艦船用大行程鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)的沖擊特性試驗(yàn)研究

劉浩　閆明

摘 要：傳統(tǒng)鋼絲繩隔振器工作行程有限，在沖擊荷載較大時(shí)，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)打底，引發(fā)剛性碰撞現(xiàn)象?；诖耍疚奶岢隽艘环N大行程鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，利用跌落沖擊試驗(yàn)，從沖擊激勵(lì)幅值、脈寬兩方面驗(yàn)證該方案的可行性，并探究其沖擊特性規(guī)律。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，不同沖擊激勵(lì)幅值條件下，系統(tǒng)的緩沖性能較好，沖擊隔離率隨輸入激勵(lì)峰值的增大有所衰減;不同激勵(lì)脈寬條件下，系統(tǒng)響應(yīng)具有較好的一致性，沖擊隔離率與激勵(lì)脈寬度呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：鋼絲繩隔振器;緩沖性能;沖擊試驗(yàn);沖擊隔離

中圖分類(lèi)號(hào)：TB535.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）06-0075-03

Experimental Research on Impact Characteristics of Ship's

Large-stroke Wire Rope Vibration Isolation and Buffer System

LIU Hao YAN Ming

（School of Mechanical Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870）

Abstract： The traditional wire rope vibration isolator has a limited working stroke， and when the impact load is large， it is easy to cause the bottom of the structure and cause the phenomenon of rigid collision. Based on the above， this paper proposed a design scheme of a large-stroke wire rope vibration isolation and buffer system， and used the drop impact test to verify the feasibility of the scheme from the impact excitation amplitude and pulse width， and explore its impact characteristics. The shock test results show that under different shock excitation amplitude conditions， the buffer performance of the system is better， and the shock isolation rate attenuates with the increase of the input excitation peak value; under different excitation pulse width conditions， the system response has good consistency， and the impact isolation rate is negatively correlated with the excitation pulse width.

Keywords： wire rope vibration isolator;cushioning performance;impact test;impact isolation

一直以來(lái)，艦船設(shè)備所處的工作環(huán)境十分復(fù)雜，在沖擊荷載作用下，設(shè)備電氣部件的抗沖擊能力較弱，易發(fā)生沖擊損傷，出現(xiàn)設(shè)備失靈、損毀等使用性能降低的情況[1]。為保證復(fù)雜沖擊環(huán)境下艦船設(shè)備抗沖擊防護(hù)能力，本文結(jié)合常見(jiàn)的鋼絲繩隔振器，設(shè)計(jì)鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)[2-3]。

傳統(tǒng)鋼絲繩隔振器在較大沖擊激勵(lì)下沒(méi)有足夠的工作行程來(lái)保證系統(tǒng)在緩沖過(guò)程中始終做彈性運(yùn)動(dòng)，鋼絲繩隔振器易因行程不足導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的打底，發(fā)生剛性碰撞現(xiàn)象[4]。本文以大行程鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)系統(tǒng)在不同沖擊激勵(lì)幅值、脈寬條件下的沖擊特性規(guī)律進(jìn)行探究，并通過(guò)跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)系統(tǒng)沖擊響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析，為鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)參考。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及試驗(yàn)方法

鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)主體部分由艦船設(shè)備電氣部件、沖擊隔離部件、輔助固定裝置以及基座組成。其垂向沖擊荷載由基座、沖擊隔離部件和輔助固定裝置進(jìn)行傳遞，其能夠在實(shí)現(xiàn)沖擊隔離的同時(shí)具有一定的隔振限位功能，滿(mǎn)足設(shè)備沖擊防護(hù)的基本要求。

系統(tǒng)采用鋼絲繩作為沖擊隔離部件，主要承受縱向沖擊荷載。較大的工作行程使得系統(tǒng)在承受縱向沖擊荷載的同時(shí)也可以承受橫向沖擊荷載，更有利于對(duì)艦船設(shè)備電氣部件進(jìn)行限位，各個(gè)方向均具有良好的隔離系統(tǒng)沖擊防護(hù)性能[5]。安裝基座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可與其他艦船設(shè)備安裝位置疊加，整體結(jié)構(gòu)一體性好且重心較低，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

隔振緩沖系統(tǒng)沖擊試驗(yàn)方案根據(jù)《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第18部分：沖擊試驗(yàn)》（GJB 150.18A—2009）制定，沖擊試驗(yàn)采用規(guī)定脈沖波形法產(chǎn)生沖擊輸入工況，針對(duì)輸入激勵(lì)的脈沖幅值、脈沖寬度的變化展開(kāi)定量分析。沖擊試驗(yàn)主要設(shè)備包括跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)、待測(cè)試的隔振緩沖系統(tǒng)試驗(yàn)裝置、加速度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及工控機(jī)等。沖擊試驗(yàn)裝置所需的輸入沖擊激勵(lì)由跌落式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生，其間選用2個(gè)壓電式加速度傳感器測(cè)量沖擊臺(tái)面輸入激勵(lì)的加速度信號(hào)和試驗(yàn)裝置加速度響應(yīng)信號(hào)，使用數(shù)據(jù)采集儀采集加速度傳感器測(cè)量到的沖擊信號(hào)，并通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)過(guò)程。

2 系統(tǒng)隔振緩沖性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

系統(tǒng)的輸入沖擊激勵(lì)經(jīng)過(guò)隔振緩沖部件傳遞后將發(fā)生沖擊能量的衰減，沖擊隔離率表征的就是系統(tǒng)衰減的加速度幅值占系統(tǒng)輸入激勵(lì)幅值的百分比，沖擊隔離率根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算。沖擊隔離率越大，說(shuō)明隔振緩沖性能越好[6]。

[η=1-AmaxAi×100%]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Amax]為系統(tǒng)響應(yīng)加速度幅值;[Ai]為沖擊激勵(lì)加速度幅值。

在一個(gè)給定的隔振緩沖系統(tǒng)中，阻尼大小未知，人們可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量相差一個(gè)周期的兩個(gè)相鄰加速度幅值[A1]和[A2]，如式（2）所示，對(duì)其比值取自然對(duì)數(shù)，得到其對(duì)數(shù)衰減系數(shù)[δ][6]。

[δ=1mln（A1Am+1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[A1]和[Am+1]分別為[t1]時(shí)刻和[tm+1]時(shí)刻的加速度幅值。

根據(jù)式（3），人們可以求出鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)的阻尼比[ξ]。

[ξ=δ（4π2+δ2）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

3 沖擊試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同輸入激勵(lì)幅值條件下的沖擊試驗(yàn)

研究人員依據(jù)試驗(yàn)方案調(diào)整工況，使得輸入激勵(lì)脈寬固定在10 ms，激勵(lì)峰值分別為20、30、40、50、60、70、80 g，1 g=9.8 m/s2，然后進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。下面根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制輸入與響應(yīng)加速度曲線及沖擊隔離率曲線，如圖1、圖2所示。輸入激勵(lì)與系統(tǒng)加速度響應(yīng)幅值均呈線性增大，沖擊隔離率隨著輸入激勵(lì)峰值的增大呈明顯的降低趨勢(shì)。在激勵(lì)幅值較小時(shí)，沖擊隔離率幾乎呈線性減小趨勢(shì)，而當(dāng)激勵(lì)峰值較大時(shí)，沖擊隔離率變化趨勢(shì)平緩卻又有所提高，這反映出鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)較為明顯的剛度軟化特性。

3.2 不同輸入激勵(lì)脈寬條件下的沖擊試驗(yàn)

研究人員依據(jù)試驗(yàn)方案調(diào)整工況，進(jìn)行固定激勵(lì)峰值為30 g，激勵(lì)脈寬分別為8、10、12、14、18 ms的沖擊試驗(yàn)。下面根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制輸入與響應(yīng)加速度曲線及沖擊隔離率曲線，如圖4和圖5所示。在不同沖擊激勵(lì)脈寬條件下，加速度響應(yīng)結(jié)果較為相似。沖擊隔離率隨激勵(lì)脈寬增大而減小，沖擊激勵(lì)脈寬對(duì)沖擊隔離率的影響同樣不容忽略。

下面選取3組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。不同激勵(lì)脈寬條件下，系統(tǒng)響應(yīng)趨勢(shì)具有較好的相似性，加速度響應(yīng)幅值隨激勵(lì)脈寬的增大有所增大，經(jīng)過(guò)5個(gè)周期的震蕩后，系統(tǒng)趨近穩(wěn)定，沖擊激勵(lì)衰減為零，所需的時(shí)間未明顯增加。

研究人員結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（2）和式（3），計(jì)算系統(tǒng)對(duì)數(shù)衰減系數(shù)及阻尼比，結(jié)果如表1所示。

計(jì)算結(jié)果表明，鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)對(duì)數(shù)衰減系數(shù)較大且阻尼比適中，系統(tǒng)輸入激勵(lì)在振蕩周期中衰減明顯，系統(tǒng)可在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

4 結(jié)論

在不同輸入激勵(lì)幅值的條件下，鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)響應(yīng)幅值隨激勵(lì)峰值的增大而逐漸增大，系統(tǒng)較大的工作壓縮行程有效地提高了沖擊激勵(lì)較大時(shí)的抗沖擊性能。在不同輸入激勵(lì)脈寬的條件下，其響應(yīng)幅值隨激勵(lì)脈寬的增大而逐漸增大，沖擊隔離率與激勵(lì)脈寬呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。沖擊激勵(lì)峰值增大時(shí)，單個(gè)振蕩周期變長(zhǎng)，每個(gè)周期內(nèi)激勵(lì)衰減幅度變大，整個(gè)系統(tǒng)受激勵(lì)作用后，趨于平穩(wěn)的總時(shí)間有所增加。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，大行程鋼絲繩隔振緩沖系統(tǒng)具有較好的抗沖擊特性，起到了必要的沖擊防護(hù)作用。

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