T型鋼絲繩隔振器動態特性試驗研究

姜宏亮 閆明 惠安民

摘 要：鋼絲繩隔振器是一種常用的被動隔振裝置，本文通過開展準靜態、振動、沖擊等試驗獲得完整的曲線數據，探究鋼絲繩隔振器三向動態特性。準靜態試驗和沖擊試驗結果表明，變形速率的大小與鋼絲繩減振器的能量耗散有直接關系，準靜態壓縮時，速率較低，對能耗的大小基本無影響，沖擊時，速率較高，對能耗的大小有直接影響。振動試驗結果表明，鋼絲繩隔振器的動剛度會隨著激振頻率的增加而減小，當激振頻率與固有頻率相等時，動剛度最小。

關鍵詞：鋼絲繩隔振器;動態特性;測試方法

中圖分類號：TB523文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）16-0033-04

Abstract： Wire rope vibration isolator is a commonly used passive vibration isolation device， this paper explored the three-way dynamic characteristics of wire rope vibration isolators by carrying out quasi-static， vibration， shock and other experiments to obtain complete curve data. The results of the quasi-static test and the impact test show that the magnitude of the deformation rate is directly related to the energy dissipation of the wire rope vibration isolator， when quasi-static compression， the rate is low， and it has basically no effect on the size of energy consumption， and when it is impacted， the rate is high， which has a direct impact on the size of energy consumption. The vibration test results show that the dynamic stiffness of the wire rope vibration isolator will decrease with the increase of the excitation frequency， when the excitation frequency is equal to the natural frequency， the dynamic stiffness is minimum.

Keywords： wire rope vibration isolator;dynamic characteristics;test method

振動與沖擊在日常生活和工程實踐中都是常見現象。如今，隨著科學技術水平的飛速提高，人們對機械設備的精度、功能性、可靠性有了更高的要求。振動與沖擊無疑會對其產生惡劣的影響。減少振動與沖擊的危害，既可以從振源開始，也可以在傳遞過程中進行，安裝隔振裝置就是降低振動傳遞的一種方法[1]。目前，比較常用的隔振器主要有塑料隔振器、金屬彈簧隔振器、空氣彈簧隔振器、橡膠隔振器、液壓阻尼器隔振器、磁流變液阻尼隔振器和鋼絲繩隔振器等[2]。

鋼絲繩隔振器是一種典型的非線性隔振裝置，其是利用鋼絲繩股與股、絲與絲之間的摩擦、滑移實現隔振功能的部件。與其他類型的隔振器相比，鋼絲繩隔振器具有阻尼特性優良、承載能力高、不易腐蝕軟化、可承受三向載荷等特性。鋼絲繩隔振器形式多樣，按照結構形式分類，主要有T型、G型和Q型等形式[3]。由于鋼絲繩隔振器的結構非線性、幾何非線性、材料非線性等因素比較突出，其沖擊特性理論分析存在較大的難度，試驗仍是當前較為可信的參數獲取途徑[4]。因此，為更加全面了解、應用鋼絲繩隔振器，對鋼絲繩隔振器進行試驗研究是十分必要的。本文通過多組試驗得出鋼絲繩隔振器的具體數據，通過數據探究鋼絲繩隔振器的特性，為鋼絲繩隔振器的應用提供試驗依據。本文選取T型鋼絲繩隔振器作為研究對象，根據隔振器的剛度方向，將鋼絲繩隔振器運動方向分為拉壓、橫滾、剪切方向。

1 準靜態試驗

鋼絲繩隔振器準靜態試驗系統原理框圖如圖1所示。

按照隔振器的測量方向，設計一種試驗夾具，如圖2所示。將隔振器安裝在萬能試驗機上進行準靜態試驗，分別對隔振器進行三向加載，加載速度分別為10、20、30 mm/min，試驗結果如圖3、圖4、圖5所示。

圖2 準靜態三向測量試驗

在加載速度發生變化時，鋼絲繩隔振器各工況遲滯回線基本吻合，說明變形速率較低時，其對能耗大小基本無影響。同時，研究發現，拉壓剛度明顯大于其他兩向剛度，承載能力更高。

2 振動試驗

隔振器常用的測試方法有橢圓法、激振掃描法、自振衰減法、機械阻抗測試法。根據試驗條件，本試驗采用激振掃描法。

為分析鋼絲繩隔振器動剛度變化情況，為方便計算，通常將其簡化為理想的單自由度系統。在單自由度系統受到激勵加載時，系統運動微分方程如式（1）所示。

通過式（3）可知，想要求出隔振器的動剛度，人們需要先測量出質量系統的響應加速度和位移，然后進行傅里葉變換將其轉化為頻域數據，再將加速度與對應載荷質量相乘，即可得到合力，然后根據式（3）便可得到頻域下動剛度的變化曲線，如圖6所示。

圖7為鋼絲繩隔振器的傳遞系數曲線，人們根據傳遞系數曲線可以確定固有頻率和傳遞率。通過觀察圖7可以發現，拉壓方向的傳遞系數最低，說明拉壓方向的隔振能力最好。動剛度隨頻率的增加而逐漸減小，當頻率增加到固有頻率附近時，動剛度最小且質量塊的位移響應最大。通過比較三向動剛度曲線可以發現，拉壓動剛度大于其他兩向的動剛度。

3 沖擊試驗

隔振器沖擊特性試驗法包括跌落法、擺錘法、撞錘法和激振臺法等。其中，跌落試驗法存在兩種形式，即規定沖擊速度法和規定脈沖波形法。本文采取的試驗方法為規定脈沖波形法。如圖8所示，通過調節提升高度和波形發生器來達到規定脈沖的要求。記錄試驗數據并繪制成圖，如圖9、圖10、圖11所示。

通過控制脈寬大小改變脈沖可以發現，隨著脈沖的逐漸增大，鋼絲繩隔振器的遲滯面積、沖擊剛度不斷增大。在變形距離接近時，準靜態試驗下的鋼絲繩隔振器遲滯回線面積遠小于沖擊試驗下鋼絲繩隔振器遲滯回線面積，說明了變形速率的快慢影響隔振器的耗能能力。鋼絲繩隔振器沖擊遲滯回線面積增大，說明了隔振器在沖擊時具有較強的耗能能力，證明了鋼絲繩隔振器具有良好的抗沖擊性能。

4 結論

準靜態試驗和沖擊試驗結果表明，變形速率的大小與鋼絲繩減振器的能量耗散有直接關系，準靜態壓縮時，速率較低，對能耗的大小基本無影響，而沖擊時，速率較高，對能耗的大小有直接影響。鋼絲繩隔振器的動剛度會隨著激振頻率的增加而減小，當到達固有頻率時，動剛度最小。在準靜態試驗、振動試驗和沖擊試驗中，人們均可發現，拉壓剛度在三種剛度中最大，在受到沖擊時，鋼絲繩遲滯面積能夠迅速增加，說明鋼絲繩隔振器具有良好的抗沖擊性能。

參考文獻：

[1]黨江雪.鋼絲繩圓環加工裝置及鋼絲繩隔振器剛度特性研究[D].重慶：重慶大學，2015.

[2]王紅霞.O型鋼絲繩隔振器特性研究[D].重慶：重慶大學，2015.

[3]國防科學技術工業委員會.艦船用鋼絲繩隔振器規范：GJB 6412—2008[S].北京：國防工業出版社，2008.

[4]黃映云，秦俊明.鋼絲繩隔振器沖擊特性試驗研究[J].海軍工程大學學報，2007（1）：23-26.