可調節固定式減振限位器結構研究與應用

金 玲，張 程,2，張 晶，宋 磊，許俊偉

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可調節固定式減振限位器結構研究與應用

金 玲1，張 程1,2，張 晶1，宋 磊1，許俊偉1

（1．中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2．國防科學技術大學航天科學與工程學院，長沙，410073）

飛行器在垂直熱發射同心筒內貯存、運輸過程中，減振限位器起到固定、支承、平衡飛行器及發射導向的作用。減振限位器必須具有較好的減振性能、力學強度和良好的成型工藝性。由于艦載同心筒發射要求發射過程中不能有拋出物，因此采用固定式減振限位器，即減振限位器固定在發射筒內壁面不隨飛行器運動實現分離。同時提出可調節設計思路，通過改變自身尺寸來適應發射筒尺寸，降低發射筒加工精度及成本?？烧{節固定式止動減振器主要從結構方案、材料性能、動力學分析及試驗等多方面開展設計。該結構可適用于不同尺寸的發射筒內壁，實現飛行器在發射筒內的導向、支撐固定、減振及發射分離等多種功能外，實現了發射過程中拋撒物的有效控制，降低了發射筒生產成本，其技術成果可直接應用于艦載、陸基等多種筒式發射系統中，具有廣泛應用價值。

減振限位器；可調節；固定式；減振材料

0 引 言

同心筒式發射裝置適用于艦載垂直發射系統，采用同心布置的內外筒可作為艦載武器貯存、運輸及發射的容器。傳統的同心筒結構多由兩個同心圓筒組成，適合小尺寸與無翼飛行器發射，難以實現大尺寸有翼飛行器的同心筒發射。相比于現有同心筒結構，提出一種異型筒，為非封閉式筒結構，能夠實現大尺寸有翼飛行器同心筒垂直熱發射。

減振限位器結構是該異型同心筒式發射裝置中飛行器與發射筒之間的連接和支撐裝置，對飛行器在發射筒中的貯存、運輸、裝卸和發射有極其重要的作用，該結構設計技術是發射系統的關鍵技術之一。

而該新型結構面臨一項技術難題，即發射系統的調節支撐限位結構設計。在飛行器裝填異型薄壁非封閉式、尺寸偏差較大的發射筒后，需要一種可調節固定式的支撐減振限位結構，該結構實現了大型飛行器支撐在薄壁非封閉式尺寸偏差較大的發射筒內，并且同時滿足垂直熱發射通垂同心筒在飛行器發射過程中不能有拋出物的要求。

現有減振限位器結構均為調節范圍較小的高匹配性結構，對發射筒的尺寸精度要求較高，因此增加了發射筒的加工成本，并加大了結構的安裝難度。而可調節式限位器結構，是在發射筒加工精度不高、尺寸偏差較大的情況下提出的一種可通過改變自身尺寸來適應發射筒尺寸的結構。

可調節固定式減振限位器，可安裝于不同尺寸的發射筒內壁，使飛行器與發射筒之間具有一定范圍壁面縫隙調節量，降低了發射筒的加工精度，有效減小了成本，并可以實現飛行器在發射筒內的導向、支撐固定、減振及發射分離功能。該結構方案可推廣應用于各種同心筒發射結構中。在飛行器停放、運輸過程中起到支撐固定與減振作用，在飛行器裝填與發射過程中起導向作用，飛行器出筒后，減振限位器固定在發射筒壁面上，不隨飛行器運動實現分離。

新型減振限位器必須具有良好的減振性能，且有一定的力學強度，成型工藝性好，容易預先設置預埋件。開展可調節固定式減振限位器的減振墊設計與力學性能分析，主要從結構方案、材料性能、動力學分析及試驗等多方面開展設計。

1 整體布局設計

減振限位器為弧形，與發射筒采用螺紋固定連接方式，在發射筒4個象限中心的筒壁上對稱布置，沿軸向安裝10片減振限位器，上部布置較密，下部稍疏，如圖1所示。

圖1 減振限位器布局

在裝配中，先對發射筒的尺寸進行測量，在飛行器與筒之間間隙量較大的減振限位器安裝處，調節預設件的厚度來調節減振限位器高度以適應間隙量的不同，實現可調節的功能。由于減振限位器飛行器發射脫離發射筒后，減振限位器不隨飛行器離開發射筒，實現了與飛行器的自分離功能。

2 結構組成

可調節固定式減振限位器主要由基體、連接組件及預設件等組成，如圖2所示。

圖2 減振限位器結構系統組成

1 —基體；2—連接組件；3—預設件

基體由基層及表層減阻面組成，其中基層材料為聚氨酯泡沫，不可壓縮，具有較好的緩沖和抗沖擊特性，主要用于減振；表層減阻面采用表面噴涂聚四氟乙烯，減小摩擦力，摩擦系數小于0.2。連接組件為適用減振限位器結構的特質螺栓。預設件在基體成型過程中提前安裝在聚氨酯泡沫中，預設件與發射筒內筒通過連接組件進行連接。

設計參數如下：

a）理論間隙為-3.6～3.6 mm；

b）理論厚度為17 mm。

3 結構設計

3.1 基體設計

3.1.1 基層材料選擇

減振限位器上基層主要作用是實現對飛行器的補償和減振作用，通常要求具有良好的動靜態壓縮-變形特性以及抗蠕變、抗老化等優良性能。飛行器貯存環境的多樣性，要求減振材料具有良好的彈性性能和耐候性能，能夠耐高低溫、濕氣，具有抗菌性能。對材料的這些性能要求有時是相互矛盾的，需要根據不同發射平臺的具體要求選擇合適的材料和加工工藝。減振墊所采用的材料主要有橡膠類[1]（如天然橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、乙烯丙烯橡膠、氯丁橡膠等）、聚氨酯彈性體、聚氨酯泡沫等或材料混合物。其中以聚氨酯彈性體和聚氨酯泡沫的應用最為廣泛。

聚氨酯彈性體的性能及成型工藝特點如下：

a）聚氨酯彈性體成型工藝性良好；

b）聚氨酯彈性體密度可以根據不同用途進行調整，這種材料質量輕、強度大；

c）隔熱性能良好，導熱系數小于一般非金屬材料；

d）耐化學性能良好；

e）耐溫性能良好，可以用于-100 ℃的低溫場合，也可以用于+120 ℃以內的高溫領域。

f）聚氨酯彈性體不容易吸水，幾乎是一種閉孔材料，吸水率較低。

聚氨酯彈性體的這些特點，決定其是制造減振墊的最佳材料。根據以上材料性能，選取聚氨酯彈性體作為減振墊的原始材料。

3.1.2 表層減阻面設計

聚四氟乙烯，一般稱作“不粘涂層”或“易潔護物料”，是一種使用了氟取代聚乙烯中所有氫原子的人工合成高分子材料。這種材料具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯具有耐高溫的特點，它的摩擦系數極低，所以可作潤滑劑使用，因此成為減振墊表層的理想涂料。

聚四氟乙烯氟聚合物具有的特性如下：

a）不粘性：大部分物質都不與聚四氟乙烯涂膜粘合，即使很薄的膜也顯示出良好不粘附性能。

b）耐熱性：聚四氟乙烯涂膜具有優良的耐熱和耐低溫特性。其熔點為327 ℃，高于其他一般的高聚物。短時間可耐高溫到300 ℃，一般在240～260 ℃之間可連續使用，具有顯著的熱穩定性，在高溫下不融化。在260 ℃時其斷裂強度仍保持在5 MPa左右（約為室溫的1/5），抗屈強度達114 MPa。

c）滑動性：聚四氟乙烯涂膜有較低的摩擦系數，負載滑動時摩擦系數產生變化，但數值在0.05～0.15之間，滿足設計要求。

d）耐磨損性：在高負載下，具有優良的耐磨性能，具備耐磨損和不粘附的雙重優點。

填充改性是在聚四氟乙烯中加入能經受燒結溫度的填充物，顯著提高聚四氟乙烯的機械強度、硬度及耐磨性，同時保持其它優良性能。

3.1.3 基層與減阻面的粘接

由于聚四氟乙烯具有表面能低，光滑且具有不粘性，故選用什么方法實現聚四氟乙烯的粘結非常重要。傳統的粘結方法有萘溶液處理粘接法、鈉液氨溶液處理粘接法、表面無須特殊處理的粘接三類粘接方法。這3種方法比較典型和常規，也比較保守，它們有一個共同的缺點：粘接時間長，過程復雜。單從效率方面來考慮，傳統方法顯然不十分理想。下面介紹的新型膠粘劑，可以解決這一問題。

SG-P-10粘接劑：該粘接劑由底涂劑P-10和瞬間強力膠SG-506組合的雙組分、溶劑型膠粘接，適合于聚四氟乙烯與工件材料的快速粘合。粘接工藝：將被粘表面用丙酮或乙醇溶液擦洗干凈，晾干；用底涂劑P-10分別刷涂被粘表面，晾干（6 min）；用強力膠SG-506快速粘接，10 s即可粘牢。

由于聚四氟乙烯薄膜表面過于光滑具有不粘性，在實際粘貼過程中會因為薄膜厚度而發生難以粘貼現象，必須要求聚四氟乙烯薄膜很薄，但是難以保證動力學使用過程的安全性?，F有特殊發泡過程，受薄膜厚度影響較小。

采用聚四氟乙烯乳液為主要原料，添加一定比例的增稠劑、發泡劑等助劑，配制成涂層劑。將涂層劑導入泡沫發生器，通過控制系統控制發泡比和泡沫大小，用泡沫施加裝置使泡沫均勻地涂敷在復合濾料表面，然后送入高溫烘箱進行烘焙，冷卻即可完成。

3.2 連接組件設計

連接組件包含特制內六角沉頭螺釘及防松墊片，安裝后連接組件低于安裝孔的上表面，不與其他位置干涉，減小了整體體積。該連接結構根據減振限位器尺寸進行設計，內六角形式的沉頭螺釘頭部用料少、不易滑角、松緊螺釘時所受力矩較大，便于緊固和拆卸。防松墊片防止螺釘連接松動。整體結構具有安裝方便，機械制造簡便、成本低等特點。內六角沉頭螺釘如圖3所示。

圖3 內六角沉頭螺釘結構示意

3.3 預設件設計

圖4為預設件結構，材料為金屬，其厚度方向通過增加調節片來改變高度尺寸，達到調節間隙的目的。

圖4 預設件結構圖

4 燒蝕試驗

減振限位器上的減振墊材料設計完成后，利用自由射流試驗對多種減振墊材料的熱沖擊環境適應性進行考核，以驗證減振墊方案的正確性。試驗件產品及設備如圖5、圖6所示。

圖5 減振墊材料燒蝕試驗件

圖6 自由射流試驗設備

在試驗方案策劃時，重點考慮研制進度、成本及一次試驗成功率等因素。試驗采用臥式動力試驗臺，安裝四噴管動力機，以構建減振墊在筒內受到的燃氣流場環境，從而驗證減振限位器的減振材料對熱沖擊環境的適應性。

試驗過程中，發動機正常工作，減振材料表面噴涂聚四氟乙烯，經燃氣流沖擊后，表面有很薄一層粘附的軟化物質。試驗件整體結構保持良好，沒有出現結構變形及厚度損失較多（超過0.5 mm）的情況。

通過考核驗證，所選減振限位器產品能夠滿足燃氣流的熱沖擊環境要求，該試驗的圓滿完成，是減振限位器新技術攻關的階段性成果。

5 動力學分析方法[2,3]

減振限位器的動態響應仿真分析模型包含材料非線性、接觸、摩擦、大位移和高速碰撞等問題，涉及高速非線性動力學和非線性材料特性等研究領域。根據飛行器發射要求，對飛行器出筒過程開展動力學仿真分析和結構優化，研究減振墊特性參數、結構尺寸以及布局對飛行器內彈道的影響，為飛行器發射系統總體方案和結構設計提供依據。

為了能較為準確地模擬飛行器發射瞬間各部位響應的情況，分析計算運用結構動力學的方法建立發射箱動力學剛柔耦合模型，進行飛行器發射動態響應計算。模型中考慮了系統復雜結構，處理了復雜的接觸、碰撞、非線性問題。采用了殼單元、顯式非線性動態方法模擬飛行器發射過程，較好地模擬了結構在動態過載作用下的動力學響應和動態特性。

圖7為動力學分析曲線，分析得出減振限位器和飛行器間摩擦力、各道減振限位器動態響應及預壓后減振限位器的剛度為=1.5×106N/m。通過動力學分析，得到減振墊特性參數及變形受力情況，為減振限位器及接口的具體結構尺寸設計提供依據。

圖7 動力學分析曲線

6 結束語

可調節固定式減振限位器在設計上具有如下創新性和優點：

a）減振限位器具有面積小、厚度可調、與飛行器采用間隙配合方式的特點，有效減小了飛行器裝填的阻力，降低了裝填難度；

b）減振限位器與發射筒采用螺紋固定連接方式，飛行器發射脫離發射筒后，減振限位器不隨飛行器離開發射筒，實現了與飛行器的分離功能，避免了發射出現拋灑物毀傷艦船的問題；

c）減振限位器可安裝于不同尺寸的發射筒內壁，增加飛行器與發射筒之間的間隙調節量，操作方便，降低加工精度及成本。

可調節固定式減振限位器結構方案，參加了某課題地面發射試驗，已經成功應用到型號研制方案上。經地面試驗考核，該方案設計能夠實現增加飛行器與發射筒之間的間隙調節量，滿足飛行器在發射筒內的導向、支撐固定、減振及發射分離等多種功能。其技術成果可直接應用于艦載、陸基等多種筒式發射系統中，具有廣泛應用價值。

[1] 王韻然. 橡膠減震材料的研究進展[J]. 橡膠工業, 58(3): 186-191.

Wang Yunran. Research progress of rubber damping materials[J]. Rubber Industry, 2011: 58-186.

[2] 顧伯洪, 孫寶忠. 紡織結構復合材料沖擊動力學[M]. 北京: 科學出版社, 2012.

Gu Bohong, Sun Baozhong. Impact mechanics of the resurrected material of textile structure[M]. Beijing: Science Press, 2012.

[3] 陳前, 朱德. 粘彈性復合結構動力響應數值分析方法[J]. 機械科學與技術, 2000(S1): 49-51.

Chen Qian, Zhu De. Numerical analysis method for dynamic response of viscoelastic composite structure[J]. Mechanical Science and Technology, 2000(S1): 49-51.

Research and Application of Adjustable and Fixed Structure ofLimiter Absorber

Jin Ling1, Zhang Cheng1,2, Zhang Jing1, Song Lei1, Xu jun-wei1

(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076;2. College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha, 410073)

When the aircraft is stored and transported in a concentric cylinder with vertical heat emission, the limiter absorber is used to fix, support, balance the aircraft and launch guidance. The limiter absorber must have good damping performance, mechanical strength and molding process. The launching of ship-based concentric canister requires that there is no projectile during launch. So, we use the fixed limiter absorber, which is fixed on the inner surface of the launcher and does not separate with the movement of the aircraft. We propose adjustable design ideas, the limiter absorber adapt the size of the launcher by changing its size to reduce the accuracy and cost of launcher. We design the new limiter absorber from the aspects of structural scheme, material properties, dynamic analysis and test, etc. The new limiter absorber is suitable for the inner surface of the launcher with different sizes. It is not only to make the aircraft realize the functions of guidance, supporting and fixing, vibration damping, separating in the launcher. But also can control the superfluities and reduce the production costs. This technology can be applied to the various launching systems of ship-based and land-based, which have widely application value.

Limiter absorber; Adjustable; Fixed; Damping material

1004-7182(2018)01-0089-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20180118

V19

A

2017-06-19；

2017-09-26

金 玲（1986-），女，工程師，主要研究方向為結構總體設計