橡膠雙層減振與隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)研究

張 志，張兆會(huì)，董 森，王澤鋒，武 力，張凱勝，曹劍中

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)航天產(chǎn)品的可靠性要求越來(lái)越高，而抗沖擊性能是其中一項(xiàng)重要的指標(biāo)。目前，適用此環(huán)境的減振系統(tǒng)大多采用橡膠減振系統(tǒng)，橡膠減振系統(tǒng)可以滿足航空航天及國(guó)防等領(lǐng)域的高溫、高壓、高真空、超低溫、腐蝕性介質(zhì)等惡劣的工作環(huán)境［1－3］。橡膠減振器是目前國(guó)內(nèi)外使用較多的減振形式，已有的文獻(xiàn)中［10－11］對(duì)不同特性及結(jié)構(gòu)形式的橡膠減振器的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析與計(jì)算。金屬橡膠減振器抗沖擊是通過(guò)減振器的變形，把急劇輸入的能量存儲(chǔ)起來(lái)，沖擊過(guò)后系統(tǒng)自由振動(dòng)把能量釋放出來(lái)［4］。

在航天領(lǐng)域，要求設(shè)備在三維方向都須具備較好的抗沖擊能力，而目前采用的雙層減振與隔振結(jié)構(gòu)大多只在一個(gè)方向具有抗沖擊的能力［5－7］。此外，在已有的研究中，加速度沖擊量級(jí)都很小，基本都在1 000 g以下［7－9］，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足航天產(chǎn)品的要求。

本文研究了一種用橡膠減震器組成的雙層減震系統(tǒng)，并通過(guò)沖擊實(shí)驗(yàn)證明此系統(tǒng)在8 000 g的加速度沖擊下可以可靠的工作，同時(shí)，也為以后航天設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 雙層減振與隔振結(jié)構(gòu)

1.1 雙層減振與隔振系統(tǒng)模型［6，9］

本文中設(shè)計(jì)的雙層減振與隔振系統(tǒng)為非線性力學(xué)模型，其力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 雙層減振系統(tǒng)模型Fig.1 The model of double-deck isolation system

圖中，m和m2是上層質(zhì)量和下層質(zhì)量，x1、x2和 x3分別為基礎(chǔ)、上層質(zhì)量和下層質(zhì)量的位移，在t=0時(shí)其初始條件為x1=x2=x3=0。由圖1可建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程組為:

取相對(duì)位移 Y=x3－x2，Z=x3－x1，方程組(1)變?yōu)?

上述分析中，主要針對(duì)橡膠減振器的理論分析。在實(shí)際應(yīng)用中，減振器的結(jié)構(gòu)形式及其安裝數(shù)量和位置對(duì)設(shè)備的抗沖擊能力也有較大影響。本文設(shè)計(jì)的雙層減振結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙層減振系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of double-deck isolation system

其中:L為雙層減振系統(tǒng)的上層質(zhì)量與下層質(zhì)量之比，F(xiàn)為上層剛度與下層剛度之比，n為減振器的非線性常數(shù)。

針對(duì)橡膠減振器，根據(jù)已有的研究成果，主要有以下幾個(gè)因素影響系統(tǒng)的抗沖擊性能。

(1)上下層質(zhì)量比和剛度比的影響。通過(guò)優(yōu)化上下層質(zhì)量比和剛度比可以得到上層質(zhì)量的最優(yōu)的加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)。

(2)阻尼的影響。綜合考慮，減振系統(tǒng)的阻尼一般取0.3～0.5 為最佳。

1.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

研究中使用的橡膠減震器結(jié)構(gòu)如圖2所示，減振器結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在X、Y、Z三個(gè)方向都有抗沖擊能力。

單層干燥（6 h）、雙層干燥（6 h）、三層干燥（8 h） 的最終樣品水分含量分別9.33%，7.77%和8.68%，雙層物料最終濕基含水量最低且各層物料最終濕基含水量無(wú)顯著差異（p＞0.05），物料均勻性最好。

圖2 橡膠減振器結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of rubber damper

下層減振結(jié)構(gòu)采用四個(gè)橡膠減振器，橡膠減振器通過(guò)連接螺釘將外殼安裝在底板上，通過(guò)擰緊螺母使橡膠減振器在Z向產(chǎn)生一定的壓縮量。同時(shí)，由于連接螺釘直徑大于減振器的內(nèi)孔，因此，減振器在X、Y方向也有一定的壓縮量。由此可知，這種結(jié)構(gòu)形式在X、Y、Z三個(gè)方向都有抗沖擊的能力。

同理，上層減振結(jié)構(gòu)同樣采用四個(gè)橡膠減振器，通過(guò)連接螺釘將基板安裝于外殼上，而設(shè)備中的關(guān)鍵器件都是分布于基板上，這樣也就使設(shè)備中的關(guān)鍵器件受到最大限度的緩沖保護(hù)。實(shí)驗(yàn)證明，這種雙層減振結(jié)構(gòu)具有良好的抗沖擊能力。

2 雙層減振與隔振系統(tǒng)仿真分析

針對(duì)上述雙層減振與隔振結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。分析方法如下:

(1)首先分別建立單層減振與隔振及雙層減振與隔振的有限元模型，并對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化;

(2)分別將兩個(gè)有限元模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys中;

(3)將沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)條件作為輸入條件輸入到Ansys軟件中分別對(duì)兩個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算;

(4)計(jì)算完成后，分別提取模型中的關(guān)鍵點(diǎn)的沖擊響應(yīng)值，并對(duì)兩種模型的響應(yīng)值進(jìn)行對(duì)比分析，從而得出結(jié)論。

圖4 雙層減振與隔振系統(tǒng)有限元模型Fig.4 The finite element model of double-deck vibration isolation system

表1 基板中心點(diǎn)的沖擊響應(yīng)值Tab.1 The impact response value of center point at substrate

由表1可知，雙層減振與隔振系統(tǒng)基板中心點(diǎn)的沖擊響應(yīng)值明顯小于單層減振與隔振系統(tǒng)，即雙層減振與隔振系統(tǒng)的減振與隔振效果明顯優(yōu)于單層減振與隔振系統(tǒng)。

3 加速度沖擊實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的雙層減震結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力，進(jìn)行了大量級(jí)的加速度沖擊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 沖擊試驗(yàn)裝置Fig.5 Experimental devices of shock response

圖5 中，為了比較雙層減振結(jié)構(gòu)與單層減振結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)譜的差別，將兩者安裝在同一振動(dòng)夾具上。表2為沖擊實(shí)驗(yàn)條件。

表2 沖擊試驗(yàn)條件Tab.2 Experimental conditions of shock response

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在X、Y、Z三個(gè)方向上每個(gè)方向沖擊兩次，并測(cè)量沖擊方向的響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的X、Y、Z三個(gè)方向上的沖擊響應(yīng)譜如圖6～圖8所示。

圖6～圖8中，ch1為振動(dòng)夾具上傳感器的沖擊響應(yīng)譜曲線，ch2為兩層減振結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)譜曲線，ch3為單層減振結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)譜曲線，由圖可得到以下結(jié)論:

圖6 Z方向沖擊響應(yīng)譜Fig.6 Shock response spectrum on Z axis

圖7 Y方向沖擊響應(yīng)譜Fig.7 Shock response spectrum on Y axis

圖8 X方向沖擊響應(yīng)譜Fig.8 Shock response spectrum on X axis

(1)圖6～圖8表明，在8 000 g的加速度沖擊下，經(jīng)過(guò)下層橡膠減振器后，沖擊響應(yīng)衰減為3 000 g左右，即下層減振器可以吸收大部分的沖擊能量。

(2)由圖6～圖8可知，當(dāng)頻率小于3 000 Hz時(shí)，Y向與Z向的響應(yīng)曲線差異較大，X向的響應(yīng)曲線雖有差異，但差異較小。說(shuō)明在低頻段，雙層減振與隔振系統(tǒng)在Y向與Z向的減振效果較好，而在X向的減振效果不明顯。當(dāng)頻率高于3 000 Hz時(shí)，雙層減振結(jié)構(gòu)的加速度沖擊響應(yīng)譜值在X、Y、Z三個(gè)方向上都比單層減振結(jié)構(gòu)小1 000 g左右，即雙層減振結(jié)構(gòu)在高頻段的抗沖擊能力優(yōu)于單層減振結(jié)構(gòu)，結(jié)論與上述仿真分析結(jié)果基本一致。

(3)圖4中，雙層減振結(jié)構(gòu)的下層安裝四個(gè)橡膠減振器，由于減振器在X、Y方向的結(jié)構(gòu)相同，單個(gè)減振器在X、Y方向的抗沖擊能力也一樣。所以，引起X、Y方向沖擊響應(yīng)譜不同的因素主要取決于橡膠減振器安裝的跨度，由圖可知，Y向的跨度為128 mm，X向的跨度為52 mm。由圖7、圖8可知，當(dāng)頻率大于2 000 Hz時(shí)，Y向的沖擊響應(yīng)譜值明顯小于X向，即適當(dāng)增加橡膠減振器的安裝跨度可以提高系統(tǒng)的抗沖擊能力。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)以上的分析，在大量級(jí)的加速度沖擊下(如8 000 g)，可得到以下結(jié)論:

(1)在8 000 g沖擊下，下層的橡膠減振器可以吸收大部分的沖擊能量。當(dāng)頻率小于3 000 Hz時(shí)，二層減振結(jié)構(gòu)與單層減振結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)譜大致相同;當(dāng)頻率大于3 000 Hz時(shí)，雙層減振結(jié)構(gòu)抗沖擊能力明顯優(yōu)于單層減振結(jié)構(gòu)。

(2)當(dāng)使用橡膠減振器進(jìn)行減振時(shí)，增加橡膠減振器的安裝跨度可以提高系統(tǒng)的抗沖擊能力。

(3)經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的雙層減振結(jié)構(gòu)經(jīng)歷六次8 000 g加速度沖擊后能夠正常工作，這對(duì)航天設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)具有重要的意義。

［1］切戈達(dá)耶夫等.金屬橡膠構(gòu)件的設(shè)計(jì)［M］.李中郢譯.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2000.

［2］姜洪源，夏宇宏，敖宏瑞，等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用特種金屬橡膠構(gòu)件的應(yīng)用［J］.研究燃?xì)鉁u輪實(shí)驗(yàn)與研究，2003，16(3):1－5.JIANG Hong-yuan， XIA Yu-hong，AO Hong-rui，et al.Research on the application of special metal rubber components used in aero engine［J］.Gas Turbine Experiment and Research，2003，16(3):1 －5.

［3］郭寶亭，朱梓根，崔榮繁，等.金屬橡膠材料的理論模型研究［J］.航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2004，19(3):314－319.GUO Bao-ting， ZHU Cui-gen， CUI Rong-fan， et al.Theoretical model of metal-rubber［J］.Journal of Aerospace Power，2004，19(3):314 －319.

［4］敖宏瑞，姜洪源，閆 輝，等.基于小波變換的金屬橡膠干摩擦系統(tǒng)阻尼識(shí)別［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004，21(7):27－30.AO Hong-rui，JIANG Hong-yuan，YAN Hui，et al.Wavelet transformation based damping identification for metal rubber dry friction system［J］.Journal of Machine Design，2004，21(7):27－30.

［5］王志偉，武冬雁.矩形脈沖激勵(lì)下正切型非線性包裝系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)［J］.振動(dòng)與沖擊，1999，18(3):48－51.WANG Zhi-wei， WU Dong-yan. The shock response of tangential nonlinear packaging system under the action of rectangular pulse［J］.Jouranl of Vibration and Shock，1999，18(3):48－51.

［6］高 德，盧富德.兩自由度正切非線性系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)研究［J］.哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，26(6):748－752.GAO De，LU Fu-de.Study of shock response spectra surface under half-sine pulse of two-degree of freedom tangent nonlinear system［J］.Journal of Harbin University of Commerce，2010，26(6):748－752.

［7］嚴(yán)東晉，唐德高，錢七虎.爆炸沖擊震動(dòng)下雙層線性隔震體系的隔震性能［J］.振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，2001，14(3):339－344.YAN Dong-jin， TANG Deg-ao， QIAN Qi-hu. Isolation properties of double mass-spring system under blast shock and vibration［J］. Journal of Vibration Engineering，2001，14(3):339－344.

［8］李紅剛，彭 旭.具有剛度非線性雙層隔振系統(tǒng)沖擊響應(yīng)數(shù)值分析研究［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2007，27(1):21－26.LI Hong-gang，PENG Xu.Shock response of two degrees of freedom isolation system with isolator of non-linear stiffness［J］.Journal of Noise and Vibration Control，2007，27(1):21－26.

［9］黃秀玲，王 軍，盧立新，等.三次非線性包裝系統(tǒng)關(guān)鍵部件沖擊響應(yīng)影響因素分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2010，29(10):179－181.HUANG Xiu-ling，WANG Jun，LU Li-xin，et al.Factors influencing shock characteristics of a cubic nonlinear packaging system with critical component［J］.Journal of Vibration and Shock，2010，29(10):179－181.

［10］潘孝勇，謝新星，上官文斌.變振幅激勵(lì)下的液阻橡膠隔振器動(dòng)態(tài)特性分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2012，31(1):144－149.PAN Xiao-yong，XIE Xin-xing，SHANGGUAN Wen-bin.Dynamic properties analysis for a hydraulic rubber isolator under excitations with different amplitudes［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31(1):144－149.

［11］吳禮剛，段小成，黃 興，等.半主動(dòng)液阻型橡膠隔振器動(dòng)態(tài)性能測(cè)試與計(jì)算分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2011，30(4):33－37.WU Li-gang，DUAN Xiao-cheng，HUANG Xing，et al.Test and calculation for dynamic performances of a semi-active engine mount［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30(4):33－37.