新型鋼絲繩隔振器力學性能試驗與仿真研究

張春輝，盧凱田，張 磊，閆 明，章 藝

(1.海軍研究院，北京 100071；2.上海船舶設備研究所,上海 200031；3.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870)

鋼絲繩隔振器是美國在20世紀70年代末研制成功的一種非線性隔振器材[1]，具有以下優點：①有較大隔離區間；②可以承受垂向、橫向和縱向三向載荷；③采用金屬材料，能夠耐高溫和腐蝕；④性能相對穩定，維護簡單，并且使用周期也相對較長；⑤具有很強的非線性能夠有效隔離振動和沖擊[2]。由于其優異的性能，鋼絲繩隔振器被廣泛運用在機械設備與儀器儀表、艦艇設備隔振抗沖擊等領域[3]，然而在海上浮動平臺沖擊試驗中發現，鋼絲繩隔振器在強沖擊載荷作用下會出現如圖1所示的斷裂失效現象，造成設備故障降低艦艇的生命力和戰斗力。因此，研究并改善鋼絲繩隔振器的抗沖擊性能意義重大。

圖1 鋼絲繩隔振器斷裂實物圖Fig.1 Physical picture of broken wire rope isolator

一些學者對鋼絲繩隔振器的沖擊特性進行了研究，李佳等通過試驗探究了GS2型鋼絲繩隔振器的極限沖擊載荷[4]，王勇等[5]利用錘擊法對隔振器進行沖擊試驗發現鋼絲繩隔振器沖擊時剛度呈軟化現象，束立紅等[6]利用波形組合法來確定隔振器的沖擊剛度，趙建華等[7]通過試驗發現鋼絲繩隔振器在沖擊時拉伸階段的加速度大于壓縮階段的加速度，因此亟需改善鋼絲繩隔振器的拉伸性能。對于鋼絲繩隔振器的抗沖擊設計原則是在保證隔振器原有隔振效果基礎上降低設備所受的加速度響應峰值[8]，常用加速度隔沖率、位移隔沖率和速度隔沖率[9]來衡量隔振器抗沖擊能力。

本文在傳統鋼絲繩隔振器阻尼和剛度等力學特性基礎上，提出一種新型鋼絲繩隔振器，目的是在保持或提升原有隔振效果的基礎上，進一步提升隔振器的抗沖擊性能。通過加工新型鋼絲繩原理樣機并進行振動和掃頻試驗，得到了新型鋼絲繩隔振器的固有頻率和隔振特性。隨后利用跌落試驗機對新型鋼絲繩隔離系統進行沖擊試驗,ADAMS軟件的仿真和試驗結果吻合較好驗證了新型鋼絲繩隔振器具有較好的抗沖擊性能。本研究的開展可為隔振抗沖擊元件的發展提供一種基礎性的推動作用，也可為提升艦艇設備抗沖擊性能提供一種有效的技術手段。

1 結構設計

通過分析現有的鋼絲繩隔振器發現，球形鋼絲繩隔振器其結構簡單且在橫滾和剪切時力學性能一致，因此選用球形鋼絲繩隔振器作為新型鋼絲繩隔振器中的彈性元件。圖2為新型鋼絲繩隔振器的原理樣機設計方案，該結構主要由導向塊上蓋、導向圓柱、限位結構、球形鋼絲繩隔振器、籠型套筒、導向桿和底座等結構組成。其中導向桿為球形鋼絲繩隔振器導向，導向塊上蓋及底座上設有螺紋孔用于連接設備與基座。

圖2 新型鋼絲繩隔振器結構及工作狀態Fig.2 New wire rope isolator structure and working condition

結合圖2，該新型鋼絲繩隔振器工作原理為：假定向下為正方向，當運動方向為正向時，導向圓柱向下運動并壓縮球形鋼絲繩隔振器[10]，如圖2(a)所示，一定壓縮量后球形鋼絲繩隔振器反彈，使導向圓柱反向運動，回到初始位置后繼續帶動導向圓柱沿反向運動，當球形鋼絲繩隔振器到達限位結構時，球形鋼絲繩隔振器上端停止運動，導向桿底部擠壓球形鋼絲繩隔振器下端使其向上運動，如圖2(b)所示，球形鋼絲繩隔振器再次被壓縮，到達隔振器極限壓縮量后，彈性恢復力使導向桿向下運動，同時帶動導向圓柱一起運動，周而復始，對設備進行隔振隔沖，在此過程中球形鋼絲繩隔振器始終處于壓縮狀態，可實現雙向壓縮的功能。

球形鋼絲繩隔振器選用某公司生產的GGQ系列球形鋼絲繩隔振器，型號為GGQ15-62L，名義負載為13 kg，廠家所給的此型號隔振器靜態壓縮時的極限位移為20 mm。為使導向圓柱在限位結構中能夠平穩滑動，將限位結構設計為帶法蘭直線軸承，使其與導向圓柱形成穩定的導向帶。導向圓柱向下運動時與帶法蘭直線軸承形成的限位結構接觸的極限位移為43 mm，向上運動時極限位移為72 mm，能夠滿足球形隔振器壓縮時的行程要求。

球形鋼絲繩隔振器在壓縮時鋼絲會彎曲，外側的套筒挖有8個帶倒角的長方形通槽以便鋼絲繩在通槽中運動，鋼絲繩直徑為4.8 mm，通槽的寬度為18 mm，可以滿足鋼絲繩在其中運動的要求，加工的原理樣機如圖3所示。

圖3 新型鋼絲繩隔振器原理樣機Fig.3 Principle prototype of new wire rope isolator

2 新型鋼絲繩隔振器的隔振性能

2.1 掃頻試驗

對于隔離器的設計首先需確定其固有頻率。將兩只隔離器并聯組成一個隔振系統，用質量塊模擬設備，通過對其進行掃頻和定頻試驗分析其隔振特點。該隔振系統主要由電磁振動臺、新型鋼絲繩隔振器隔振系統，4個加速度傳感器、一個位移傳感器、26 kg的質量塊等構成，如圖4所示。此試驗共設置兩個加速度傳感器測量組：一個加速度傳感器設置在振動臺面，一個加速度傳感器設置在轉接板上；另外兩個加速度傳感器設置在質量塊不同位置處，一個加速度傳感器測量組傳輸到控制端，另一組傳輸到數據采集儀中，位移傳感器連接到數據采集儀。完成試驗準備工作后，在計算機端輸入激勵信號，由加速度傳感器測量振動臺面和質量塊的加速度信號，并傳輸至控制端和動態信號采集儀，試驗完成后對其加速度信號進行處理分析。

圖4 新型鋼絲繩隔振器振動試驗Fig.4 Vibration test of new wire rope isolator

根據GJB 150.18—1986《軍用設備環境試驗方法沖擊試驗》[11]規定在5～20 Hz時采用位移信號加載，在20～80 Hz采用加速度信號加載。為探究不同輸入對隔離器固有頻率的影響，共設置兩個試驗工況，工況一位移信號為2 mm加速度信號為1g；工況二位移信號為2.5 mm加速度信號為2g，圖5和圖6為加速度傳遞函數曲線。

圖5 隔振系統2 mm，1g掃頻傳遞函數曲線Fig.5 2 mm，1g sweep frequency transfer function curve of vibration isolation system

圖6 隔振系統2.5 mm，2g掃頻傳遞函數曲線Fig.6 2.5 mm，2g sweep frequency transfer function curve of vibration isolation system

從圖5可以看出隔振系統的固有頻率為10.6 Hz，共振峰值為1.53，起始隔振頻率為13.14 Hz，當頻率大于13.14 Hz時，鋼絲繩隔振系統的傳遞函數值先逐漸降低，當頻率為67.72 Hz時，隔振系統的傳遞率最小為20.4%。從圖6可以看出鋼絲繩隔振系統的固有頻率為9.75 Hz，共振峰值為1.72，6.10～12.86 Hz頻率區間內為隔振系統的放大區域。當頻率大于12.86 Hz時，鋼絲繩隔振系統的傳遞函數值先逐漸降低，當頻率為62.6 Hz時，隔振系統的傳遞率最小為11.7%。

對比分析兩個試驗工況發現，不同的輸入信號對隔離器的固有頻率略有影響，當加載位移幅值增加時，新型鋼絲繩隔振器的固有頻率從10.6 Hz降到9.75 Hz，隔振系統的起始隔振頻率從13.14 Hz降低為12.86 Hz。在開始隔振后，隨著頻率的增加隔振系統的傳遞率逐漸降低，隔振性能逐步提升。

根據SJT 10178—1991《隔振器特性測試方法》[12]，隔振器動剛度的計算公式為

Kd=m·(2πfn)2

(1)

式中：Kd為隔振器的動態剛度值，N/m；fn為隔振器的共振頻率；m為隔振器的載荷質量。根據此公式算得在兩個工況下新型鋼絲繩隔振器的動剛度分別為57 606 N/m，48 738 N/m。

2.2 定頻試驗

定頻試驗是在給定的頻率點上進行各種振動參數不同量級的試驗，主要考核隔振器耐共振振動的能力。試驗裝置與掃頻振動試驗裝置相同。試驗時，在10 Hz處采用位移信號2.5 mm加載，在60 Hz處采用加速度信號2g加載，用加速度傳感器測量振動臺和質量塊的加速度時域曲線。

從圖7可以看出：當10 Hz激勵位移為2.5 mm時，鋼絲繩隔振系統基座和設備的加速度響應幅值分別為4.01 m/s2和9.02 m/s2，此時的加速度傳遞率為2.25，仍處于系統的放大區間。從圖8可以看出：當60 Hz激勵加速度為2g時，鋼絲繩隔振系統基座和設備的加速度響應幅值分別為15.16 m/s2和4.01 m/s2，加速度傳遞率為0.26，此時隔振效果明顯。

圖7 10 Hz處位移激勵為2.5 mm時加速度響應Fig.7 Acceleration response when displacement excitation at 10 Hz is 2.5 mm

圖8 60 Hz處加速度激勵為2g時加速度響應Fig.8 Acceleration response when the acceleration excitation at 60 Hz is 2g

3 新型鋼絲繩隔振器沖擊特性仿真與試驗研究

3.1 試驗方案

掃頻和定頻試驗表明新型鋼絲繩隔振器保持了其原有的隔振特性，且耐共振能力較強，本節將對新型鋼絲繩隔振器的沖擊特性進行試驗研究[13]。在實際工程中產生的沖擊載荷的波形十分復雜，常用的沖擊波形有矩形波、鋸齒波、半正弦波、三角波、雙半正弦波等[14-15]，根據試驗條件選用能模擬艦船實際沖擊環境的半正弦波進行試驗，半正弦輸入函數為

(2)

式中：ωs為輸入圓頻率；ts為脈寬。新型鋼絲繩隔振器沖擊試驗系統主要包括半正弦跌落試驗機、加速度傳感器、位移傳感器、東華數據采集儀等。跌落試驗機能夠產生沖擊加速度范圍50～30 000 m/s2，脈沖時間0.8～60.0 ms的半正弦波，能夠較好的模擬沖擊環境，考核設備在沖擊環境下功能的可靠性和結構的完好性。跌落試驗機通過波形發生器和高度來調整半正弦波。FHS固定脈寬半正弦波形發生器將工程橡膠硫化在底板上，可以根據不同的硬度和厚度組合得到各種不同的沖擊脈沖寬度；脈沖大小通過調整跌落臺面高度來調整，新型鋼絲繩隔沖系統試驗，如圖9所示。

圖9 新型鋼絲繩隔振器沖擊試驗Fig.9 Shock test of new wire rope isolator

3.2 仿真分析抗沖擊性能

新型鋼絲繩隔振器是由多個部件組裝而成的機械系統，屬于多體動力學領域，故采用ADAMS多體動力學仿真軟件對其進行沖擊仿真。在UG三維軟件中建立新型鋼絲繩隔振器的簡化模型，導入ADAMS中并建立對應結構處的運動副，如圖10所示。其中彈性元件通過彈簧來模擬，將球形鋼絲繩隔振器準靜態壓縮試驗得到的力-位移數據生成樣條曲線賦予彈簧剛度，球形鋼絲繩隔振器準靜態壓縮力-位移曲線，如圖11所示。

圖10 ADAMS模型Fig.10 ADAMS Model

圖11 球形隔振器準靜態壓縮力-位移曲線Fig.11 Quasi-static compressive force-displacement curve of spherical vibration isolator

對模型中相互接觸的部件建立接觸和參數化設置，接觸類型為實體與實體，剛度系數為1×108N/m，力指數為2.2，切入深度為1×10-4m，接觸計算采用沖擊函數法，將試驗時4個工況a，b，c，d的基座的加速度數據生成樣條曲線作為驅動進行仿真，仿真得到的設備加速度響應曲線，如圖12所示。

圖12 不同半正弦波作用時仿真得到的設備加速度響應Fig.12 Simulation of the acceleration response of the device when different half-sine waves act

由表1可以看出：仿真得到的新型鋼絲繩隔振器的沖擊隔離率在82.7%以上，隨著基座加速度的幅值的增加，新型鋼絲繩隔振器的設備沖擊隔離率在逐漸增加，且向上的沖擊隔離率均大于向下的沖擊隔離率，通過ADAMS仿真分析可以看出新型鋼絲繩隔振器具有良好的抗沖擊性能。

表1 不同半正弦波作用時仿真得到的設備響應Tab.1 Simulated device response under different half-sine waves

3.3 沖擊試驗結果分析

3.2節通過ADAMS對新型鋼絲繩隔振器的抗沖擊性能進行了分析，本節將通過試驗分析其抗沖擊性能。將新型鋼絲繩隔振器隔沖系統及相關測量儀器安裝并調試之后便可進行沖擊試驗，通過調整跌落臺高度和波形發生器來改變半正弦波的脈沖和脈寬，試驗與仿真得到的工況a，b，c，d的設備加速度響應對比，如圖13所示。

圖13 不同半正弦波作用時隔沖系統仿真與試驗結果對比Fig.13 Comparison of simulation and test results of isolation system with different half-sine waves

從表2可以看出：在上述4個工況中試驗得到的新型鋼絲繩隔振器設備向下與向上的沖擊隔離率均在82.5%以上，且設備向上沖擊隔離率均大于向下沖擊隔離率，隨著基座加速度幅值的增加，新型鋼絲繩隔振器的沖擊隔離率在逐漸上升，在工況d時沖擊隔離率達到95.5%，沖擊隔離效果優良。在脈沖幅值31.7g脈寬11.4 ms的半正弦波作用時，向上壓縮時的加速度幅值為向下壓縮時的0.65倍，其余工況的向上運動與向下運動的加速度響應比值在0.39～0.65，新型鋼絲繩隔振器即可雙向壓縮的鋼絲繩隔振器有效的改善了傳統鋼絲繩隔振器拉伸性能較差的問題，且沖擊隔離效果較好。

表2 仿真與試驗結果對比Tab.2 Comparison of simulation and test results

仿真與試驗的設備向下加速度幅值誤差均在10%以下，設備向上加速度幅值誤差均在15%以下，沖擊隔離率誤差在1%以下，仿真與試驗結果吻合較好，驗證了新型鋼絲繩隔振器具有優異的抗沖擊性能。

3.4 新型鋼絲繩隔振器力學遲滯模型

鋼絲繩隔振器中的阻尼主要為干摩擦阻尼，干摩擦力滯后于鋼絲繩絲與絲、股與股之間的相對滑移，隨著位移的增加，干摩擦力逐漸增大。鋼絲繩隔振器的力與位移所圍成的封閉曲線代表了所消耗的能量。

新型鋼絲繩隔振器中彈性元件拉伸和壓縮時的力-位移曲線，如圖14所示。位移為正為壓縮階段，其在拉伸和壓縮時呈現不同的力學特性。壓縮時剛度軟化，拉伸時剛度硬化，且在最大位移10 mm處，拉伸時的力為壓縮時的2.5倍，說明圖1鋼絲繩隔振器在浮動平臺試驗中失效的原因是拉伸時鋼絲繩受力過大導致斷裂。

圖14 彈性元件壓縮和拉伸力-位移曲線Fig.14 Elastic element compression and tensile force-displacement curves

通過結構改進后新型鋼絲繩隔振器可實現雙向壓縮的功能，根據鋼絲繩隔振器在壓縮時剛度軟化這一特點將其壓縮時的遲滯曲線定義為雙線性模型[16]，如圖15所示。K1為隔振器在第一階段的剛度，K2為鋼絲繩在軟化后的剛度。通過數據擬合可得新型鋼絲繩隔振器雙線性模型的表達式為式(3)。

圖15 雙線性模型Fig.15 Bilinear model

(3)

新型鋼絲繩隔振器在位移較小時具有較大的剛度，能夠有效支撐設備，在壓縮至一定位移后其剛度減小，能夠吸收更多的沖擊能量，使其具有更好的沖擊隔離效果。雙線性模型能夠較好的描述新型鋼絲繩隔振器的力學遲滯模型。

4 結 論

本文對新型鋼絲繩隔振器進行結構設計并進行振動與沖擊試驗研究，主要得出以下結論：

(1)新型鋼絲繩隔振器的固有頻率約為10.6 Hz，動剛度約為57 606 N/m，不同輸入信號得到的新型鋼絲繩隔振系統的固有頻率略有變化。

(2)由跌落試驗可知新型鋼絲繩隔沖系統的沖擊隔離率在82.5%以上，在脈沖幅值120.9g脈寬3.7 ms的半正弦波作用時，沖擊隔離率達到了95.5%。仿真與試驗結果吻合較好，驗證了新型鋼絲繩隔振器具有較好的抗沖擊性能。

(3)新型鋼絲繩隔振器的力學遲滯模型可簡化為雙線性模型，壓縮時剛度軟化這一特性可有效提高隔離系統的抗沖擊性能。

新型鋼絲繩隔振器即可雙向壓縮鋼絲繩隔振器在保持其原有隔振性能的基礎上，有效的改善了傳統鋼絲繩隔振器拉伸性能差的缺點，對于工程應用有一定的實用價值。