橡膠雙層減振與隔振系統沖擊響應研究

張 志，張兆會，董 森，王澤鋒，武 力，張凱勝，曹劍中

隨著航天技術的不斷發展，對航天產品的可靠性要求越來越高，而抗沖擊性能是其中一項重要的指標。目前，適用此環境的減振系統大多采用橡膠減振系統，橡膠減振系統可以滿足航空航天及國防等領域的高溫、高壓、高真空、超低溫、腐蝕性介質等惡劣的工作環境［1－3］。橡膠減振器是目前國內外使用較多的減振形式，已有的文獻中［10－11］對不同特性及結構形式的橡膠減振器的動態特性進行了分析與計算。金屬橡膠減振器抗沖擊是通過減振器的變形，把急劇輸入的能量存儲起來，沖擊過后系統自由振動把能量釋放出來［4］。

在航天領域，要求設備在三維方向都須具備較好的抗沖擊能力，而目前采用的雙層減振與隔振結構大多只在一個方向具有抗沖擊的能力［5－7］。此外，在已有的研究中，加速度沖擊量級都很小，基本都在1 000 g以下［7－9］，這遠遠不能滿足航天產品的要求。

本文研究了一種用橡膠減震器組成的雙層減震系統，并通過沖擊實驗證明此系統在8 000 g的加速度沖擊下可以可靠的工作，同時，也為以后航天設備的可靠性設計提供了經驗。

1 雙層減振與隔振結構

1.1 雙層減振與隔振系統模型［6，9］

本文中設計的雙層減振與隔振系統為非線性力學模型，其力學模型如圖1所示。

圖1 雙層減振系統模型Fig.1 The model of double-deck isolation system

圖中，m和m2是上層質量和下層質量，x1、x2和 x3分別為基礎、上層質量和下層質量的位移，在t=0時其初始條件為x1=x2=x3=0。由圖1可建立系統的運動方程組為:

取相對位移 Y=x3－x2，Z=x3－x1，方程組(1)變為:

上述分析中，主要針對橡膠減振器的理論分析。在實際應用中，減振器的結構形式及其安裝數量和位置對設備的抗沖擊能力也有較大影響。本文設計的雙層減振結構如圖3所示。

圖3 雙層減振系統結構Fig.3 The structure of double-deck isolation system

其中:L為雙層減振系統的上層質量與下層質量之比，F為上層剛度與下層剛度之比，n為減振器的非線性常數。

針對橡膠減振器，根據已有的研究成果，主要有以下幾個因素影響系統的抗沖擊性能。

(1)上下層質量比和剛度比的影響。通過優化上下層質量比和剛度比可以得到上層質量的最優的加速度響應和位移響應。

(2)阻尼的影響。綜合考慮，減振系統的阻尼一般取0.3～0.5 為最佳。

1.2 設計實例

研究中使用的橡膠減震器結構如圖2所示，減振器結構為對稱結構，在X、Y、Z三個方向都有抗沖擊能力。

單層干燥（6 h）、雙層干燥（6 h）、三層干燥（8 h） 的最終樣品水分含量分別9.33%，7.77%和8.68%，雙層物料最終濕基含水量最低且各層物料最終濕基含水量無顯著差異（p＞0.05），物料均勻性最好。

圖2 橡膠減振器結構Fig.2 The structure of rubber damper

下層減振結構采用四個橡膠減振器，橡膠減振器通過連接螺釘將外殼安裝在底板上，通過擰緊螺母使橡膠減振器在Z向產生一定的壓縮量。同時，由于連接螺釘直徑大于減振器的內孔，因此，減振器在X、Y方向也有一定的壓縮量。由此可知，這種結構形式在X、Y、Z三個方向都有抗沖擊的能力。

同理，上層減振結構同樣采用四個橡膠減振器，通過連接螺釘將基板安裝于外殼上，而設備中的關鍵器件都是分布于基板上，這樣也就使設備中的關鍵器件受到最大限度的緩沖保護。實驗證明，這種雙層減振結構具有良好的抗沖擊能力。

2 雙層減振與隔振系統仿真分析

針對上述雙層減振與隔振結構進行了仿真分析。分析方法如下:

(1)首先分別建立單層減振與隔振及雙層減振與隔振的有限元模型，并對模型進行適當簡化;

(2)分別將兩個有限元模型導入有限元分析軟件Ansys中;

(3)將沖擊試驗的試驗條件作為輸入條件輸入到Ansys軟件中分別對兩個模型進行計算;

(4)計算完成后，分別提取模型中的關鍵點的沖擊響應值，并對兩種模型的響應值進行對比分析，從而得出結論。

圖4 雙層減振與隔振系統有限元模型Fig.4 The finite element model of double-deck vibration isolation system

表1 基板中心點的沖擊響應值Tab.1 The impact response value of center point at substrate

由表1可知，雙層減振與隔振系統基板中心點的沖擊響應值明顯小于單層減振與隔振系統，即雙層減振與隔振系統的減振與隔振效果明顯優于單層減振與隔振系統。

3 加速度沖擊實驗

為了驗證本文設計的雙層減震結構的抗沖擊能力，進行了大量級的加速度沖擊實驗。實驗裝置如圖5所示。

圖5 沖擊試驗裝置Fig.5 Experimental devices of shock response

圖5 中，為了比較雙層減振結構與單層減振結構沖擊響應譜的差別，將兩者安裝在同一振動夾具上。表2為沖擊實驗條件。

表2 沖擊試驗條件Tab.2 Experimental conditions of shock response

實驗時，在X、Y、Z三個方向上每個方向沖擊兩次，并測量沖擊方向的響應。實驗測得的X、Y、Z三個方向上的沖擊響應譜如圖6～圖8所示。

圖6～圖8中，ch1為振動夾具上傳感器的沖擊響應譜曲線，ch2為兩層減振結構的沖擊響應譜曲線，ch3為單層減振結構的沖擊響應譜曲線，由圖可得到以下結論:

圖6 Z方向沖擊響應譜Fig.6 Shock response spectrum on Z axis

圖7 Y方向沖擊響應譜Fig.7 Shock response spectrum on Y axis

圖8 X方向沖擊響應譜Fig.8 Shock response spectrum on X axis

(1)圖6～圖8表明，在8 000 g的加速度沖擊下，經過下層橡膠減振器后，沖擊響應衰減為3 000 g左右，即下層減振器可以吸收大部分的沖擊能量。

(2)由圖6～圖8可知，當頻率小于3 000 Hz時，Y向與Z向的響應曲線差異較大，X向的響應曲線雖有差異，但差異較小。說明在低頻段，雙層減振與隔振系統在Y向與Z向的減振效果較好，而在X向的減振效果不明顯。當頻率高于3 000 Hz時，雙層減振結構的加速度沖擊響應譜值在X、Y、Z三個方向上都比單層減振結構小1 000 g左右，即雙層減振結構在高頻段的抗沖擊能力優于單層減振結構，結論與上述仿真分析結果基本一致。

(3)圖4中，雙層減振結構的下層安裝四個橡膠減振器，由于減振器在X、Y方向的結構相同，單個減振器在X、Y方向的抗沖擊能力也一樣。所以，引起X、Y方向沖擊響應譜不同的因素主要取決于橡膠減振器安裝的跨度，由圖可知，Y向的跨度為128 mm，X向的跨度為52 mm。由圖7、圖8可知，當頻率大于2 000 Hz時，Y向的沖擊響應譜值明顯小于X向，即適當增加橡膠減振器的安裝跨度可以提高系統的抗沖擊能力。

4 結論

經過以上的分析，在大量級的加速度沖擊下(如8 000 g)，可得到以下結論:

(1)在8 000 g沖擊下，下層的橡膠減振器可以吸收大部分的沖擊能量。當頻率小于3 000 Hz時，二層減振結構與單層減振結構的沖擊響應譜大致相同;當頻率大于3 000 Hz時，雙層減振結構抗沖擊能力明顯優于單層減振結構。

(2)當使用橡膠減振器進行減振時，增加橡膠減振器的安裝跨度可以提高系統的抗沖擊能力。

(3)經試驗驗證，設計的雙層減振結構經歷六次8 000 g加速度沖擊后能夠正常工作，這對航天設備的可靠性設計具有重要的意義。

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