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

(上海船舶設備研究所，上海 200031)

應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，并且結合隔振器的靜態試驗數據，探尋隔振器沖擊力隨位移變化曲線與靜態力隨位移變化曲線之間的關系。通過對比分析試驗結果發現，KBX-2000型隔振器在小變形情況下表現出等剛度特性，而在大變形情況下則呈現出漸硬的非線性。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力隨位移變化特性可模擬為分段的多元函數，這對于抗沖擊的設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備的振動，橡膠隔振器已被廣泛的應用，然而在許多情況下，既需要消除船用機電設備的振動影響，還需要隔離船體對機電設備的沖擊影響。因此，研究隔振器在沖擊條件下的隔沖特性對船用機電設備的抗沖擊就顯得很有必要。

與振動環境不同，隔振器在沖擊載荷下的變形情況非常復雜。實驗表明，橡膠隔振器的沖擊特性表現出非常強的非線性，不同的橡膠隔振器在較大沖擊變形下，會出現剛度漸軟或漸硬的現象[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、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響應還未達到最大值就結束了，之后則是系統的自由衰減過程。所以，目前對于隔振器在沖擊環境下的非線性響應特性仍然沒有一個合理的描述。有些學者結合橡膠隔振器沖擊試驗數據，在考慮了非線性阻尼影響下，建立了多參數非線性響應力參數模型，來描述沖擊響應力與位移的關系[5]。

本文應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，并且結合隔振器的靜態試驗數據，探尋隔振器沖擊力隨位移變化曲線與靜態力隨位移變化曲線之間的關系，并且提出了一種采用線性函數分段擬合同等位移條件下的沖擊力與靜態力關系的新思路。

圖1 KBX-2000型橡膠隔振器

1 隔振器的靜態性能試驗及分析

對于橡膠隔振器，橡膠件的本構關系十分復雜，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。然而，隨著應力不斷增加，橡膠的彈性模量E會顯現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，靜剛度呈現線性，主要是因為在小變形情況下KBX-2000型隔振器內橡膠件主要發生剪切變形，而在兩倍載荷以上的大變形情況下，隔振器內橡膠件的變形主要以壓縮變形為主，靜剛度呈現漸硬的非線性。所以KBX-2000型隔振器在額定載荷的情況下，會呈現出等剛度的特性，而在超過2倍額定載荷的情況下會呈現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。設備采用落錘式沖擊試驗機，其結構如圖3所示。落錘沖擊試驗因裝置結構簡單,操作方便,現已成為在隔振器沖擊性能研究領域中重要的手段。盡管沖擊過程中存在著“回彈”，波形成為斷續的脈沖,但質量塊在空中運動中能量損失很小，可以用適當的方法把它們組合成連續波形，以致能以成熟的振動分析技術進行數據處理[6]。

圖3 落錘式沖擊試驗機結構簡圖

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。測量系統包括電荷型加速度傳感器、電荷放大器、數據采集儀與電腦，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，數據采集系統采用LMS SCM 05數據采集分析系統。

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，為避免隔振器發生沖擊損傷而影響試驗結果的準確性，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，在該時段內由于沖擊作用的高加載速率，隔振器特性表現為沖擊特性。

在隔振器與基礎面碰撞的半個周期內，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)，規定垂直向下為正向，得到式（1）

其中m為落錘質量，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接觸時產生了大量的高頻分量，對加速度數據進行低通濾波，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特性曲線。根據式（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能適應實船沖擊環境條件，并滿足非線性沖擊響應計算的需要，應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，并且結合靜態力隨位移的變化曲線，經對比分析發現，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，均呈現非線性漸硬趨勢。

3 沖擊特性與靜態特性的關系

根據圖10，KBX-2000型隔振器的靜態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出漸硬的非線性，在小變形的情況下表現出等剛度的線性性。考慮到KBX-2000型隔振器的靜態特性與沖擊特性有諸多相似性，所以研究靜態特性與沖擊特性有很大的工程意義。

圖10 沖擊力、靜態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特性與沖擊特性呈現明顯分段特性，故可以采用分段函數描述其之間的關系。考慮到一次多項式的系數可以直接反應處隔振器的沖擊剛度與靜剛度之間的比例關系，因此，盡量采用一次多項式擬合沖擊力與靜態力的關系，在多項式擬合時采用最小二乘法。

式中的x為靜態力(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系可以用式（3）表示，將根據式（3）擬合的沖擊力曲線與試驗獲得的靜態力、沖擊力曲線表達在同一圖內（圖11）。根據圖11，可以得知，在18 mm變形范圍內吻合較好（靜態試驗的變形極值為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）依據靜剛度擬合的沖擊力隨位移的變化曲線可以準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力隨位移變形曲線之間存在分段近似線性關系。

圖11 沖擊特性與靜態特性對比曲線

4 結語

本文應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，并且結合隔振器的靜態試驗數據，得到如下結論：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力隨位移變化曲線存在分段近似線性函數關系。這些變化規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].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），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].海軍工程大學學報，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，研究方向為設備振動噪聲控制。E-mail:leewaver@163.com