液壓限位隔離系統沖擊響應特性研究

劉海超，閆 明，張春輝，劉慧芳

（1.沈陽工業大學機械工程學院，遼寧 沈陽 1108702；2.海軍研究院，北京100161）

1 引言

艦船在作戰中難免遭受水雷、魚雷等敵方武器的攻擊，由此產生的水下非接觸爆炸沖擊載荷可能會造成艦船設備的大面積失效，導致艦艇喪失戰斗力和生命力[1-2]，因此設備是限制艦船抗沖擊能力的薄弱環節。目前，各國海軍普遍采用在船體和設備之間添加隔離器的方法，既能降低設備的振動和噪聲也能增強設備的抗沖擊能力。隔離系統的固有頻率一般都較低，因此受到沖擊時，設備的加速度響應都不大，但設備相對船體的位移卻較大，可能會超過設備與外界聯接部件（比如聯軸器、撓性接管等）的允許值，也可能會超過了隔離元件本身的變形范圍，因此，常在設備上安裝限位器來降低設備的相對位移[3-4]。但是，一旦限位參數不匹配，極易造成更為劇烈的二次沖擊問題[5]。

為提高艦載設備的抗沖擊性能，國內外學者對帶限位隔離系統進行了深入的研究。文獻[6]通過一系列帶間隙彈簧單元的疊加模擬限位器的非線性剛度和限位器間隙，并通過限位艦用管道系統的算例進行沖擊響應特性分析。文獻[7]利用偽力法分析了限位器參數對帶限位器浮筏隔振系統模型沖擊響應的影響，并加以試驗驗證。文獻[8-10]分別利用不同的仿真軟件建立帶限位隔離系統的計算模型，分析了限位器數對沖擊響應的影響，并提出了限位器參數的初步設計方法。以上研究為限位器的設計提供了一定的理論基礎，但都忽略了限位器阻尼對隔離系統沖擊響應的影響。文獻[11]考慮了限位器阻尼因素，利用分段線性杜哈梅積分對雙限位隔離系統沖擊方程進行解析求解，進一步分析限位器參數對沖擊響應的影響，并通過多島遺傳算法優化了限位器參數。但傳統彈性限位器多采用橡膠或聚氨酯等超彈性材料，一旦被隔離設備碰撞限位器，由于加速度的突變以及彈性變形必然引起更為劇烈的二次沖擊造成艦載設備的損壞。

因此，需要一種反應靈敏、能耗高，緩沖效果好的限位裝置代替傳統限位器，而液壓緩沖器具有以上全部優良特性并已經被廣泛應用在了飛機起落架抗沖、火炮緩沖、建筑物抗震等多個領域[12]。所以這里首次提出將液壓緩沖器引入艦載設備的隔離系統中充當限位裝置，建立基于了AMESim的仿真計算模型，分析了液壓緩沖器阻尼孔孔徑對隔離系統沖擊響應的影響，然后對液壓限位與橡膠限位隔離系統沖擊響應特性進行了對比分析，并加以試驗驗證，旨在為帶限位隔離系統設計提供新的思路與方向。

2 液壓限位隔離系統模型構建

2.1 物理模型

液壓限位隔離系統物理模型，如圖1 所示。主要結構由基座、彈簧隔離器、液壓限位器和被隔離設備四個部分組成。其中，彈簧隔離器上下兩端分別與設備和基座相連，起到了支撐、隔振的作用，被動式液壓緩沖器與彈簧隔離器并聯于設備和基座之間，當沖擊激勵作用在基座上，被隔離設備開始快速運動，此時，液壓限位器通過節流孔的節流作用產生較大的阻尼力，能夠快速消耗系統中的能量，對被隔離設備起到較好的緩沖和限位的效果。

圖1 液壓限位隔離系統的物理模型Fig.1 Physical Model of Hydraulic Limit Isolation System

2.2 沖擊載荷

根據德國軍標BV043-85的相關規定，用圖2所示的正負雙半正弦波表示水下非接觸爆炸沖擊載荷，圖中橫坐標為時間，縱坐標為加速度，V1、V2分別代表正、負波速度，A1、A2分別代表正、負波加速度峰值，t1、t2分別代表正、負波沖擊時間。

圖2 沖擊載荷Fig.2 The Shock Load

根據艦載設備的抗沖擊要求以及目前國內各科研院所沖擊試驗機沖擊激勵的載荷范圍，這里參照圖2 選取A1= 110g；A2=44g；t1=5.0ms；t2=12.5ms的正負雙半正弦波作為輸入沖擊載荷。

2.3 基于AMESim仿真計算模型

AMESim是一個多學科領域復雜系統建模與仿真平臺，通過創建和運行多物理場仿真模型來分析復雜的系統特性，所以基于AMESim的建模與仿真是液壓系統特性分析的重要手段之一[13]。

因此，為了更好地分析液壓限位隔離系統沖擊響應特性，這里建立了基于AMESim的液壓限位隔離系統仿真計算模型，如圖3所示。

圖3 基于AMESim的仿真計算模型Fig.3 Simulation Calculation Model Based on AMESim

該模型主要由信號源、彈簧隔離器、液壓限位器和被隔離設備四部分組成。其中，信號源即信號發生裝置，是通過AMESim中的二次開發功能對輸入信號進行編譯，使其能夠實現正負雙半正弦波沖擊激勵信號的加載；彈簧隔離器選用機械庫中的彈簧-阻尼模型來模擬其剛度和阻尼特性；液壓限位器主要通過HCD庫中兩個BRP18模型組合成液壓限位器的主體部分，并通過液壓庫中的HYDORG1模型來模擬液壓限位器中的阻尼孔，由二者共同構成了雙出桿孔隙式液壓限位器模型；同時選用機械庫中的MAS31元件來模擬被隔離設備的質量。由此組成了完整的液壓限位隔離系統仿真模型。

為了便于沖擊仿真計算以及設計試驗裝置進行相關試驗的驗證，故采用艦載設備的縮比模型，其質量為8kg，與之匹配的彈簧隔離器參數和液壓緩沖器參數，如表1所示。

表1 仿真計算參數Tab.1 Simulation Calculation Parameters

3 液壓限位隔離系統沖擊響應分析

液壓緩沖器的工作原理是利用粘滯液體通過阻尼孔產生的阻尼力來吸收并消耗系統中的沖擊能量，進而達到減小系統沖擊響應峰值的目的。由文獻[14]可知，對于雙出桿孔隙式液壓緩沖器來說，阻尼孔孔徑是影響液壓緩沖器阻尼系數的最重要參數，因此，首先分析了阻尼孔孔經對液壓限位隔振系統沖擊響應的影響。其次，為了進一步說明采用液壓緩沖器充當限位器時，隔離系統具有的優良特性，對比分析了液壓限位和傳統橡膠限位隔離系統的沖擊響應特性。

同時，對于限位的隔離系統來說，通常要求在保證被隔離設備的相對位移不超過極限位移的同時盡可能降低其加速度響應峰值，因此，這里采用式（1）所示加速度隔沖率η來衡量隔離系統的抗沖擊能力[15]，其加速度隔沖率越大，系統的抗沖擊能力越強。

式中：Ai—加速度輸入峰值；Am—加速度輸出峰值。

3.1 阻尼孔孔徑對沖擊響應的影響

選取液壓缸的直徑為30mm，阻尼孔孔徑在（1～8）mm變化，其他參數同表1，對液壓限位隔振系統施加如圖2所示的沖擊載荷，分析液壓限位器阻尼孔孔徑對隔離系統沖擊響應的影響。

隔離系統相對位移響應、加速度響應隨阻尼孔孔徑變化規律曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 相對位移響應曲線Fig.4 Relative Displacement Response Curve

圖5 加速度響應曲線Fig.5 Acceleration Response Curve

由圖4、圖5可知：當阻尼孔孔徑d1＞5mm時，雖然加速響應峰值低于40g，但相對位移響應峰值高于16mm，可能已經超出了隔離系統所允許的極限位移，同時，隔離系統一直振蕩，進入穩定狀態用時較長，說明此時液壓限位器的阻尼系數較小，緩沖、限位能力較差；當阻尼孔孔徑d1＜3mm時，相對位移響應峰值較小，低于9mm，但此時加速度響應峰值高較大，甚至遠遠超過了沖擊激勵正波峰值110g，加速度隔沖率出現負值，這說明此時隔離系統抗沖擊能力極差；當阻尼孔孔徑3≤d1≤5mm 時，相對位移響應峰值在（9～16）mm 之間，加速度響應峰值范圍在（40～80）g之間，當阻尼孔孔徑為4mm時，加速度隔沖率為47.50%，同時系統振蕩次數減少，快速恢復到了穩定狀態，此時液壓限位隔離系統具有最佳沖擊響應特性。

綜上所述，隨著阻尼孔由大到小，雖然隔離系統的相對位移響應峰值迅速減小，但其加速度響應驟然增大，加速度隔沖率會迅速下降。因此，對于具有額定負載的隔離系統，并非阻尼孔孔徑越小，阻尼系數越大，液壓限位隔離系統的抗沖擊性能越好，而是存在一個最優阻尼孔區間，在該區間內，不僅能夠有效的限制相對位移響應峰值，而且使隔離系統具有較好的抗沖擊性能。

3.2 液壓與橡膠限位隔離系統沖擊響應對比分析

為了更好地對比分析液壓限位與橡膠限位隔離系統的沖擊響應特性，選擇液壓緩沖器阻尼孔孔徑為4mm，其他參數同表1，橡膠限位器材料選擇艦載設備限位器常用的丁晴膠，其阻尼比為0.06，同時，通過調整橡膠限位器的剛度，在保證液壓限位與橡膠限位隔離系統相對位移響應峰值相同時，對比二者的加速度響應特性。通過調整最終橡膠限位器的剛度為1000N/mm。相對位移響應和加速度響應曲線，如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可知，隔離系統的響應過程主要分為沖擊載荷作用階段和自由振動階段。同時在相同的沖擊載荷作用下，無限位隔離系統最大相對位移響應幅值為28.78mm，最大加速度響應幅值為14.39g,加速度隔沖率為86.92%；橡膠限位隔離系統最大響應幅值出現在沖擊載荷作用階段的第二個峰值，最大相對位移響應幅值為13.73mm，最大加速度響應為164.80g，加速度峰值大于沖擊激勵的110g，加速度隔沖率為負值，隔沖性能較差；液壓限位隔離系統最大響應幅值出現在沖擊載荷作用階段的第一個峰值，最大相對位移響應為13.70mm，最大加速度響應幅值為57.75g，加速度隔沖率為47.50%。

圖6 相對位移響應曲線Fig.6 Relative Displacement Response Curve

圖7 加速度響應曲線Fig.7 Acceleration Response Curve

與無限位隔離系統相比，使用限位器能夠使隔離系統的相對位移響應降低50%以上，這說明限位裝置確實起到了很好的限位作用。但是在降低相對位移響應的同時，橡膠限位會導致加速度響應驟然上升，甚至遠遠超過了沖擊加載，加速度隔沖率出現負值，導致隔離系統的抗沖擊性能大幅降低；而液壓限位雖然也會導致加速度響應略有升高，但是加速度隔沖率依舊在45%以上，滿足隔離系統的隔沖要求。與橡膠限位隔離系統相比，在相對位移響應近似一致的前提下，液壓限位隔離系統的加速度響應幅值降低了65%，同時加速度響應在第一個波峰出現最大值，隨后迅速衰減，恢復平衡狀態，這說明采用液壓限位不僅能夠有效限制相對位移響應，而且改善了橡膠限位造成的二次沖擊問題，大幅提高了隔離系統的抗沖擊能力。

4 沖擊試驗與仿真計算對比分析

4.1 試驗裝置簡介

為了驗證上述仿真計算規律的正確性，設計的液壓限位和橡膠限位隔離系統的試驗裝置，如圖8所示。并采用某科研院所研制的500kg垂向雙波沖擊試驗機進行沖擊試驗驗證，帶限位隔離系統實驗裝置在沖擊試驗臺上的安裝分布圖，如圖9所示。分別通過位移傳感器和加速度傳感器分別采集質量塊（被隔離設備）上的相對位移響應和加速度響應。

圖8 限位隔離系統試驗裝置Fig.8 Limit Isolation System Test Device

圖9 試驗裝置布局圖Fig.9 Test Device Layout

4.2 試驗結果分析

調整試驗裝置各部分參數同仿真計算參數一致，通過垂向雙波沖擊試驗機施加與仿真相同的沖擊激勵進行沖擊試驗驗證。無限位、橡膠限位以及液壓限位隔離系統的仿真計算與試驗測量的加速度響應時域歷程曲線對比結果，如圖10～圖12所示。

圖10 無限位隔離系統試驗與仿真對比曲線Fig.10 Infinite Isolation System Test and Simulation Comparison Curve

圖11 橡膠限位隔離系統試驗與仿真對比曲線Fig.11 Test and Simulation Comparison Curve of Rubber Limit Isolation System

圖12 液壓限位隔離系統試驗與仿真對比曲線Fig.12 Test Device Layout Test and Simulation Comparison Curve of Hydraulic Limit Isolation System

由圖10～圖12可知，無限位、橡膠限位以及液壓限位隔離系統仿真計算與試驗測得的加速度響應時域歷程曲線具有較好的一致性，同時，試驗測得的三種隔離系統的加速度響應依次是14.72g、169.17g和60.32g，仿真計算誤差依次為2.24%、2.58%和4.26%，均在誤差允許范圍內。通過上述試驗數據與仿真計算時域曲線對比分析可知，仿真計算規律具有一定可靠性與準確性，能夠較為真實地反應出三種隔離系統的沖擊響應的動態特性，進而證明了采用液壓緩沖器充當隔離系統限位裝置，不僅能有效限制被隔離設備的相對位移響應，而且相對橡膠限位，在相對位移一致的條件下，能將加速度響應降低65%以上，改善了橡膠限位引起的二次沖擊問題，大幅提高了隔離系統的抗沖擊性能。

5 結論

首先將液壓緩沖器引入艦載設備用的隔離系統中充當限位裝置，建立了基于AMESim的液壓限位隔離系統仿真計算模型，分析了阻尼孔孔徑對隔離系統沖擊響應的影響，然后對比分析了液壓限位與橡膠限位隔離系統沖擊響應特性，最后通過沖擊試驗加以驗證，得出以下結論：（1）在液壓限位隔離系統中，對于任意一額定負載，并非阻尼孔越小，隔離系統的沖擊響應特性越好，而是存在一個最佳阻尼孔，即最優阻尼系數，在該阻尼孔條件下，隔離系統才會具有良好的限位、隔沖性能。（2）與橡膠限位隔離系統相比，采用合理的液壓限位器，不僅能夠有效限制隔離系統的相對位移響應，而且能夠在保證相對位移響應一致的條件下，將加速度響應幅值降低65%以上，同時隔離系統的隔沖率在45%以上，大幅提高了限位隔離系統的抗沖擊性能。（3）液壓緩沖器具有較大的阻尼系數，在沖擊作用時，由于沖擊瞬間速度較快，緩沖器阻尼力較大，起到了很好地限位效果；在自由振動階段，由于粘滯阻尼的作用，能夠快速吸收并消耗系統中的能量，使其恢復穩定狀態。因此，合理的液壓限位隔離系統的最大加速度響應均出現在第一個波峰，這樣有效改善了傳統橡膠限位隔離系統中二次沖擊對被隔離設備造成的損壞。

綜上，將液壓緩沖器引入隔離系統充當限位器能夠大幅提高其隔振抗沖擊性能，因此，設計出適合艦載設備用的液壓限位器具有重大的研究意義與廣泛的應用前景。