2×10N/m 代號(hào)為02。

結(jié)構(gòu)序列表示產(chǎn)品結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)序列，目前非全包覆、非自鎖的常規(guī)結(jié)構(gòu)型式的序列代號(hào)為1。

5.確定技術(shù)參數(shù)及接口參數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，將技術(shù)參數(shù)存在重疊、接口參數(shù)相近的型號(hào)進(jìn)行合并和優(yōu)化，按照梯度布局補(bǔ)充新型號(hào)。經(jīng)整合，產(chǎn)品型號(hào)由近百種下降至19種（見(jiàn)表2）。

表2 套筒型金屬減振器技術(shù)參數(shù)與接口參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

6.確定統(tǒng)一的考核條件

（1）靜剛度考核條件

金屬減振墊是金屬減振器實(shí)現(xiàn)減振隔沖功能的核心元件，制定統(tǒng)一的測(cè)量方法進(jìn)行靜剛度測(cè)量，采用加載力控制，要求金屬減振墊在目標(biāo)加載力下變形，要求變形在偏差范圍內(nèi)，可以控制批次產(chǎn)品性能的一致性。

（2）動(dòng)剛度考核條件

金屬減振器在運(yùn)載、武器型號(hào)的整星、慣組、平臺(tái)、導(dǎo)引頭以及多類電子儀器設(shè)備上均有配套經(jīng)歷，其中在電子設(shè)備上優(yōu)勢(shì)更明顯、需求量更大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，電子設(shè)備篩選用隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件（GJB150.16A）是客戶提出的重合度最高的一個(gè)試驗(yàn)條件，選取此條件作為型譜產(chǎn)品統(tǒng)一的考核條件（見(jiàn)表3）。

表3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件

三、產(chǎn)品質(zhì)量與性能控制

1.外觀檢查要求

采用目視法進(jìn)行外觀檢查，要求金屬減振墊表面應(yīng)無(wú)飛絲、線頭，金屬結(jié)構(gòu)件表面應(yīng)光滑、無(wú)裂紋、無(wú)腐蝕和其它機(jī)械損傷，每批次產(chǎn)品全樣進(jìn)行外觀檢查，不符合要求則剔除廢品。

2.批次性能控制

每批次金屬減振墊全樣進(jìn)行靜剛度測(cè)量，在力—位移曲線上讀取金屬減振墊的變形量，通過(guò)變形量來(lái)檢查減振墊批次性能的一致性。

靜剛度測(cè)量合格后，每批次金屬減振器按照特定比例隨機(jī)抽取產(chǎn)品進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，系統(tǒng)第一階諧振頻率滿足表2 要求即認(rèn)為合格。若有任何一項(xiàng)性能指標(biāo)不符合要求，則應(yīng)以加倍數(shù)量的金屬減振器進(jìn)行第二次試驗(yàn)，在第二次試驗(yàn)中，如仍有不符合要求的，則該批金屬減振器認(rèn)定為不合格。經(jīng)振動(dòng)試驗(yàn)后的金屬減振器，不允許作為成品交付。

3.制造工藝與質(zhì)量控制

TSJ 系列金屬減振器所用原材料在武器型號(hào)選用目錄內(nèi)，通過(guò)統(tǒng)一訂購(gòu)并進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，提供復(fù)驗(yàn)證明。

TSJ 系列金屬減振器以同批次絲材和棒材、同班次連續(xù)生產(chǎn)的產(chǎn)品為一批，每批產(chǎn)品數(shù)量控制在限值內(nèi)。

金金屬減振墊制備需包含：金屬減振墊由金屬橡膠材料構(gòu)成，其是用一定的工藝方法，將一定質(zhì)量的、拉伸開的螺旋狀態(tài)的金屬絲有序地排放在沖壓或碾模具中，然后用冷沖或者碾制的方法成型。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是金屬絲相互交錯(cuò)形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)非常類似橡膠高分子結(jié)構(gòu)并具有橡膠一樣的彈性。金屬減振墊的加工和測(cè)試設(shè)備的精度應(yīng)控制在要求范圍內(nèi)。

TSJ 系列金屬減振器采用軍品質(zhì)量管理方式，生產(chǎn)全過(guò)程質(zhì)量受控，質(zhì)量記錄及各項(xiàng)測(cè)試、產(chǎn)品合格證、產(chǎn)品質(zhì)量履歷書填寫內(nèi)容全面、完整、正確，簽署完整，可供追溯。

4.試驗(yàn)充分性

套筒型金屬減振器在型譜化建立過(guò)程中，制定了統(tǒng)一的模具管理辦法、加工工藝方法和檢測(cè)方法，有統(tǒng)一形式的模擬配重，全部重新進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)，包括軸向靜剛度測(cè)量、極限位移試驗(yàn)、過(guò)載試驗(yàn)、低量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、高量級(jí)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。針對(duì)武器型號(hào)應(yīng)用環(huán)境，進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，包括高低溫試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)、鹽霧試驗(yàn)、砂塵試驗(yàn)、霉菌試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)充分（見(jiàn)表4）。

表4 試驗(yàn)充分性分析表

四、產(chǎn)品選用控制

TSJ 系列金屬減振器采取滾動(dòng)生產(chǎn)模式，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研情況確定各型號(hào)產(chǎn)品的庫(kù)存基數(shù)，庫(kù)存少于基數(shù)即啟動(dòng)投產(chǎn)流程，使型譜產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)貨架化。

研究所編制并出版了TSJ 系列金屬減振器產(chǎn)品選型手冊(cè)，包括減振器原理、選型流程、完備的產(chǎn)品接口參數(shù)與性能參數(shù)、典型應(yīng)用案例等，為客戶選型提供參考。同時(shí)，也分配了專職技術(shù)人員提供技術(shù)支持。TSJ 系列金屬減振器的選型基本流程如圖5 所示。

圖5 選型基本流程

建立TSJ 系列金屬減振器型譜，對(duì)于保證型號(hào)成功、降低成本和縮減周期有著積極作用，研究所與客戶實(shí)現(xiàn)了雙贏。研究所可以實(shí)現(xiàn)初步的項(xiàng)目分級(jí)，整合技術(shù)資源，將技術(shù)人員從重復(fù)工作中解脫出來(lái)，使其有更多的時(shí)間從事新產(chǎn)品研制工作、豐富減振降噪產(chǎn)品線，促進(jìn)減振緩沖技術(shù)的發(fā)展；形成貨架產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了銷售量和銷售額的突破，為規(guī)模化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，客戶可以直接應(yīng)用型譜產(chǎn)品的性能參數(shù)，進(jìn)行理論計(jì)算與仿真分析，直接預(yù)留出減振器安裝接口；在產(chǎn)品試驗(yàn)階段，出現(xiàn)問(wèn)題可以快速拿到減振器進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。TSJ 系列金屬減振器推廣2 年來(lái)，研究所在不斷為客戶解決實(shí)際問(wèn)題的同時(shí)收到客戶更多的期待，如將支座型減振器型譜化、將自鎖形式套筒型減振器型譜化等，后續(xù)研究所將以本次實(shí)踐為基礎(chǔ)繼續(xù)型譜化建設(shè)工作。