水平?jīng)_擊減振方法研究

甄海樂(lè)，吳國(guó)東，李 波，王志軍

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051)

國(guó)外沖擊振動(dòng)系統(tǒng)的概周期運(yùn)動(dòng)研究取得了進(jìn)展。Peterka Frantisek用仿真方法研究了水平?jīng)_擊消振器(沖擊體存在摩擦,是彈簧、質(zhì)量、阻尼系統(tǒng))在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下主振系響應(yīng)的穩(wěn)定域及產(chǎn)生周期分岔、倍周期分岔、鞍結(jié)分岔、Hopf分岔的參數(shù)值。用相軌面、分岔圖、Poincaré映射圖分析了周期、擬周期及混沌運(yùn)動(dòng)。

國(guó)內(nèi)羅冠煒等研究了一類(lèi)沖擊振動(dòng)系統(tǒng)在強(qiáng)共振情況下的亞諧運(yùn)動(dòng)與概周期運(yùn)動(dòng)及其向混沌的演化過(guò)程。建立了沖擊消振器對(duì)稱(chēng)周期運(yùn)動(dòng)的Poincaré映射方程,討論了對(duì)稱(chēng)周期運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性與局部分岔并通過(guò)數(shù)值仿真研究了沖擊消振器在非共振、弱共振和強(qiáng)共振條件下的概周期碰振運(yùn)動(dòng)及其向混沌的轉(zhuǎn)遷過(guò)程。

近幾年水平?jīng)_擊減振方法中，顆粒阻尼器作為減振器較為流行，由于低成本、寬頻帶、溫度不敏感、耐久性好,易于在惡劣環(huán)境下工作的特點(diǎn),已被應(yīng)用于機(jī)械和航空領(lǐng)域[9]。但還是很少應(yīng)用于生活中的沖擊減振，而本文通過(guò)常見(jiàn)易找的材質(zhì)，可以有效的減振，能夠應(yīng)用于日常生活的各個(gè)地方，簡(jiǎn)便快捷。

為了解決如今的航空、航天、電子、引信等行業(yè)產(chǎn)品在生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中存在的各種沖擊振動(dòng)現(xiàn)象，有效的降低沖擊振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品的影響，采用水平?jīng)_擊響應(yīng)譜沖擊臺(tái)在沖擊過(guò)程中的響應(yīng)特性，以及對(duì)沖擊響應(yīng)譜的分析，可以對(duì)設(shè)備各部件所承受的最大動(dòng)力載荷有比較準(zhǔn)確的把握，預(yù)測(cè)出沖擊內(nèi)在的破壞；同時(shí)還能提供給工程設(shè)計(jì)人員一個(gè)比較合適的技術(shù)，確保試驗(yàn)的可重復(fù)性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，該方案有良好的減振效果[1]。

本研究提出了水平?jīng)_擊響應(yīng)譜沖擊臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)與沖擊的機(jī)理，設(shè)計(jì)一個(gè)小型水平碰撞臺(tái)固定于水平?jīng)_擊臺(tái)的響應(yīng)板上，沖擊響應(yīng)板受水平方向能量重錘撞擊后在水平方向上左右振蕩，此時(shí)對(duì)其上方的水平碰撞臺(tái)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)波形圖與仿真應(yīng)力圖分析選擇合適的防振材料，為設(shè)備的抗振動(dòng)與抗沖擊設(shè)計(jì)提供參考[2]。

1 防振動(dòng)與沖擊的原理

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)給水平?jīng)_擊錘充氣，在一定氣壓條件下瞬間釋放，與響應(yīng)板k1和k2(彈性裝置剛度系數(shù))一起構(gòu)成一個(gè)雙自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)水平?jīng)_擊響應(yīng)臺(tái)的分析與資料查詢可知，導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因是由于k1和k2這兩個(gè)彈性裝置造成的[3]。且由產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的技術(shù)指標(biāo)可知，該沖擊平臺(tái)的沖擊波形就是衰減的復(fù)雜振蕩波形，所以出現(xiàn)了反復(fù)的振蕩波形，而且這個(gè)沖擊臺(tái)的振蕩只會(huì)不斷的減弱，但是不可以徹底消除[4]。

為了降低振動(dòng)與沖擊的影響，通過(guò)水平碰撞臺(tái)的振動(dòng)機(jī)理，提出了兩種方法實(shí)現(xiàn)目的：一方面對(duì)水平?jīng)_擊臺(tái)的兩個(gè)彈性裝置進(jìn)行優(yōu)化，另一方面是在振蕩板上加裝減振裝置。

在優(yōu)化彈性裝置中，彈性裝置剛度系數(shù)k1在出廠時(shí)給定了出廠默認(rèn)值，理論上是可以調(diào)節(jié)的，但是廠家并未提供如何調(diào)整參數(shù)，故k1無(wú)法調(diào)整。而k2墊片的材料則是可以更換的，在之后的實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)選擇不同的材料來(lái)減小振蕩[5]。同時(shí)在沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)增加的墊片可以減小振蕩，通過(guò)多次試驗(yàn)知道通過(guò)改變墊片的厚度可以適當(dāng)降低振蕩，因此在振蕩板上設(shè)計(jì)一個(gè)合理減振裝置可以更好的降低損耗。

根據(jù)資料分析及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有材料，我們知道波形圖峰值越低，反彈系數(shù)越高，減振效果更理想。因此設(shè)計(jì)一個(gè)減振裝置，其中沖擊響應(yīng)夾具起固定及傳遞力的作用，滑臺(tái)光軸起降低摩擦阻力的作用，緩沖墊起阻尼減振的作用[6]。利用這些特點(diǎn)，在減振裝置上增加不同厚度的毛氈墊、牛皮墊，通過(guò)外力作用，使滑塊在光軸上左右運(yùn)動(dòng)，多次對(duì)比驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集器記錄波形圖的峰值及反彈系數(shù)，選擇減振效果更合適的材料[7]。

由于沖擊響應(yīng)譜是響應(yīng)等效的，對(duì)產(chǎn)品的作用也是等效的，使得更接近于實(shí)際沖擊環(huán)境[8]。在此前提下，根據(jù)彈性碰撞原理，假如有兩個(gè)質(zhì)量分別為m1，m2的物體，以初速度為v0，v1發(fā)生水平碰撞，設(shè)碰撞后的速度各為v2，v3。則根據(jù)公式：

m1·v0+m2·v1=m1·v2+m2·v3

(1)

(2)

從而可以推出：

v2=(m1·v0-m2·v0+2·m2·v1)/(m1+m2)

(3)

v3=(m2·v1-m1·v1+2·m1·v0)/(m1+m2)

(4)

為了盡可能降低能量損失，減少振蕩，我們接下來(lái)會(huì)設(shè)計(jì)一系列的減振方案來(lái)提高實(shí)驗(yàn)精度，目前大約只能實(shí)現(xiàn)v2/v1=0.3～0.4。

沖擊響應(yīng)波形前面的峰值可以忽略不計(jì)，直到出現(xiàn)第一個(gè)低谷，低谷后面的波形與前面的有明顯的不同，截取波形圖中兩個(gè)波底，從而截取這兩個(gè)波底觀察出碰撞的時(shí)間，通過(guò)測(cè)試既定的位移距離s與時(shí)間t之比，得到平均速度v，從而達(dá)到更合適的減振效果。

2 減振模型建立

根據(jù)資料分析以及實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有材料，理論得知毛氈墊和橡膠的減振效果較為理想。依據(jù)減振原理[9]、原沖擊臺(tái)的原理以及雙自由度彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的原理，設(shè)計(jì)出相似的雙系統(tǒng)，建立響應(yīng)夾具模型，匹配碰撞臺(tái)，兩個(gè)夾具底固定于水平臺(tái)相當(dāng)于彈簧兩端固定，夾具壁通過(guò)滑桿連接，滑塊可以通過(guò)力的傳遞在夾具中間的滑桿上左右運(yùn)動(dòng)。在優(yōu)化沖擊墊以及確定緩沖材料之后，設(shè)計(jì)減振裝置，如圖1、圖2。整個(gè)裝置材料為鋼；其中前后墊片采用的材料均為毛氈墊，各厚為10 mm，光滑導(dǎo)軌為20 cm。

圖1 設(shè)計(jì)減振裝置左視圖

沖擊響應(yīng)夾具可傳遞力、約束滑塊，滑臺(tái)光軸使安裝在其上滑臺(tái)能夠左右滑動(dòng)、降低摩擦阻力，緩沖墊起緩沖減振作用，螺孔起固定夾具作用[10]。

最終裝配體如圖3。

將建模設(shè)計(jì)的減振裝置，安裝于水平?jīng)_擊臺(tái)實(shí)體上，為試驗(yàn)分析提供完整的載體。

圖2 設(shè)計(jì)減振裝置俯視圖

3 載具受力仿真

通過(guò)之前的分析，用ANSYS軟件對(duì)載具受力進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其本身有一定承受的屈服力。由于只需保證在一個(gè)安全值中進(jìn)行試驗(yàn)即可，因此隨機(jī)選擇了0.4 MPa、0.6 MPa、1 MPa外力下仿真，得到載具承受效果圖。若外力不破壞載具，則從0.4～1 MPa外力中選擇一個(gè)值即可，從而進(jìn)行下一步的實(shí)驗(yàn)。否則重新選定外力。仿真結(jié)果如圖4～圖7。

圖4 0.4 MPa水平力沖擊仿真

圖5 0.6 MPa水平力沖擊仿真

圖6 1 MPa 水平力沖擊仿真

圖7 安全系數(shù)n

根據(jù)ANSYS應(yīng)力仿真得到最大安全系數(shù)n為15。載具的屈服極限σs為505 MPa，利用[σ]=σs/n，最大許用應(yīng)力分別為10 MPa、15 MPa、25 MPa，帶入計(jì)算得到載具承受的力小于許用應(yīng)力σ，因此在所測(cè)試范圍內(nèi)載具能夠承受1 MPa以下的外力，我們從中選取0.6 MPa的壓力，以防損壞器具。

4 試驗(yàn)分析

在外力沖擊下，滑塊開(kāi)始左右運(yùn)動(dòng)并與減振墊接觸，首先對(duì)毛氈墊和橡膠兩種材料進(jìn)行了測(cè)試，所示的波形曲線如圖8、圖9。

分析圖8，圖9可知，毛氈墊材料在沖擊時(shí)的峰值更低，而橡膠材料的峰值相對(duì)高一些，故選擇毛氈墊作為備選材料，這樣可以有效減振。

在選定沖擊墊片后，將對(duì)不同厚度的毛氈墊的彈性系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，通過(guò)測(cè)試結(jié)果選定合適厚度。其測(cè)試曲線如圖10、圖11。

圖8 8 mm毛氈墊作為沖擊墊材料時(shí)的沖擊波形曲線

圖9 10 mm橡膠作為沖擊墊材料時(shí)的沖擊波形曲線

圖10 4 mm毛氈墊彈性測(cè)試

圖11 8 mm毛氈墊彈性測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)測(cè)試，得到了4 mm毛氈墊的反彈系系數(shù)為0.295，8 mm毛氈墊的反彈系數(shù)為0.417 mm，故在后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中采取較厚的毛氈墊。

最終在0.6 MPa的壓力下，理論上沖擊錘以5 m/s的速度(實(shí)際為3.5 m/s)錘擊沖擊墊(1 mm牛皮+8 mm毛氈墊)，沖擊波傳遞到諧振板上。諧振板帶速度，理論10 m/s，實(shí)測(cè)6 m/s。同時(shí)，減振裝置上的小車(chē)在光滑導(dǎo)軌上開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，最終撞擊減振裝置的后墊板(8 mm毛氈墊)，理論20 m/s，實(shí)測(cè)11.3 m/s。從圖12所示的波形可以看出，減振之后，中間振蕩部分的峰峰值明顯降低。而同樣由圖可以看出，第一次錘擊時(shí)波谷明顯加深，而第二次的波峰的峰峰值也明顯提高，達(dá)到了減振的同時(shí)，也提高了加載瞬間的峰峰值。本設(shè)計(jì)能夠合理的實(shí)現(xiàn)減振效果。

圖12 減振后波形與減振前波形

5 結(jié)論

在減振裝置上安裝墊片對(duì)于減振的有效性和可行性,具有工程實(shí)踐和推廣價(jià)值。同時(shí)給出了墊片類(lèi)型、厚度等參數(shù)對(duì)減振效果的影響,還可以通過(guò)改變滑塊距離前后墊片的位置等方法改善減振效果，可為減振裝置的進(jìn)一步優(yōu)化和工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。由于墊片的非線性特質(zhì)。