李海濤，李 佳，賀 華，丁 煒

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

橡膠隔振器沖擊特性的試驗研究

李海濤，李 佳，賀 華，丁 煒

(上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031)

應(yīng)用落錘沖擊機的試驗方法，研究KBX-2000型橡膠隔振器在不同落錘高度下的沖擊力隨位移變化曲線，并且結(jié)合隔振器的靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)，探尋隔振器沖擊力隨位移變化曲線與靜態(tài)力隨位移變化曲線之間的關(guān)系。通過對比分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，KBX-2000型隔振器在小變形情況下表現(xiàn)出等剛度特性，而在大變形情況下則呈現(xiàn)出漸硬的非線性。隨著沖擊輸入的增加，大沖擊載荷下的沖擊力隨位移變化曲線能較好地包絡(luò)小沖擊載荷下的沖擊力隨位移變化曲線。隔振器的沖擊力隨位移變化特性與靜態(tài)力隨位移變化特性可模擬為分段的多元函數(shù)，這對于抗沖擊的設(shè)計項目中具有一定的參考意義。

振動與波；橡膠隔振器；沖擊特性；落錘

為了隔離船用機電設(shè)備的振動，橡膠隔振器已被廣泛的應(yīng)用，然而在許多情況下，既需要消除船用機電設(shè)備的振動影響，還需要隔離船體對機電設(shè)備的沖擊影響。因此，研究隔振器在沖擊條件下的隔沖特性對船用機電設(shè)備的抗沖擊就顯得很有必要。

與振動環(huán)境不同，隔振器在沖擊載荷下的變形情況非常復(fù)雜。實驗表明，橡膠隔振器的沖擊特性表現(xiàn)出非常強的非線性，不同的橡膠隔振器在較大沖擊變形下，會出現(xiàn)剛度漸軟或漸硬的現(xiàn)象[1]。對于隔振器的沖擊剛度的試驗研究方法目前主要是采用輕氣炮技術(shù)、落錘沖擊機與力錘敲擊法，其中前兩種試驗方法主要是針對大載荷隔振器的沖擊剛度試驗，而力錘敲擊法則主要應(yīng)用于小載荷隔振器的沖擊剛度試驗[2-4]。由于沖擊作用時間短暫，沖擊輸入往往在系統(tǒng)響應(yīng)還未達到最大值就結(jié)束了，之后則是系統(tǒng)的自由衰減過程。所以，目前對于隔振器在沖擊環(huán)境下的非線性響應(yīng)特性仍然沒有一個合理的描述。有些學(xué)者結(jié)合橡膠隔振器沖擊試驗數(shù)據(jù)，在考慮了非線性阻尼影響下，建立了多參數(shù)非線性響應(yīng)力參數(shù)模型，來描述沖擊響應(yīng)力與位移的關(guān)系[5]。

本文應(yīng)用落錘沖擊機的試驗方法，研究了KBX-2000型橡膠隔振器在不同落錘高度下的沖擊力隨位移變化曲線，并且結(jié)合隔振器的靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)，探尋隔振器沖擊力隨位移變化曲線與靜態(tài)力隨位移變化曲線之間的關(guān)系，并且提出了一種采用線性函數(shù)分段擬合同等位移條件下的沖擊力與靜態(tài)力關(guān)系的新思路。

圖1 KBX-2000型橡膠隔振器

1 隔振器的靜態(tài)性能試驗及分析

對于橡膠隔振器，橡膠件的本構(gòu)關(guān)系十分復(fù)雜，橡膠是一種各向同性、幾乎不可壓縮材料，其在大變形下的非線性特性可以用超彈性本構(gòu)模型描述，特點是在小變形過程中，橡膠材料的彈性模量E近似為常數(shù)。然而，隨著應(yīng)力不斷增加，橡膠的彈性模量E會顯現(xiàn)出很強的非線性特性。

KBX-2000型橡膠隔振器的額定載荷為20 kN，工程上通常用15倍額定載荷做等效靜載來考核隔振器的沖擊剛度。在壓縮試驗中將隔振器勻速加載壓縮至15倍額定載荷，加載速度≤5 mm/min，如圖1。得到其大變形過程中的靜態(tài)力—變形曲線，如圖2所示。

KBX-2000型隔振器的靜剛度特性可由靜態(tài)力隨位移的變化曲線（圖2）來描述。隔振器在2倍額定載荷內(nèi)，靜剛度呈現(xiàn)線性，主要是因為在小變形情況下KBX-2000型隔振器內(nèi)橡膠件主要發(fā)生剪切變形，而在兩倍載荷以上的大變形情況下，隔振器內(nèi)橡膠件的變形主要以壓縮變形為主，靜剛度呈現(xiàn)漸硬的非線性。所以KBX-2000型隔振器在額定載荷的情況下，會呈現(xiàn)出等剛度的特性，而在超過2倍額定載荷的情況下會呈現(xiàn)出漸硬的靜剛度特性。

圖2 KBX-2000型橡膠隔振器的靜剛度曲線

2 隔振器的沖擊性能試驗及分析

2.1 隔振器沖擊試驗

對于小載荷隔振器的沖擊試驗可以采用錘擊法測量其沖擊剛度[3]；對于大載荷隔振器的沖擊剛度試驗可以采用落錘沖擊法。設(shè)備采用落錘式?jīng)_擊試驗機，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。落錘沖擊試驗因裝置結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,現(xiàn)已成為在隔振器沖擊性能研究領(lǐng)域中重要的手段。盡管沖擊過程中存在著“回彈”，波形成為斷續(xù)的脈沖,但質(zhì)量塊在空中運動中能量損失很小，可以用適當(dāng)?shù)姆椒ò阉鼈兘M合成連續(xù)波形，以致能以成熟的振動分析技術(shù)進行數(shù)據(jù)處理[6]。

圖3 落錘式?jīng)_擊試驗機結(jié)構(gòu)簡圖

試驗時，隔振器通過工裝件安裝板固定在落錘下，通過電磁作用將落錘與電磁釋放閥固定，利用電機將整個落錘提升到試驗預(yù)定高度，然后斷電釋放落錘使其自由下落，隔振器和落錘一起自由下落到基礎(chǔ)上。在落錘上方安裝四個沖擊型電荷加速度傳感器，可以測量整個沖擊過程的加速度變化情況，如圖4所示。由測得的加速度積分得到落錘沖擊速度和沖擊位移，并推算得到隔振器受到的沖擊力F(t)，此外，在遠處布置高速攝影機用作為輔助測量。測量系統(tǒng)包括電荷型加速度傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集儀與電腦，如圖5所示。其中加速度傳感器選用ENDEVCO 2225型傳感器，電荷放大器采用B&K 3050-A-6/0型放大器，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用LMS SCM 05數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

圖4 沖擊試驗安裝圖

圖5 試驗儀器圖

試驗時，首先以最低落錘落高進行試驗，檢測隔振器的變形情況，然后逐步增加落錘高度至最高落差，可獲得不同落高下的沖擊輸入加速度值與沖擊速度。參考隔振器靜態(tài)性能曲線（圖2），承載15倍額定載荷時，隔振器的變形約為18 mm，而45 cm落錘高度的沖擊工況中隔振器最大壓縮變形已達到18.5 mm，為避免隔振器發(fā)生沖擊損傷而影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，故不再進行落錘高度超過45 cm的試驗。

表1 隔振器垂向壓縮沖擊試驗工況表

2.2 隔振器沖擊特性

由于隔振器沖擊作用的短暫性，所以重點研究隔振器在沖擊載荷作用下由初始碰撞位置達到最大位移，再次回到初始碰撞位置這半個周期階段，在該時段內(nèi)由于沖擊作用的高加載速率，隔振器特性表現(xiàn)為沖擊特性。

在隔振器與基礎(chǔ)面碰撞的半個周期內(nèi)，落錘受到自身的重力mg以及隔振器對落錘的沖擊反力F(t)，規(guī)定垂直向下為正向，得到式（1）

其中m為落錘質(zhì)量，g為重力加速度，a為測得的落錘沖擊加速度，H為落錘高度。此處沖擊反力F(t)即為隔振器在沖擊過程中受到的沖擊力。

在隔振器沖擊初始，隔振器的底板與試驗機基礎(chǔ)接觸時產(chǎn)生了大量的高頻分量，對加速度數(shù)據(jù)進行低通濾波，截止頻率選為300 Hz，圖6為不同落錘高度下，隔振器沖擊加速度的典型動態(tài)特性曲線。根據(jù)式（2）可以計算不同落高下接觸時隔振器的初始速度，從而對加速度進行積分求得整個碰撞過程的速度變化曲線，如圖7。對速度曲線進行積分可以得到整個碰撞過程的位移變化曲線，如圖8。根據(jù)加速度曲線與位移曲線與式（1）可以得到整個碰撞過程的沖擊力隨位移關(guān)系曲線，如圖9。

圖6 首次碰撞的加速度時程曲線

圖7 積分得到的速度時程曲線

從圖9可以看出，隨著落錘高度增加、沖擊輸入逐漸增大，大沖擊載荷下的沖擊力隨位移的變化曲線能較好地包絡(luò)小沖擊載荷下的沖擊力隨位移的變化曲線。考慮到提供的隔振器沖擊力隨位移變化特性應(yīng)能適應(yīng)實船沖擊環(huán)境條件，并滿足非線性沖擊響應(yīng)計算的需要，應(yīng)盡量提高沖擊輸入載荷。因此，用大沖擊輸入載荷獲得的力隨變形曲線來描述隔振器的沖擊特性。

圖8 積分得到的位移時程曲線

圖9 沖擊力隨位移的變化曲線

KBX-2000型隔振器的沖擊特性曲線可由大沖擊輸入試驗（45 cm落錘高度）獲得的沖擊力隨位移的變化曲線來描述，并且結(jié)合靜態(tài)力隨位移的變化曲線，經(jīng)對比分析發(fā)現(xiàn)，KBX-2000型隔振器的沖擊剛度特性與其大變形下的靜剛度特性相同，均呈現(xiàn)非線性漸硬趨勢。

3 沖擊特性與靜態(tài)特性的關(guān)系

根據(jù)圖10，KBX-2000型隔振器的靜態(tài)力與沖擊力隨位移變化的趨勢是一致的，并且在大變形的情況下均是表現(xiàn)出漸硬的非線性，在小變形的情況下表現(xiàn)出等剛度的線性性?？紤]到KBX-2000型隔振器的靜態(tài)特性與沖擊特性有諸多相似性，所以研究靜態(tài)特性與沖擊特性有很大的工程意義。

圖10 沖擊力、靜態(tài)力隨位移的變化曲線

在隔振器的整個壓縮變形過程中靜態(tài)特性與沖擊特性呈現(xiàn)明顯分段特性，故可以采用分段函數(shù)描述其之間的關(guān)系?？紤]到一次多項式的系數(shù)可以直接反應(yīng)處隔振器的沖擊剛度與靜剛度之間的比例關(guān)系，因此，盡量采用一次多項式擬合沖擊力與靜態(tài)力的關(guān)系，在多項式擬合時采用最小二乘法。

式中的x為靜態(tài)力(N)，y為沖擊力（N）

KBX-2000型隔振器的沖擊剛度與靜剛度之間的關(guān)系可以用式（3）表示，將根據(jù)式（3）擬合的沖擊力曲線與試驗獲得的靜態(tài)力、沖擊力曲線表達在同一圖內(nèi)（圖11）。根據(jù)圖11，可以得知，在18 mm變形范圍內(nèi)吻合較好（靜態(tài)試驗的變形極值為18 mm）擬合的沖擊力曲線與試驗獲得的沖擊力曲線的吻合度非常高，所以利用式（3）依據(jù)靜剛度擬合的沖擊力隨位移的變化曲線可以準(zhǔn)確的反映隔振器的沖擊特性。并且對于KBX-2000型橡膠隔振器的沖擊力隨位移變形曲線與靜態(tài)力隨位移變形曲線之間存在分段近似線性關(guān)系。

圖11 沖擊特性與靜態(tài)特性對比曲線

4 結(jié)語

本文應(yīng)用落錘沖擊機的試驗方法，研究了KBX-2000型橡膠隔振器在不同落錘高度下的沖擊力隨位移變化曲線，并且結(jié)合隔振器的靜態(tài)試驗數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論：該隔振器的靜剛度與沖擊剛度在大載荷的情況下，均呈現(xiàn)漸硬的非線性特性；在大沖擊載荷下獲得的沖擊力隨位移變化的曲線能較好地包絡(luò)小沖擊載荷下的力隨位移變化曲線；KBX-2000型橡膠隔振器沖擊力隨位移變化曲線與靜態(tài)力隨位移變化曲線存在分段近似線性函數(shù)關(guān)系。這些變化規(guī)律為今后研究橡膠隔振器的沖擊剛度提供了新的思路,在現(xiàn)實工程中具有一定的實用價值。

[1]吳善躍.基于沖擊模擬臺的減振器沖擊特性測試[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），207，31(1)：53-56.

[2]趙兵，朱石堅，翁雪濤，等.橡膠隔振器沖擊剛度的試驗研究[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報，2015，17(3)：82-85.

[3]譚波，黃映云.錘擊法測量減振器沖擊剛度[J].噪聲與振動控制，2003，8(4)：43-45.

[4]周文亮，王強，石理碧.隔振器沖擊剛度的試驗研究[J].噪聲與振動控制，2003，23(6)：15-17，34.

[5]曾誠，華宏星.非線性橡膠隔振器的沖擊響應(yīng)特性研究[J].噪聲與振動控制，2012，8(4)：20-24.

[6]束立紅，呂志強，黃映云，等.用落錘沖擊試驗機確定隔振器沖擊剛度的新方法[J].振動與沖擊，2005，24(4)：111-114.

Experimental Study on Impact Performance of a Rubber Vibration Isolator

LI Hai-tao,LIJia,HE Hua,DING Wei
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

By using the dropping-hammer test machine,the impact performance of KBX-2000 vibration isolator was studied.The curves of the impact force against the displacement of the isolator for different drop-distances were obtained and compared with the curves of the static force against the displacement.Their relationship was analyzed.It was found that the KBX-2000 vibration isolator can display a uniform stiffness performance in the condition of small deformation,while it shows non-linear hardening in the condition of finite deformation.The curves of the impact force against the displacement for heavy shock loading can enclose the curves for small shock loading.All the curves can be expressed by linear functions initially and by polynomial functions with the displacement increasing.

vibration and wave;rubber vibration isolator;impact performance;drop hammer

TB53

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.006

1006-1355(2015)01-0029-04+77

2014－11－10

李海濤(1989－)，男，遼寧朝陽人，碩士研究生，研究方向為設(shè)備振動噪聲控制。E-mail:leewaver@163.com