艦船用大行程鋼絲繩隔振緩沖系統的沖擊特性試驗研究

劉浩　閆明

摘 要：傳統鋼絲繩隔振器工作行程有限，在沖擊荷載較大時，容易導致結構打底，引發剛性碰撞現象。基于此，本文提出了一種大行程鋼絲繩隔振緩沖系統的設計方案，利用跌落沖擊試驗，從沖擊激勵幅值、脈寬兩方面驗證該方案的可行性，并探究其沖擊特性規律。沖擊試驗結果表明，不同沖擊激勵幅值條件下，系統的緩沖性能較好，沖擊隔離率隨輸入激勵峰值的增大有所衰減;不同激勵脈寬條件下，系統響應具有較好的一致性，沖擊隔離率與激勵脈寬度呈負相關。

關鍵詞：鋼絲繩隔振器;緩沖性能;沖擊試驗;沖擊隔離

中圖分類號：TB535.1文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）06-0075-03

Experimental Research on Impact Characteristics of Ship's

Large-stroke Wire Rope Vibration Isolation and Buffer System

LIU Hao YAN Ming

（School of Mechanical Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870）

Abstract： The traditional wire rope vibration isolator has a limited working stroke， and when the impact load is large， it is easy to cause the bottom of the structure and cause the phenomenon of rigid collision. Based on the above， this paper proposed a design scheme of a large-stroke wire rope vibration isolation and buffer system， and used the drop impact test to verify the feasibility of the scheme from the impact excitation amplitude and pulse width， and explore its impact characteristics. The shock test results show that under different shock excitation amplitude conditions， the buffer performance of the system is better， and the shock isolation rate attenuates with the increase of the input excitation peak value; under different excitation pulse width conditions， the system response has good consistency， and the impact isolation rate is negatively correlated with the excitation pulse width.

Keywords： wire rope vibration isolator;cushioning performance;impact test;impact isolation

一直以來，艦船設備所處的工作環境十分復雜，在沖擊荷載作用下，設備電氣部件的抗沖擊能力較弱，易發生沖擊損傷，出現設備失靈、損毀等使用性能降低的情況[1]。為保證復雜沖擊環境下艦船設備抗沖擊防護能力，本文結合常見的鋼絲繩隔振器，設計鋼絲繩隔振緩沖系統[2-3]。

傳統鋼絲繩隔振器在較大沖擊激勵下沒有足夠的工作行程來保證系統在緩沖過程中始終做彈性運動，鋼絲繩隔振器易因行程不足導致結構的打底，發生剛性碰撞現象[4]。本文以大行程鋼絲繩隔振緩沖系統為研究對象，對系統在不同沖擊激勵幅值、脈寬條件下的沖擊特性規律進行探究，并通過跌落式沖擊試驗機對系統沖擊響應規律進行試驗分析，為鋼絲繩隔振緩沖系統的工程應用提供理論依據及試驗數據參考。

1 系統結構組成及試驗方法

鋼絲繩隔振緩沖系統主體部分由艦船設備電氣部件、沖擊隔離部件、輔助固定裝置以及基座組成。其垂向沖擊荷載由基座、沖擊隔離部件和輔助固定裝置進行傳遞，其能夠在實現沖擊隔離的同時具有一定的隔振限位功能，滿足設備沖擊防護的基本要求。

系統采用鋼絲繩作為沖擊隔離部件，主要承受縱向沖擊荷載。較大的工作行程使得系統在承受縱向沖擊荷載的同時也可以承受橫向沖擊荷載，更有利于對艦船設備電氣部件進行限位，各個方向均具有良好的隔離系統沖擊防護性能[5]。安裝基座結構簡單，可與其他艦船設備安裝位置疊加，整體結構一體性好且重心較低，系統穩定性高。

隔振緩沖系統沖擊試驗方案根據《軍用裝備實驗室環境試驗方法 第18部分：沖擊試驗》（GJB 150.18A—2009）制定，沖擊試驗采用規定脈沖波形法產生沖擊輸入工況，針對輸入激勵的脈沖幅值、脈沖寬度的變化展開定量分析。沖擊試驗主要設備包括跌落式沖擊試驗機、待測試的隔振緩沖系統試驗裝置、加速度傳感器、數據采集儀及工控機等。沖擊試驗裝置所需的輸入沖擊激勵由跌落式沖擊試驗機產生，其間選用2個壓電式加速度傳感器測量沖擊臺面輸入激勵的加速度信號和試驗裝置加速度響應信號，使用數據采集儀采集加速度傳感器測量到的沖擊信號，并通過工控機進行試驗數據記錄，實時監控試驗過程。

2 系統隔振緩沖性能評價指標

系統的輸入沖擊激勵經過隔振緩沖部件傳遞后將發生沖擊能量的衰減，沖擊隔離率表征的就是系統衰減的加速度幅值占系統輸入激勵幅值的百分比，沖擊隔離率根據式（1）進行計算。沖擊隔離率越大，說明隔振緩沖性能越好[6]。

[η=1-AmaxAi×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Amax]為系統響應加速度幅值;[Ai]為沖擊激勵加速度幅值。

在一個給定的隔振緩沖系統中，阻尼大小未知，人們可以通過試驗測量相差一個周期的兩個相鄰加速度幅值[A1]和[A2]，如式（2）所示，對其比值取自然對數，得到其對數衰減系數[δ][6]。

[δ=1mln（A1Am+1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[A1]和[Am+1]分別為[t1]時刻和[tm+1]時刻的加速度幅值。

根據式（3），人們可以求出鋼絲繩隔振緩沖系統的阻尼比[ξ]。

[ξ=δ（4π2+δ2）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

3 沖擊試驗結果分析

3.1 不同輸入激勵幅值條件下的沖擊試驗

研究人員依據試驗方案調整工況，使得輸入激勵脈寬固定在10 ms，激勵峰值分別為20、30、40、50、60、70、80 g，1 g=9.8 m/s2，然后進行沖擊試驗。下面根據試驗數據繪制輸入與響應加速度曲線及沖擊隔離率曲線，如圖1、圖2所示。輸入激勵與系統加速度響應幅值均呈線性增大，沖擊隔離率隨著輸入激勵峰值的增大呈明顯的降低趨勢。在激勵幅值較小時，沖擊隔離率幾乎呈線性減小趨勢，而當激勵峰值較大時，沖擊隔離率變化趨勢平緩卻又有所提高，這反映出鋼絲繩隔振緩沖系統較為明顯的剛度軟化特性。

3.2 不同輸入激勵脈寬條件下的沖擊試驗

研究人員依據試驗方案調整工況，進行固定激勵峰值為30 g，激勵脈寬分別為8、10、12、14、18 ms的沖擊試驗。下面根據試驗數據繪制輸入與響應加速度曲線及沖擊隔離率曲線，如圖4和圖5所示。在不同沖擊激勵脈寬條件下，加速度響應結果較為相似。沖擊隔離率隨激勵脈寬增大而減小，沖擊激勵脈寬對沖擊隔離率的影響同樣不容忽略。

下面選取3組數據進行對比分析，如圖6所示。不同激勵脈寬條件下，系統響應趨勢具有較好的相似性，加速度響應幅值隨激勵脈寬的增大有所增大，經過5個周期的震蕩后，系統趨近穩定，沖擊激勵衰減為零，所需的時間未明顯增加。

研究人員結合試驗數據，根據式（2）和式（3），計算系統對數衰減系數及阻尼比，結果如表1所示。

計算結果表明，鋼絲繩隔振緩沖系統對數衰減系數較大且阻尼比適中，系統輸入激勵在振蕩周期中衰減明顯，系統可在較短時間內達到平穩狀態。

4 結論

在不同輸入激勵幅值的條件下，鋼絲繩隔振緩沖系統響應幅值隨激勵峰值的增大而逐漸增大，系統較大的工作壓縮行程有效地提高了沖擊激勵較大時的抗沖擊性能。在不同輸入激勵脈寬的條件下，其響應幅值隨激勵脈寬的增大而逐漸增大，沖擊隔離率與激勵脈寬呈負相關的關系。沖擊激勵峰值增大時，單個振蕩周期變長，每個周期內激勵衰減幅度變大，整個系統受激勵作用后，趨于平穩的總時間有所增加。沖擊試驗結果表明，大行程鋼絲繩隔振緩沖系統具有較好的抗沖擊特性，起到了必要的沖擊防護作用。

參考文獻：

[1]呂治軍.艦載光電跟蹤設備抗沖擊性能研究[D].成都：中國科學院研究生院（光電技術研究所），2016：20.

[2]劉盼盼.被動及半主動隔振系統的抗沖擊特性研究[D].南京：南京航空航天大學，2019：17-18.

[3]辛格雷蘇·拉奧.機械振動[M].李欣業，楊理誠，譯.北京：清華大學出版社，2016：60-61.

[4]王銳.橡膠隔振器動力學性能及設計方法研究[D].武漢：華中科技大學，2007：12.

[5]張春輝，盧凱田，張磊，等.鋼絲繩隔振器的力學性能研究綜述[J].兵器裝備工程學報，2020（3）：231-236.

[6]劉海超.艦用限位隔離系統隔振抗沖擊性能研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2019：8-9.