金屬減振器過載振動復合環境試驗研究

曹露 王鵬輝 李昊宇 劉凱旋 張建文

金屬減振器過載振動復合環境試驗研究

曹露 王鵬輝 李昊宇 劉凱旋 張建文

（北京強度環境研究所，北京 100076）

導彈和火箭設備在任務剖面內會經歷過載、振動復合環境，嚴重時會影響到關鍵設備正常工作。目前，越來越多的重要設備采用金屬減振器進行振動控制，但金屬減振器具有剛度非線性特征，過載振動復合環境會影響其自身性能。本文研究了金屬減振器力學性能表征方法，通過非線性剛度阻尼系統，研究了過載環境對減振性能的影響。同時，針對某型號彈上設備減振開展了過載振動試驗研究，通過施加力載荷來模擬過載環境下設備慣性力對減振器的影響，試驗表明不同量級的過載環境下，減振系統三方向的諧振頻率升高、減振效果下降。因此，金屬減振器應用在復雜力學環境設備減振時，應充分考慮過載環境的影響，以保障關鍵設備在飛行器發射、再入階段能夠正常工作。

過載振動；振動控制；振動試驗

0 引言

航空、航天設備普遍工作于過載和振動同時作用的復合動態環境中，其內部設備和裝置會受到大過載和高量級振動的復合作用，過載線加速度值可達到6g～30g[1-2]。過載振動復合環境嚴重時會影響關鍵設備正常工作，工程上通常采取安裝減振器的方式來進行設備減振。金屬減振器以金屬橡膠材料為彈性元件，具備在極端的工作環境下性能穩定、抗高低溫、抗腐蝕等優良特性，在航空航天等領域設備減振緩沖防護方面被廣泛應用[3]。國內科研工作者目前在研究金屬減振器在不同簡諧載荷、隨機振動、沖擊及復雜動力學載荷的作用下的減振及抗沖擊效果方面也取得了顯著成果[4-6]。大量研究表明金屬減振器具有明顯的非線性特性[7-8]。因而在過載振動復合的環境下，過載會對金屬減振器性能產生一定影響，這種影響無法在單一振動環境下表現出來。因此，有必要開展金屬減振器過載振動復合環境試驗，研究過載振動對金屬減振器減振性能的影響。本文通過理論分析和過載振動試驗，研究了不同過載量級下，設備與金屬減振器構成的減振系統的性能變化，為協調彈上惡劣的振動力學環境與設備實際能承受的工作環境奠定了基礎。

1 理論研究

1.1 金屬減振器性能表征參數

金屬減振器的力學性能主要表征參數有

圖1 金屬減振器振動傳遞率曲線

1.2 金屬減振器非線性剛度阻尼系統

設備與金屬減振器組成的系統，系統的剛度受振動幅值的影響，為非線性剛度系統，金屬減振器數學模型如圖2所示。

圖2 金屬減振器數學模型

金屬減振器剛度可表達為

設備結構一般為多自由度系統，但按照模態理論解耦后仍可將其變成若干單自由度系統。對于單自由度且具有剛度非線性的減振系統，其運動方程可表示為[12]

與非線性系統相對應的線性系統運動方程為

線性系統的響應幅值可表示為

參照線性系統，該非線性系統的響應幅值可表示為[13]

1.3 過載環境對金屬減振器的影響分析

過載振動環境下，減振器會受到慣性力作用，慣性力的大小跟過載環境的量級和設備質量有關。如圖3所示，設備通過金屬減振器安裝在基座上，減振器為套筒型減振器，雙側安裝，軸對稱結構。圖中X方向對應減振器軸向、Y方向對應減振器徑向。正常狀態下，減振器軸向承載設備的重力mg，減振器徑向不受力。而在過載情況下，減振器受到過載引起的慣性力ma。過載量級越大，金屬減振器受力越大，減振器的變形位移越大。

圖3 設備安裝減振器示意圖

對金屬減振器產品開展靜剛度測試，如圖4所示。

圖4 金屬減振器靜態剛度試驗結果

從靜剛度測試曲線可以看出，4只減振器的靜剛度一致性較好。從走勢看減振器的力—位移曲線并非為單一斜率的直線，而是有明顯的彎曲。在初始受力變形，呈現曲線的斜率（減振器的剛度）隨著變形量的增大逐漸減小，呈現出漸軟特性；在變形量較大時，斜率隨著變形的增大而逐漸增大，呈現出漸硬特性，這說明金屬減振器在工作時具有硬剛度特性。在不同量級的過載環境下，金屬減振器受到不同大小的慣性力，減振器的動剛度特性也會隨之受到影響。由前一節可知，過載振動復合環境下，減振器的位移隨著慣性力的增大而增大，導致減振器的剛度（1+2）變大，系統的諧振頻率w相對于w0向右偏移，減振器的工作頻率范圍(f, +￥)縮小，從而導致減振系統的減振效率下降。

2 試驗設計

為研究不同量級過載狀態下，同一隨機振動條件下金屬減振器的動態性能，開展過載振動試驗。首先需要明確過載環境下設備對金屬減振器的影響。在導彈飛行過程中，金屬減振器會受到設備過載情況下的慣性力ma的作用，在不同量級的加速度環境下，金屬減振器的剛度表現也不同。由于金屬減振器通常為雙側安裝且軸對稱結構，慣性力對減振器同一方向的正負兩個方向影響是一致的。本文開展三個正方向的過載振動試驗。本文通過對設備施加過載環境引起的同等大小的慣性力，來模擬過載環境。設備隨機振動條件見表1。

試驗過程中，通過彈性繩、測力計外部施加不同大小的拉力來模擬不同過載量級對減振器的影響[14]。設計工裝和與設備同質量、同質心位置且有相同接口的配重來開展試驗。為模擬金屬減振器的真實受力情況，在施加外力時，力的方向穿過設備質心并實際過載的方向平行，振動臺上模擬過載振動復合環境試驗示意圖如圖5所示。

圖5 過載振動復合環境試驗系統示意圖

表1 隨機振動條件

圖6 三方向過載振動試驗現場圖

Fig.6 Three-direction overload vibration test photo

將配重通過金屬減振器與工裝進行裝配，再將工裝緊固在振動臺上。試驗時控制點在振動臺臺面和工裝上，測量點在配重質心附近。通過彈性繩、測力計穿過質心，在振動方向上施加等效于不同過載量級的力。如圖6所示，開展過載振動試驗。

3 試驗結果分析

試驗測量數據見表2，從表中數據可看到，在3種不同量級的過載情況下，隨著過載量級增大，減振器三方向的諧振頻率增大，減振效率變小；X向諧振頻率由62.5Hz增大到122.5Hz、Y向諧振頻率由97.5Hz增大到122.5Hz、Z向諧振頻率由100Hz增大到131.2Hz；金屬減振器X方向的減振效率由72.04%降至55.47%、Y方向的減振效率由56.04%降至45.14%；Z方向的減振效率由55.40%降至50.27%。相比無過載環境下的隨機振動，三方向諧振頻率升高、減振效率下降，但減振效率仍在45%以上。其中Y方向沿著重力方向，不施加過載環境時，減振器會受到設備重力的影響，因此在Y方向的正方向施加1g的過載與不施加過載兩種情況，減振器的受力狀態是一致的，這點從二者的諧振頻率和減振效率可以看出。其中X方向在無過載和1g過載環境下，諧振頻率、減振效率比較接近，變化趨勢不明顯；這是由于1g的過載量級對減振器性能的影響較小，且兩次試驗不是同期開展的，試驗結果可能存在一定誤差。

表2 過載振動試驗結果分析

圖7～圖9給出了減振后三方向的振動響應曲線，從圖中可以看出，不同過載量級下，減振系統的響應峰值對應的頻率越來越大，但峰值的大小、響應曲線整體的走向大體上是一致的。

從試驗曲線可以看出，隨著過載量級的增大，減振系統的諧振頻率增大，減振效率下降。這是因為過載環境改變了金屬減振器工作時的受力情況，由于金屬減振器硬剛度特性，導致減振器的動剛度隨著過載量級增大而增大。這說明金屬減振器在過載振動復合環境下減振時應充分考慮到由于過載引起的減振系統頻率特性和減振效率變化。

圖7 X方向過載振動響應曲線

圖8 Y方向過載振動響應曲線

圖9 Z方向過載振動響應曲線

根據試驗研究結果，可以總結出金屬減振器應用在設備過載振動復合環境下減振時應該遵循以下原則

1）在滿足設備頻率管理要求的前提下，減振系統設計的諧振頻率盡可能低，減振效率盡可能高，與減振指標之間充分保留一定余量；

2）選用金屬減振器時，在承載能力滿足要求的前提下，選擇剛度更小的型號。

4 結論

本文通過剛度非線性阻尼系統研究了金屬減振器非線性剛度、阻尼對振動響應的影響。以金屬減振器在某型號彈上設備在過載振動復合環境下的振動控制為對象，采用施加等效過載力的方式模擬過載環境，設計了與設備同質量同質心的配重，開展了過載振動試驗。試驗結果驗證了：在相同振動環境下，過載量級越大，金屬減振器的剛度越大，減振系統的諧振頻率越大，減振效率越低。本文開展的過載振動試驗實施方法和試驗結果可作為后續過載振動復合環境下設備的減振設計參考，使金屬減振器在設備過載振動復合環境下發揮更好的減振作用，實現更高的減振效率。

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Research on Overload Vibration Compound Environment Test of Metal Shock Absorber

CAO Lu WANG Peng-hui LI Hao-yu LIU Kai-xuan ZHANG Jian-wen

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

Missiles and rocket equipment always face a complex environment of overload and vibration in the mission profile. It may affect the normal operation of key equipment in severe cases. At present, more and more important equipment uses metal rubber absorbers for vibration control, but metal rubber absorbers have nonlinear characteristics of stiffness, and the compound environment of overload vibration will affect their own performance. This paper studies the mechanical performance characterization method of metal rubber absorbers. Through the nonlinear stiffness damping system, the influence of overload environment on the vibration reduction performance is studied. At the same time, overload vibration test was carried out for a certain type of missile equipment vibration reduction, and the test method was designed to simulate the effect of inertia force on the shock absorber under overload environment by applying force load. The test showed that under different levels of overload environment, the three-direction resonance frequency of the damping system increased and the effect of vibration reduction was reduced. Therefore, when metal shock absorbers are used to reduce vibration of equipment in complex mechanical environment, the influence of overload environment should be fully considered to ensure the normal operation of key equipment in launch and reentry stage of aircraft.

Overload and vibration; Vibration control; Vibration damping

V416.5

A

1006-3919(2022)02-0042-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2022.02.006

2022-01-08；

2022-02-23

曹露（1994—），女，碩士，工程師，研究方向：減振設計/結構動力學；(100076)北京 9200信箱72分箱.