陳　輝，潘建強，劉建湖

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性檢測方法

陳輝，潘建強，劉建湖

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

水下非接觸爆炸攻擊作用下，隔振緩沖元件必然會產生劇烈的沖擊壓縮及拉伸響應，大量的實船及模型試驗表明軸向拉伸往往會造成比軸向壓縮更為嚴重的后果。但國內對于隔振緩沖元件拉伸條件下的沖擊特性研究較少，相關特性參數的缺失已嚴重影響設備抗沖擊能力的設計及計算，需要開展一些探索性的工作。為此，基于落錘沖擊法，提出一套有、無預壓條件下隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性參數的測試方法，并分別對兩種型號的橡膠型隔振器開展拉伸沖擊特性檢測。通過試驗結果與基礎沖擊法試驗結果比對，表明采用落錘沖擊法開展隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性的測試是可行的。同時，該文的試驗結果也可為選擇合適的隔振緩沖元件軸向拉伸和壓縮沖擊特性參數檢測方法提供依據。

隔振緩沖元件；軸向拉伸；落錘沖擊法；沖擊特性

0　引　言

為提高裝艦設備的抗沖擊能力，國內外海軍的通用做法是使用隔振緩沖元件對裝艦設備進行沖擊防護。因此，在裝艦設備沖擊防護設計階段就必須充分了解隔振緩沖元件的抗沖擊性能，這就要求開展必要的隔振緩沖元件沖擊特性檢測工作。國內經過多年的不斷改進，已經形成了比較完善的、能夠反映隔振緩沖元件工作狀況和載荷條件的沖擊特性檢測方法，方法不但得出了元件在沖擊條件下的等效線性特性，同時也給出了在不同沖擊能量下的非線性特性［1-2］。該方法已應用于大量艦船隔振緩沖元件沖擊特性的檢測，取得了很好的成果。

然而，上述方法主要針對隔振緩沖元器件的動態(tài)壓縮特性，目前國內對于隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性檢測開展的工作很少。實際上，艦艇尤其是水面艦艇受水下非接觸爆炸攻擊時，安裝在裝艦設備底部的隔振緩沖元件首先出現壓縮變形，然后回彈產生拉伸變形。在強沖擊條件下，隔振緩沖元件軸向壓縮出現限位而喪失緩沖效果，軸向拉伸則往往會使元件出現結構性損傷，甚至使設備脫位，后果更為嚴重［3-4］。因此，有必要對現有的隔振緩沖元件沖擊特性檢測方法進行完善和補充，一方面提出合適的測試方法，能夠對拉伸沖擊作用下的隔振緩沖元件沖擊特性參數進行準確測量和試驗數據處理；另一方面，分析拉伸沖擊作用下隔振緩沖元件動態(tài)位移和沖擊力之間的關系，為研究隔振緩沖元件軸向壓縮和拉伸沖擊特性的耦合效應提供試驗依據。

1　試驗方法

要獲取可信的隔振緩沖元件沖擊特性參數，僅僅運用仿真、計算的方法往往比較困難，通常的做法還是在實驗室條件下實施沖擊試驗來進行確定，試驗方法通常包括落錘沖擊法和基礎沖擊法［5］：

1）落錘沖擊法。采用負載（落錘）自由跌落錘擊隔振緩沖元件的方式或負載與隔振緩沖元件一道自由跌落碰撞基座的方式進行隔振緩沖元件沖擊特性檢測的方法。因試驗裝置結構簡單、操作方便以及較好的試驗重復性，并且具有成熟的理論基礎，成為國內外使用最廣泛的隔振緩沖元件沖擊特性檢測方法，類似的試驗方法包括輕氣炮、力錘沖擊法等，常用的試驗裝置為落錘沖擊機［2，6-7］。

2）基礎沖擊法。采用沖擊、爆炸等方式對安裝負載的隔振緩沖元件基座提供沖擊激勵來進行隔振緩沖元件沖擊特性檢測的方法。試驗條件比較接近實際情況，但試驗操作、實施往往比較復雜，常用的試驗裝置包括伺服式激振機，輕量級、中量級船舶設備沖擊機（輕型、中型沖擊機），浮動沖擊平臺等［8-9］。

本文主要使用落錘沖擊法分別對EA120和6JX200兩種型號的橡膠型隔振器開展拉伸沖擊特性檢測，并利用基礎沖擊法對試驗結果進行比對，從而為今后開展隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性檢測提供經驗。

2　落錘沖擊法隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性研究

2.1隔振緩沖元件無預壓條件下的軸向拉伸沖擊特性研究

2.1.1試驗裝置

無預壓條件是指隔振緩沖元件處于自由狀態(tài)，與實際使用狀態(tài)是存在差異的，是為研究隔振緩沖元件軸向壓縮和拉伸沖擊特性的耦合效應而開展的試驗，試驗裝置如圖1所示。隔振緩沖元件通過專門設計的安裝架連接到負載底部，負載提到適當高度后，快速釋放令其自由跌落。碰撞板與基座碰撞期間，安裝在負載上的加速度計測量得到因隔振緩沖元件沖擊拉伸產生的抗力使負載向上的加速度，隔振緩沖元件的拉伸抗力即為負載質量與該加速度的乘積，而隔振緩沖元件的拉伸變形也可以通過該加速度對時間積分得到。由抗力和變形參數，可以計算得到隔振緩沖元件的相關沖擊特性參數［2］。

圖1　隔振緩沖元件無預壓條件下的軸向拉伸試驗裝置示意圖

2.1.2試驗結果

以隔振器不出現拉伸破壞為限，負載跌落高度由低到高進行試驗。不同落高條件下，試驗結果對比見圖2、圖3，圖中環(huán)形曲線為隔振器的動態(tài)特性曲線，同時將試驗得到的動態(tài)特性曲線進行進一步處理，得出不含阻尼力的位移抗力曲線，該曲線的斜率表示隔振器在此變形位移范圍內對應的切線剛度［2，10］。從圖中可以看出：

1）低落高試驗得到的動態(tài)特性曲線完全包含在高落高試驗得到的動態(tài)特性曲線中；

2）低落高試驗與高落高試驗得到的不含阻尼力的位移抗力曲線變化趨勢非常接近。

圖2　EA120型隔振器拉伸試驗不同落高條件下試驗曲線比較

圖3　6JX200型隔振器拉伸試驗不同落高條件下試驗曲線比較

2.2隔振緩沖元件有預壓條件下的軸向拉伸沖擊特性研究

2.2.1試驗裝置

對于使用落錘沖擊機進行隔振緩沖元件有預壓條件下的軸向拉伸沖擊特性的檢測，整個試驗的難點在于如何實現隔振器壓縮狀態(tài)到拉伸狀態(tài)的順利轉換以及預壓載荷與隔振器抗力的解耦。試驗裝置如圖4所示，隔振器通過安裝架連接到負載底部，利用空氣彈簧對隔振器進行預壓。使用空氣彈簧作為預壓元件，主要是考慮到空氣彈簧存在如下特點：

圖4　隔振緩沖元件有預壓條件下的軸向拉伸試驗裝置示意圖

1）承載范圍寬、工作高度調節(jié)方便；

2）系統(tǒng)自振頻率很低而且基本不變，所以系統(tǒng)具有幾乎不變的性能；

3）可以通過連接附加氣室來改變空氣彈簧的剛度。

使用跌落法進行試驗，碰撞產生的沖擊力由碰撞板傳遞給隔振器，由安裝在負載上的加速度計測量得到隔振器拉伸及空氣彈簧壓縮產生的負載垂直向上的沖擊加速度，并積分得到隔振器的變形量。試驗得到的數據是隔振器與空氣彈簧共同作用的結果，因此還需要通過試驗檢測得到空氣彈簧的沖擊特性參數，然后再解析分離出隔振器的沖擊特性參數。

2.2.2隔振緩沖元件沖擊特性參數解析方法

帶附加氣室的空氣彈簧可以簡化為多個彈簧與阻尼器串聯、并聯的系統(tǒng)［11］，而試驗裝置中的隔振器可以認為是在此系統(tǒng)中再并聯一個彈簧阻尼系統(tǒng)。由于落錘與基礎剛性碰撞持續(xù)時間為1～2ms，遠遠小于隔振器或隔振器、空氣彈簧與負載組成系統(tǒng)的固有周期，根據相關文獻［11，12］的計算及試驗結果顯示，在沖擊作用下，帶附加氣室的空氣彈簧動剛度、阻尼特性等參數基本保持不變。因此，可以按如下方法進行有預壓條件下隔振器軸向拉伸沖擊特性參數的解析分離。

1）進行有預壓條件下隔振器軸向拉伸沖擊特性落錘試驗，得到不含阻尼力的位移抗力曲線F′和阻尼參數C′；

2）拆除隔振器，保持空氣彈簧內壓及高度不變，進行空氣彈簧沖擊特性落錘試驗，得到不含阻尼力的位移抗力曲線和阻尼參數

4）根據位移抗力曲線F和阻尼參數C得出隔振器有預壓條件下隔振器軸向拉伸沖擊特性參數。

隔振器不含阻尼力的位移抗力曲線可以按下式計算得到：

根據式（1）可以算出隔振器的沖擊剛度K以及參考剛度Kp：

式中：C——隔振器的等效粘滯阻尼系數，N·s/m；

M——負載質量，kg。

但是可以使用該參數分析得出隔振器的等效粘滯阻尼系數C：

式中：C′——空氣彈簧、隔振器共同作用的等效粘滯阻尼系數，N·s/m。

C1′——空氣彈簧的等效粘滯阻尼系數，N·s/m。

根據計算得到的沖擊剛度K（d）及等效粘滯阻尼系數C，帶入下面的公式計算隔振器單獨作用下，預壓的沖擊響應：

使用龍格庫塔法進行計算，初始條件為：初始變形d（0）=0及初速度。初速度）尚不能確定，需要根據計算結果進行迭代得出。

2.2.3試驗結果

同樣按照負載跌落高度由低到高的順序開展試驗，不同落高條件下，試驗結果見圖5。從圖中可以看到低落高試驗與高落高試驗相比：得到的動態(tài)特性曲線完全包含在后者的動態(tài)特性曲線中；兩者得到的不含阻尼力的位移抗力曲線變化趨勢非常接近。因此可以將各次試驗得到的不含阻尼力的位移抗力曲線上的數據點進行綜合處理，擬合出隔振器不含阻尼力的位移抗力關系曲線［10］。

圖5　EA120型隔振器拉伸試驗時空氣彈簧不同落高條件下試驗曲線比較

在此基礎上，按照上面給出的沖擊特性參數解析方法，得出有預壓條件下的隔振器拉伸動態(tài)特性曲線見圖6、圖7，沖擊力為負表明隔振器為壓縮抗力，沖擊力為正表明隔振器為拉伸抗力，6JX200型隔振器在沖擊變形9mm之后沖擊力迅速增加是隔振器結構限位造成的。根據圖6、圖7即可很容易計算出隔振器的沖擊特性參數［2］。

圖6　EA120型隔振器有預壓條件下的拉伸試驗曲線

圖7　6JX200型隔振器有預壓條件下的拉伸試驗曲線

3　基礎沖擊法隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性研究

3.1試驗裝置

試驗裝置如圖8所示，4只隔振器和負載組成的系統(tǒng)剛性固定在沖擊機支撐槽鋼上，將擺錘提升到一定高度后釋放，擺錘沖擊由砧臺、襯軌、支撐槽鋼、隔振器和負載組成的系統(tǒng)［8］，受沖擊的砧臺、襯軌、支撐槽鋼產生向上的速度壓縮隔振器，負載產生向上的加速度，然后隔振器回彈，并在平衡位置附近作多次振蕩。測量負載上的加速度和隔振器上下表面的位移量，在負載的固有頻率遠大于隔振器的條件下，可以認為負載施加的載荷為負載質量與負載的加速度乘積，根據載荷與隔振器變形的關系獲取隔振器的沖擊特性。

圖8　EA120型隔振器中型沖擊機試驗圖片

3.2試驗結果

按照擺錘跌落高度由低到高的順序開展試驗，盡量使隔振器的拉伸變形與圖6、圖7所示的最大變形相近，試驗結果見圖9、圖10。圖中變形零點位置為隔振器的初始靜平衡位置，圖中給出了隔振器首次壓縮、拉伸和二次壓縮階段隔振器的受力和變形情況以及每個階段不含阻尼力的位移抗力曲線。圖中沖擊位移為正時隔振器受壓，沖擊位移為負時隔振器受拉。實際上，考慮隔振器的靜壓縮變形，如圖10所示，-9～0 mm位移段為隔振器的靜壓縮變形恢復段，-9mm以下隔振器受拉，這里統(tǒng)一稱為拉伸段。此外，由于砧臺、支撐槽鋼、隔振器、負載構成的是一個多自由度系統(tǒng)，圖中給出的結果均進行了平滑處理。

圖9　EA120型隔振器中型沖擊機沖擊試驗曲線

圖10　6JX200型隔振器中型沖擊機沖擊試驗曲線

4　落錘沖擊法與基礎沖擊法試驗結果的對比

4.1有預壓條件下的軸向拉伸沖擊特性對比

對比中型沖擊機試驗隔振器首次拉伸階段與添加空氣彈簧的落錘沖擊試驗結果，兩者在隔振器的載荷條件以及試驗中隔振器的變形情況接近，試驗前隔振器受壓縮，試驗中隔振器由壓縮轉變?yōu)槔鞝顟B(tài)。對比結果見圖11、圖12，為方便比較，所有不含阻尼力的位移抗力曲線均去掉了截距。從圖11可以看到，沖擊位移5mm以下，兩種試驗方法得到的曲線基本一致：

圖11　EA120型隔振器中型沖擊機與落錘沖擊試驗對比

1）不含阻尼力的位移抗力曲線一致，表明沖擊剛度測量結果一致；

2）動態(tài)特性曲線一致，除表明沖擊剛度一致以外，同時表明獲取的阻尼參數一致。

沖擊位移5mm以上，中型沖擊機獲取的曲線呈現軟化特性（即隔振器隨變形的增加，剛度降低）。根據以往的經驗，EA系列的隔振器是硬化特性，產生該現象的主要原因是數據分析過程中載荷、位移信號分別進行處理造成的相位偏差，相對而言落錘獲取的數據更具有可信度。

圖12　6JX200型隔振器中型沖擊機與落錘沖擊試驗對比

圖12與圖11反映的規(guī)律略有差異，兩種試驗方法得到的不含阻尼力的位移抗力曲線基本一致，沖擊位移9mm以下，落錘試驗獲取的動態(tài)特性曲線包含了中型沖擊機試驗結果，而9mm以上，則相反。主要原因在于落錘試驗在數據解析過程中將阻尼作為等效線性參數，因此，將阻尼作用效果平均分攤到整個沖擊過程中去了，無法像中型沖擊機試驗一樣，體現隔振器承載結構變化而帶來的影響，但阻尼作用整體效果還是一致的。

4.2無預壓條件下的軸向拉伸沖擊特性對比

將無預壓條件下，落錘試驗獲取的結果與中型沖擊機試驗隔振器拉伸結果進行對比，見圖13、圖14。從圖13可以看到，兩種試驗方法得到的結果差異較為明顯，表明EA120型隔振器軸向壓縮和拉伸沖擊特性的耦合效應是不可忽視的。因此，使用落錘沖擊法無預壓條件開展EA120型隔振器軸向拉伸沖擊特性研究是不合適的。

圖13　EA120型隔振器中型沖擊機與落錘沖擊試驗對比

圖14　6JX200型隔振器中型沖擊機與落錘沖擊試驗對比

圖14與圖13反映的規(guī)律也不一致，兩種試驗方法得到的曲線差異主要是沖擊強度不一致造成的，不含阻尼力的位移抗力曲線和動態(tài)特性曲線變化規(guī)律基本保持一致。因此，使用落錘沖擊法無預壓條件開展6JX200型隔振器軸向拉伸沖擊特性研究是合適的。究其原因，主要與6JX200型隔振器結構形式有關系，見圖15，壓縮與拉伸時產生抗力的彈性體相互之間沒有關聯，因此，不會有耦合效應的影響。

圖15　6JX200型隔振器結構圖

4.3小結

1）有預壓條件下的落錘沖擊法與基礎沖擊法獲取的試驗結果基本一致，表明采用落錘沖擊法開展隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性的測試是可行的。

2）對于EA120型隔振器，應采用有預壓條件下的落錘沖擊法開展軸向拉伸沖擊特性試驗。

3）對于6JX200型隔振器，采用有預壓條件下的落錘沖擊法開展軸向拉伸沖擊特性試驗能夠滿足獲取沖擊參數的需求，也可采用無預壓條件下的落錘沖擊法開展軸向拉伸沖擊特性試驗。

4）隔振緩沖元件的沖擊特性參數與其彈性元件的約束形式、面積等有很大關系，開展隔振緩沖元件沖擊特性檢測之前，應充分了解隔振緩沖元件的結構形式，選擇合適的沖擊特性檢測方法。

5　結束語

本文基于落錘沖擊法，提出了有、無預壓條件下的隔振緩沖元件軸向拉伸沖擊特性參數的測試方法，并與基礎沖擊法試驗結果進行了比對，得出了有意義的結論。但是，目前開展的試驗樣本數還太少，試驗結論并不能代表所有類型隔振緩沖元件的特性。同時，鑒于目前的工作屬于探索性質，相關工作還有繼續(xù)深入的必要。

［1］何斌，劉建湖，潘建強，等.隔沖元器件非線性沖擊特性測量方法精度分析［C］∥艦艇水下爆炸試驗及沖擊分析技術，北京：國防工業(yè)出版社，2007：196-204.

［2］李國華，周康，馮子鈞.緩沖元件的幾個重要參數及其測量方法［J］.船舶力學，1996（1）：61-69.

［3］溫肇東，汪玉，張磊，等.隔離器實船水下爆炸沖擊試驗技術研究及應用 ［C］∥實船水下爆炸沖擊試驗及防護技術，北京：國防工業(yè)出版社，2010：123-126.

［4］陳輝，潘建強，何斌.橡膠隔振器沖擊強度試驗研究［C］∥現代振動與噪聲技術（第9卷），北京：航空工業(yè)出版社，2011：160-165.

［5］振動與沖擊隔離器靜、動態(tài)性能測試方法：GB/T 15168—2013［S］.北京：中國質檢出版社，2013.

［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.

［7］O'NEAL K S.Method for low cost，single axis shock mount characterization［C］∥68th Shock and Vibration Syposium Hunt Valley，1997（11）.

［8］試驗十 艦船設備的沖擊試驗：GJB 150.18—1986［S］.北京：國防科工委軍標出版發(fā)行部，1986.

［9］LEKUCH H，KAYAYAN K.Development of the Shock Tech Tall Arch Mount for Severe Shock Applications［C］∥83rd Shock and Vibration Syposium New ORLEANS，2012（11）.

［10］陳輝，王韶楓，何斌，等.多方向沖擊條件下隔振器沖擊特性試驗研究［J］.振動與沖擊，2014，33（8）：209-214.

［11］王家勝，朱思洪.帶附加氣室空氣彈簧動剛度的線性化模型研究［J］.振動與沖擊，2009，28（2）：72-76.

［12］周永清，朱思洪.帶附加空氣室空氣彈簧動剛度實驗研究［J］.機械強度，2006，28（1）：13-15.

（編輯：劉楊）

The detection method for axial tensile shock characteristics of isolators

CHEN Hui，PAN Jianqiang，LIU Jianhu
（China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China）

Non-contact underwater explosion will produce severe shock compress and tensile response of the isolators.Many real ship and model tests show that axial tensile will cause a more serious consequence than axial compress generally.However，there is very limited research on the shock characteristics of isolators under tensile conditions in domestic，and the lack of the relevant characteristic parameters has severely influenced the design and calculation of impact resistance of equipment.Thus exploratory works should be carried out.Therefore，the detection method of the axial tensile shock characteristics of isolators with and without preload is proposed based on the drop-hammer impact tests and tensile impact characteristics test is also respectively carried out for the two types of rubber isolator.Based on the comparison of test results and foundation impact test results，it shows that detection method of the axial tensile impact characteristics of the isolator based on the drop-hammer impact test is feasible and the test results can also provide basis for choosing an appropriate detection method for axial tensile and compression impact characteristic parameters of isolators.

isolator；axial tensile；drop impact test；shock characteristic

A

1674-5124（2016）10-0056-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.011

2016-04-10；

2016-05-25

陳輝（1980-），男，江蘇泰州市人，高級工程師，碩士，主要從事艦船抗爆抗沖擊研究。