一種慣性導(dǎo)航用減振器的低溫工作特性

郭瑞毅，馬利寧，涂春潮，任玉柱，蘇正濤

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京100095）

0 引言

隨著航空航天領(lǐng)域的不斷發(fā)展，飛行器上的電子、光學(xué)設(shè)備數(shù)量不斷增加，形式更加復(fù)雜。由于空氣動力噪聲以及發(fā)動機(jī)噴氣噪聲作用會造成飛行器機(jī)體的振動［1］，為了保證這些設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高設(shè)備可靠性，通常需要加裝減振器［2?4］。橡膠減振器因為可被制成各種形狀，且質(zhì)量小、體積小［5］、 阻尼系數(shù)高［6］、 隔振頻率寬［7?8］的特性，在當(dāng)今工業(yè)體系中得以廣泛應(yīng)用。然而，通常的橡膠減振器的使用溫度受到了自身材料特性的限制。低溫條件下，減振器的動態(tài)性能變化巨大，無法滿足溫度條件苛刻情況下的減振需求［9］。因此，需要對減振器的低溫性能進(jìn)行大量考核，保證在工作溫度下減振器性能合理可用。然而進(jìn)行低溫振動試驗設(shè)備要求高，且相對室溫試驗較復(fù)雜，因此開展大量低溫試驗的工作量較大，試驗費用和試驗周期也很長。若可以建立減振器工作溫度與振動特性的函數(shù)關(guān)系，則可以減少試驗性工作，且預(yù)估減振器在其要求的工作溫度下的振動特性，也可為減振器的低溫環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提供依據(jù)。壓剪混合型減振器由于其三向等剛度、安裝方便以及優(yōu)良的疲勞性能，在慣導(dǎo)系統(tǒng)上廣泛使用。本文以JZ?2壓剪混合型減振器為例，建立了低溫條件下減振器振動特性與溫度的關(guān)系。并通過改變減振器膠料性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)，驗證減振器振動特性與溫度的關(guān)系的普遍性。

1 試驗

1.1 試件和試驗儀器

試件為 JZ?2 型、 JZ?3 型、 JZ?4 型、 JZ?5 型減振器，試驗儀器為DC?4000?40電動振動試驗系統(tǒng)和 ETHV?1200?70?30H 恒溫恒濕試驗箱。

1.2 性能測試

如圖1和圖2所示，將JZ?2型減振器安裝在模擬工裝上，并將工裝固定在測試振動臺上。將恒溫恒濕箱調(diào)節(jié)至指定溫度，待溫度穩(wěn)定后保溫1h。之后使用2g正弦掃頻10min完成單程10Hz～2000Hz振動試驗，測定被減振系統(tǒng)在該溫度下的一階諧振頻率f1－t以及此時的放大倍數(shù)D，并記錄。

2 結(jié)果與分析

為了研究低溫對橡膠減振器性能的影響，測量了減振系統(tǒng)Y方向從－70℃～20℃條件下的振動曲線，記錄了系統(tǒng)的一階諧振頻率f1－t，以及相應(yīng)諧振頻率下的放大倍數(shù)D，如圖3所示。

由圖3可知，隨著溫度的降低，減振系統(tǒng)的諧振頻率不斷增大，且增大的速率不斷提升。這是由于隨著溫度的降低，橡膠材料的鏈段運(yùn)動不斷受到限制，從而橡膠材料模量上升，減振系統(tǒng)剛度增大。此類型減振器在低溫條件下的諧振頻率經(jīng)擬合可以由式（1）表達(dá)。其中，t表示溫度，f1、a、b為3個與減振器自身結(jié)構(gòu)和膠料種類有關(guān)系的常數(shù)。

式中，f1－t為溫度t時減振器一階諧振頻率，單位為Hz；t為溫度，單位為℃。

為了驗證這一諧振頻率與溫度的關(guān)系式，在－40℃條件下對產(chǎn)品進(jìn)行振動試驗，測得減振器的一階諧振頻率為82.87Hz。利用式（2），計算得到的減振器在－40℃時的一階諧振頻率為82.27Hz。從驗證試驗結(jié)果看，擬合公式的誤差為7.2‰，即說明使用這一擬合方式對減振器低溫諧振頻率有著很高的估算精度。

由圖3同樣可以發(fā)現(xiàn)，此減振器的放大倍數(shù)隨著溫度的降低先減小后增大。這是由于隨著溫度的降低，橡膠材料鏈段與鏈段之間的運(yùn)動更加困難，因此在共振發(fā)生時有更多的能量被減振器轉(zhuǎn)化為熱能消耗。但當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時，部分鏈段已經(jīng)被徹底凍結(jié)無法運(yùn)動，因此參與將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的鏈接數(shù)量減小，從而放大倍數(shù)提高。

JZ?3型、 JZ?4型和 JZ?5型減振器均屬于壓減混合型減振器，但其結(jié)構(gòu)、設(shè)計承載、安裝方式均有所區(qū)別。此外，它們雖然均為硅橡膠減振器，但使用了不同的橡膠牌號，使得材料的邵氏硬度有較大差距。因此，使用這幾種減振器可以驗證式（1）的普適性。使用這些減振器搭配各自的配重，分別組成的系統(tǒng)，測定其20℃、0℃和－20℃條件下的諧振頻率。并根據(jù)測試結(jié)果帶入式（1）中求出各自的f1、a和b， 從而確認(rèn)各自的低溫諧振頻率與溫度關(guān)系式。根據(jù)對應(yīng)的關(guān)系式求出－45℃時各減振器的諧振頻率，并與實驗值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。從表1可知，預(yù)測值與實際值的差距均小于5%，雖然與JZ?2型中的擬合結(jié)果同試驗結(jié)果的誤差相比數(shù)值更大，但在工程應(yīng)用中已經(jīng)可以用于進(jìn)行預(yù)測。由此說明，式（1）對于壓剪混合型硅橡膠減振器有著普適性。對于硅橡膠壓剪混合型減振器，只需3個試驗點就足夠確認(rèn)其低溫工作特性。此外，結(jié)合試驗點還可以預(yù)測減振器低溫性能，減少試驗工作量，從而為減振器的選用提供依據(jù)。

表1 JZ?3型、 JZ?4型和 JZ?5型低溫諧振頻率及－45℃預(yù)測值Table 1 Resonant frequency of JZ?3， JZ?4 and JZ?5 in low temperature and the predicted resonant frequency in －45℃

表2 JZ?2型、JZ?3型、JZ?4型和JZ?5型減振器在不同溫度下的溫度敏感系數(shù)Table 2 Temperature sensitive parameters of JZ?2， JZ?3， JZ?4 and JZ?5 in different temperatures

3 結(jié)論

以一種航空慣性導(dǎo)航用減振器（JZ?2）的低溫動態(tài)性能測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并利用多種型號減振器試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，總結(jié)出壓剪型減振器低溫下的工作特性與溫度的關(guān)系。其中，諧振頻率與溫度的關(guān)系為：

（1）硅橡膠壓剪型減振器的諧振頻率隨著溫度的降低不斷增大。

（2）對于硅橡膠壓剪型減振器產(chǎn)品，其低溫諧振頻率與溫度的關(guān)系符合一階指數(shù)衰減函數(shù)

（3）JZ?2型減振器在低溫階段比室溫條件下阻尼性能更優(yōu)，放大倍數(shù)隨著溫度的降低先減小后略有增加。

（4）對比4種減振器，可知JZ?5型的低溫穩(wěn)定性最好。