曹露 王鵬輝 李昊宇 劉凱旋 張建文

金屬減振器過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)研究

曹露 王鵬輝 李昊宇 劉凱旋 張建文

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

導(dǎo)彈和火箭設(shè)備在任務(wù)剖面內(nèi)會(huì)經(jīng)歷過載、振動(dòng)復(fù)合環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到關(guān)鍵設(shè)備正常工作。目前，越來越多的重要設(shè)備采用金屬減振器進(jìn)行振動(dòng)控制，但金屬減振器具有剛度非線性特征，過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境會(huì)影響其自身性能。本文研究了金屬減振器力學(xué)性能表征方法，通過非線性剛度阻尼系統(tǒng)，研究了過載環(huán)境對(duì)減振性能的影響。同時(shí)，針對(duì)某型號(hào)彈上設(shè)備減振開展了過載振動(dòng)試驗(yàn)研究，通過施加力載荷來模擬過載環(huán)境下設(shè)備慣性力對(duì)減振器的影響，試驗(yàn)表明不同量級(jí)的過載環(huán)境下，減振系統(tǒng)三方向的諧振頻率升高、減振效果下降。因此，金屬減振器應(yīng)用在復(fù)雜力學(xué)環(huán)境設(shè)備減振時(shí)，應(yīng)充分考慮過載環(huán)境的影響，以保障關(guān)鍵設(shè)備在飛行器發(fā)射、再入階段能夠正常工作。

過載振動(dòng)；振動(dòng)控制；振動(dòng)試驗(yàn)

0 引言

航空、航天設(shè)備普遍工作于過載和振動(dòng)同時(shí)作用的復(fù)合動(dòng)態(tài)環(huán)境中，其內(nèi)部設(shè)備和裝置會(huì)受到大過載和高量級(jí)振動(dòng)的復(fù)合作用，過載線加速度值可達(dá)到6g～30g[1-2]。過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響關(guān)鍵設(shè)備正常工作，工程上通常采取安裝減振器的方式來進(jìn)行設(shè)備減振。金屬減振器以金屬橡膠材料為彈性元件，具備在極端的工作環(huán)境下性能穩(wěn)定、抗高低溫、抗腐蝕等優(yōu)良特性，在航空航天等領(lǐng)域設(shè)備減振緩沖防護(hù)方面被廣泛應(yīng)用[3]。國(guó)內(nèi)科研工作者目前在研究金屬減振器在不同簡(jiǎn)諧載荷、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊及復(fù)雜動(dòng)力學(xué)載荷的作用下的減振及抗沖擊效果方面也取得了顯著成果[4-6]。大量研究表明金屬減振器具有明顯的非線性特性[7-8]。因而在過載振動(dòng)復(fù)合的環(huán)境下，過載會(huì)對(duì)金屬減振器性能產(chǎn)生一定影響，這種影響無法在單一振動(dòng)環(huán)境下表現(xiàn)出來。因此，有必要開展金屬減振器過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)，研究過載振動(dòng)對(duì)金屬減振器減振性能的影響。本文通過理論分析和過載振動(dòng)試驗(yàn)，研究了不同過載量級(jí)下，設(shè)備與金屬減振器構(gòu)成的減振系統(tǒng)的性能變化，為協(xié)調(diào)彈上惡劣的振動(dòng)力學(xué)環(huán)境與設(shè)備實(shí)際能承受的工作環(huán)境奠定了基礎(chǔ)。

1 理論研究

1.1 金屬減振器性能表征參數(shù)

金屬減振器的力學(xué)性能主要表征參數(shù)有

圖1 金屬減振器振動(dòng)傳遞率曲線

1.2 金屬減振器非線性剛度阻尼系統(tǒng)

設(shè)備與金屬減振器組成的系統(tǒng)，系統(tǒng)的剛度受振動(dòng)幅值的影響，為非線性剛度系統(tǒng)，金屬減振器數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖2 金屬減振器數(shù)學(xué)模型

金屬減振器剛度可表達(dá)為

設(shè)備結(jié)構(gòu)一般為多自由度系統(tǒng)，但按照模態(tài)理論解耦后仍可將其變成若干單自由度系統(tǒng)。對(duì)于單自由度且具有剛度非線性的減振系統(tǒng)，其運(yùn)動(dòng)方程可表示為[12]

與非線性系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為

線性系統(tǒng)的響應(yīng)幅值可表示為

參照線性系統(tǒng)，該非線性系統(tǒng)的響應(yīng)幅值可表示為[13]

1.3 過載環(huán)境對(duì)金屬減振器的影響分析

過載振動(dòng)環(huán)境下，減振器會(huì)受到慣性力作用，慣性力的大小跟過載環(huán)境的量級(jí)和設(shè)備質(zhì)量有關(guān)。如圖3所示，設(shè)備通過金屬減振器安裝在基座上，減振器為套筒型減振器，雙側(cè)安裝，軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)。圖中X方向?qū)?yīng)減振器軸向、Y方向?qū)?yīng)減振器徑向。正常狀態(tài)下，減振器軸向承載設(shè)備的重力mg，減振器徑向不受力。而在過載情況下，減振器受到過載引起的慣性力ma。過載量級(jí)越大，金屬減振器受力越大，減振器的變形位移越大。

圖3 設(shè)備安裝減振器示意圖

對(duì)金屬減振器產(chǎn)品開展靜剛度測(cè)試，如圖4所示。

圖4 金屬減振器靜態(tài)剛度試驗(yàn)結(jié)果

從靜剛度測(cè)試曲線可以看出，4只減振器的靜剛度一致性較好。從走勢(shì)看減振器的力—位移曲線并非為單一斜率的直線，而是有明顯的彎曲。在初始受力變形，呈現(xiàn)曲線的斜率（減振器的剛度）隨著變形量的增大逐漸減小，呈現(xiàn)出漸軟特性；在變形量較大時(shí)，斜率隨著變形的增大而逐漸增大，呈現(xiàn)出漸硬特性，這說明金屬減振器在工作時(shí)具有硬剛度特性。在不同量級(jí)的過載環(huán)境下，金屬減振器受到不同大小的慣性力，減振器的動(dòng)剛度特性也會(huì)隨之受到影響。由前一節(jié)可知，過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下，減振器的位移隨著慣性力的增大而增大，導(dǎo)致減振器的剛度（1+2）變大，系統(tǒng)的諧振頻率w相對(duì)于w0向右偏移，減振器的工作頻率范圍(f, +￥)縮小，從而導(dǎo)致減振系統(tǒng)的減振效率下降。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同量級(jí)過載狀態(tài)下，同一隨機(jī)振動(dòng)條件下金屬減振器的動(dòng)態(tài)性能，開展過載振動(dòng)試驗(yàn)。首先需要明確過載環(huán)境下設(shè)備對(duì)金屬減振器的影響。在導(dǎo)彈飛行過程中，金屬減振器會(huì)受到設(shè)備過載情況下的慣性力ma的作用，在不同量級(jí)的加速度環(huán)境下，金屬減振器的剛度表現(xiàn)也不同。由于金屬減振器通常為雙側(cè)安裝且軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，慣性力對(duì)減振器同一方向的正負(fù)兩個(gè)方向影響是一致的。本文開展三個(gè)正方向的過載振動(dòng)試驗(yàn)。本文通過對(duì)設(shè)備施加過載環(huán)境引起的同等大小的慣性力，來模擬過載環(huán)境。設(shè)備隨機(jī)振動(dòng)條件見表1。

試驗(yàn)過程中，通過彈性繩、測(cè)力計(jì)外部施加不同大小的拉力來模擬不同過載量級(jí)對(duì)減振器的影響[14]。設(shè)計(jì)工裝和與設(shè)備同質(zhì)量、同質(zhì)心位置且有相同接口的配重來開展試驗(yàn)。為模擬金屬減振器的真實(shí)受力情況，在施加外力時(shí)，力的方向穿過設(shè)備質(zhì)心并實(shí)際過載的方向平行，振動(dòng)臺(tái)上模擬過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)示意圖如圖5所示。

圖5 過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表1 隨機(jī)振動(dòng)條件

圖6 三方向過載振動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

Fig.6 Three-direction overload vibration test photo

將配重通過金屬減振器與工裝進(jìn)行裝配，再將工裝緊固在振動(dòng)臺(tái)上。試驗(yàn)時(shí)控制點(diǎn)在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面和工裝上，測(cè)量點(diǎn)在配重質(zhì)心附近。通過彈性繩、測(cè)力計(jì)穿過質(zhì)心，在振動(dòng)方向上施加等效于不同過載量級(jí)的力。如圖6所示，開展過載振動(dòng)試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)見表2，從表中數(shù)據(jù)可看到，在3種不同量級(jí)的過載情況下，隨著過載量級(jí)增大，減振器三方向的諧振頻率增大，減振效率變小；X向諧振頻率由62.5Hz增大到122.5Hz、Y向諧振頻率由97.5Hz增大到122.5Hz、Z向諧振頻率由100Hz增大到131.2Hz；金屬減振器X方向的減振效率由72.04%降至55.47%、Y方向的減振效率由56.04%降至45.14%；Z方向的減振效率由55.40%降至50.27%。相比無過載環(huán)境下的隨機(jī)振動(dòng)，三方向諧振頻率升高、減振效率下降，但減振效率仍在45%以上。其中Y方向沿著重力方向，不施加過載環(huán)境時(shí)，減振器會(huì)受到設(shè)備重力的影響，因此在Y方向的正方向施加1g的過載與不施加過載兩種情況，減振器的受力狀態(tài)是一致的，這點(diǎn)從二者的諧振頻率和減振效率可以看出。其中X方向在無過載和1g過載環(huán)境下，諧振頻率、減振效率比較接近，變化趨勢(shì)不明顯；這是由于1g的過載量級(jí)對(duì)減振器性能的影響較小，且兩次試驗(yàn)不是同期開展的，試驗(yàn)結(jié)果可能存在一定誤差。

表2 過載振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

圖7～圖9給出了減振后三方向的振動(dòng)響應(yīng)曲線，從圖中可以看出，不同過載量級(jí)下，減振系統(tǒng)的響應(yīng)峰值對(duì)應(yīng)的頻率越來越大，但峰值的大小、響應(yīng)曲線整體的走向大體上是一致的。

從試驗(yàn)曲線可以看出，隨著過載量級(jí)的增大，減振系統(tǒng)的諧振頻率增大，減振效率下降。這是因?yàn)檫^載環(huán)境改變了金屬減振器工作時(shí)的受力情況，由于金屬減振器硬剛度特性，導(dǎo)致減振器的動(dòng)剛度隨著過載量級(jí)增大而增大。這說明金屬減振器在過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下減振時(shí)應(yīng)充分考慮到由于過載引起的減振系統(tǒng)頻率特性和減振效率變化。

圖7 X方向過載振動(dòng)響應(yīng)曲線

圖8 Y方向過載振動(dòng)響應(yīng)曲線

圖9 Z方向過載振動(dòng)響應(yīng)曲線

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，可以總結(jié)出金屬減振器應(yīng)用在設(shè)備過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下減振時(shí)應(yīng)該遵循以下原則

1）在滿足設(shè)備頻率管理要求的前提下，減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)的諧振頻率盡可能低，減振效率盡可能高，與減振指標(biāo)之間充分保留一定余量；

2）選用金屬減振器時(shí)，在承載能力滿足要求的前提下，選擇剛度更小的型號(hào)。

4 結(jié)論

本文通過剛度非線性阻尼系統(tǒng)研究了金屬減振器非線性剛度、阻尼對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。以金屬減振器在某型號(hào)彈上設(shè)備在過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下的振動(dòng)控制為對(duì)象，采用施加等效過載力的方式模擬過載環(huán)境，設(shè)計(jì)了與設(shè)備同質(zhì)量同質(zhì)心的配重，開展了過載振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了：在相同振動(dòng)環(huán)境下，過載量級(jí)越大，金屬減振器的剛度越大，減振系統(tǒng)的諧振頻率越大，減振效率越低。本文開展的過載振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)施方法和試驗(yàn)結(jié)果可作為后續(xù)過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下設(shè)備的減振設(shè)計(jì)參考，使金屬減振器在設(shè)備過載振動(dòng)復(fù)合環(huán)境下發(fā)揮更好的減振作用，實(shí)現(xiàn)更高的減振效率。

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Research on Overload Vibration Compound Environment Test of Metal Shock Absorber

CAO Lu WANG Peng-hui LI Hao-yu LIU Kai-xuan ZHANG Jian-wen

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076）

Missiles and rocket equipment always face a complex environment of overload and vibration in the mission profile. It may affect the normal operation of key equipment in severe cases. At present, more and more important equipment uses metal rubber absorbers for vibration control, but metal rubber absorbers have nonlinear characteristics of stiffness, and the compound environment of overload vibration will affect their own performance. This paper studies the mechanical performance characterization method of metal rubber absorbers. Through the nonlinear stiffness damping system, the influence of overload environment on the vibration reduction performance is studied. At the same time, overload vibration test was carried out for a certain type of missile equipment vibration reduction, and the test method was designed to simulate the effect of inertia force on the shock absorber under overload environment by applying force load. The test showed that under different levels of overload environment, the three-direction resonance frequency of the damping system increased and the effect of vibration reduction was reduced. Therefore, when metal shock absorbers are used to reduce vibration of equipment in complex mechanical environment, the influence of overload environment should be fully considered to ensure the normal operation of key equipment in launch and reentry stage of aircraft.

Overload and vibration; Vibration control; Vibration damping

V416.5

A

1006-3919(2022)02-0042-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2022.02.006

2022-01-08；

2022-02-23

曹露（1994—），女，碩士，工程師，研究方向：減振設(shè)計(jì)/結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)；(100076)北京 9200信箱72分箱.