過載狀態下橡膠減振器動態性能分析

方興，畢京丹

?

過載狀態下橡膠減振器動態性能分析

方興，畢京丹

（北京強度環境研究所，北京 100076）

目的研究飛行過載狀態下的橡膠減振器動態性能。方法通過對試驗件施加不同大小力來模擬過載情況，測量試驗件減振前后的加速度響應。結果對加速度響應進行分析，發現橡膠減振器主減振方向上的減振效率隨飛行過載增大而減小，減振器的剛度反而增大。在正交于主減振方向上，其減振器減振效率和剛度，基本不隨飛行過載環境而變化。結論飛行過載影響橡膠減振器在過載方向上的動態性能，因此在橡膠減振器選型時，應考慮到飛行過載環境的影響。

橡膠減振器；過載；動態性能

減振器是一類用途廣泛的工程結構原件，適用于各種工程結構的減振、隔振、抗沖擊等領域，如地面車輛的懸掛系統、艦船燃氣輪機的浮筏結構、機床的基礎安裝等。其工作原理一般是選擇合適的阻尼和剛度系數達到迅速衰減由外力擾動或突加載荷引起的系統振動，以提高舒適性、降低噪聲輻射、保證系統的工作精度和靈敏度不受損害等。目前橡膠減振器依然是一些設備隔振設計的首選類型。航天領域中，慣組對于飛行器屬于重要儀器設備，對任務成敗有著關鍵作用，對其安裝和使用環境有較為苛刻的要求。因此，為降低慣組飛行中受到的振動環境，有些慣組將橡膠減振器安裝在基座上，其他一些直接安裝于支架上的慣組，則設有內置減振。橡膠材料的動態特性與材料配方、環境溫度、預緊量等因素有關。地面試驗中，曾發現內置減振器隨慣組加溫時間的延長，其減振頻率發生變化。因此，飛行器在飛行過程中，慣組處的減振器特性會有何種細微變化，需要進行地面試驗研究。文中通過一個慣組環境試驗，研究了不同飛行過載情況下，橡膠減振器的動態特性變化。

1 試驗設計

文中研究的橡膠減振器結構如圖1所示。

圖1 橡膠減振器結構示意

研究飛行過載狀態下減振器動態性能。試驗在不同過載、且相同隨機振動環境下，測量產品四個連接處減振前、后的振動響應，通過對響應的分析來研究橡膠減振器的動態特性。試驗采用航天希爾2130型30噸振動臺進行試驗，振動試驗原理如圖2所示。

圖2 試驗原理

試驗中需要模擬空中過載飛行環境，那么就要想辦法模擬過載加速度帶來的效果。飛行中，在不同值的環境下，對于慣組處的橡膠減振器感受到的主要是慣組帶來的慣性力，該力的方向為飛行負方向。對于本試驗的試驗件，在過載環境下，橡膠減振器受到壓力。試驗中慣組安裝于儀器艙艙的梁上，很難直接施加豎直向下的力，因此試驗中設計一套系統將外部拉力轉為減振器上的壓力。試驗中，在慣組上對應安裝減振器位置設4個施力點，對兩兩一組施加外拉力來模擬過載時，慣組產生對減振器的壓力，如圖3所示。

圖3中軸為承力梁受力點的豎直中心線，此時力作用點處向合力為0。外力作用于一個滑輪上，分為兩個力后，經鋼絲繩作用在慣組本體外的承力梁上。分力中的橫向分量在承力梁上轉化為梁的內力，不作用于慣組本體；豎直向分力通過慣組本體外殼作用于減振器上，來模擬過載環境下慣組本體施加在減振器上的力。

圖3 慣組處加力設計

當系統中力作用點在垂直于軸方向上發生偏移擾動+，鋼絲繩與豎直方向夾角變化，則力作用點處橫向合力變化近似為-2。在無阻力情況下，力的作用點將回復到原點位置，保持向合力為0的狀態。進而可以保證，在試驗過程中分解后作用于兩個減振器上的向模擬過載力基本相同。試驗實施時，外部同時施加兩個大小相同的力，最終轉化為四個大小相同的力作用于減振器上。試驗分析慣組本體上響應與其安裝基礎的響應。

2 減振器動態性能分析

試驗測量數據見表1、表2。減振效率為：1－減振后均方響應/減振前均方響應。

表1 主減振方向試驗數據

表2 正交于主減振方向試驗數據

從表1中看到，隨著過載值的增大，減振器的減振效率都在減小，諧振響應頻率由約90 Hz增大到120 Hz。其中位置1，2處在20過載條件下幾乎無減振效果，另兩個位置處的減振效率相比無過載也有大幅下降。減振器中阻尼的作用是使系統的能量消耗，因此判斷，隨著過載值的增大（減振器受壓力增大），減振器主減振方向上的總體阻尼減小。

從表2中可以看到，隨著過載值的增大。在5過載環境下，減振器減振效率略有增加，諧振響應頻率基本無變化。再增大過載環境，其減振效率下降至約與無過載環境下相同。整體趨勢上看，減振器正交于主減振方向上的阻尼，基本與過載（減振器受壓）環境無關。

圖4、圖5給出了減振前后振動量級的傳遞曲線。表3給出諧振頻率下的阻尼比，利用=2得到。

從圖4中可以看了40 Hz，且放大倍數有所提升。根據阻尼系統角頻率公式可知，d增大。由表3可知，隨著過載的增大，諧振處阻尼比略有減小。對于本試驗研究，可簡化為圖3所示的質到，隨著過載值的增大，減振器的減振頻率升高量-彈簧阻尼系統。試驗研究中的主減振方向的諧振頻率即為簡化系統的一階平動固有頻率，因此試驗中諧振頻率對應的模態質量是基本不變的。

表3 主減振方向諧振頻率處阻尼比

假設剛度不變（即0不變），將20與無過載時的諧振頻率帶入公式做比，則存在下列關系（以位置3為例，其中1對應無過載時阻尼，2對應20過載時阻尼），顯然等式不成立。由此可知，參數0增大，使得主減振方向上剛度增大。

圖5 正交于主減振方向上減振后與減振前傳遞曲線

從圖5中可以看到，隨著過載值的增大，傳遞曲線基本一致。由此可知，橡膠減振器在正交于主減振方向上的阻尼、剛度基本與過載環境無關。

3 結論

通過試驗分析可知，在相同振動環境下，橡膠減振器主減振方向上的過載，使得主減振方向上的阻尼減小、剛度變大。在正交于主減振方向上，減振器的阻尼、剛度不受主減振方向上的過載影響。因此，在橡膠減振器選型時，應考慮到飛行過載環境的影響。該試驗方法可以實現地面模擬飛行過載環境的考核，為后續過載狀態下橡膠減振器性能研究以及研制選型提供參考。

[1] 韓德寶, 宋希庚, 薛冬新. 橡膠減振器非線性動態特性的試驗研究[J]. 振動工程學報, 2008, 21 (1): 102—106.

[2] 宋漢文, 王文亮, 傅志方. 橡膠減振器非線性動力參數識別[J]. 復旦學報(自然科學版), 1998, 37(5): 607—612.

[3] 李雄魁, 徐珊珊, 閆路, 等. 運載火箭慣組基座設計與優化[J]. 強度與環境, 第42卷第1期: 46—53.

[4] 宓寶江, 高建軍. 基于Creo Simulate的橡膠減震器超彈性材料分析[J]. CAD/CAM與制造業信息化, 2013(4): 56—61.

[5] 諸德超, 邢譽峰. 工程振動基礎[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 8—57.

勘誤說明

由于作者供稿時的失誤，2017年第1期期刊上出現了一處錯誤，現更正如下。

第87頁作者署名中

原描述：劉楊

更正為：劉揚

Dynamic Performance of Rubber Buffer in Overload Flight

FANG Xing, BI Jing-dan

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

Objective To study the dynamic performance of rubber buffer in overload flight. MethodDifferent press was applied to test pieces to simulate overload and measure the acceleration response before and after vibration reduction of test pieces.ResultsThe vibration reduction efficiency in the main vibration reduction direction of the rubber buffer decreased with the increase of the flight overload, while the stiffness of the damper increased instead. In orthogonal to the main vibration direction, the vibration reduction efficiency and stiffness don't change with the overload environment. ConclusionFlight overload influences the dynamic performance of the rubber butter in the overload direction; therefore, influences of the flight overload conditions should be considered in lectotype of rubber buffer.

rubber buffer; overload; dynamic performance

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.003

TJ01; V244

A

1672-9242(2017)05-0012-04

2016-12-02；

2017-03-01

方興，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為結構動力學。13522723625 fangxing1026@126.com