多方向冲击条件下隔振器冲击特性试验研究

陈 辉， 王韶枫， 何 斌， 黄亚平， 杨 军， 杲 涛

(1. 中国船舶科学研究中心九室，江苏 无锡 214082；2. 华东减震器有限公司，江苏 无锡 214000)

多方向冲击条件下隔振器冲击特性试验研究

陈 辉1， 王韶枫2， 何 斌1， 黄亚平1， 杨 军1， 杲 涛1

(1. 中国船舶科学研究中心九室，江苏 无锡 214082；2. 华东减震器有限公司，江苏 无锡 214000)

作用在设备上的冲击载荷往往是多方向的，导致安装在设备上的隔振器同时产生不同方向的大变形。此时，隔振器的冲击特性与实验室单方向冲击条件下获得的试验结果会存在差异。多方向冲击对隔振器冲击特性的影响目前国内外相关研究很少，需要开展一些探索性的工作。为此，使用落锤式冲击机对BE120和EA120两型橡胶隔振器进行两个方向冲击载荷同时作用下的冲击试验研究。试验结果表明，隔振器的冲击刚度与其主轴方向的冲击刚度存在相关性。但由于目前试验样本太少，试验结论并不能代表所有类型隔振器的特性。

隔振器； 多方向冲击； 冲击特性； 冲击试验

图1 某型隔振器横向冲击抗力位移曲线比较Fig.1 Contrast of the force-deflection curve in transverse impact of a isolator

由于输入载荷的多方向性(如地震造成的冲击)或自身安装的偏心、偏转等原因，使设备在使用过程中受到多方向的惯性作用，从而导致安装在设备上的隔振器产生其多个方向的耦合变形。以往的研究表明多方向载荷耦合作用会对隔振器冲击特性造成影响[1]，图1所示为某型隔振器在主轴方向承受不同压缩变形状态下进行横向冲击试验得到的抗力位移曲线(主轴方向承受静态载荷，横向承受冲击载荷)，从图中可以看出，多方向载荷的同时作用使得试验得到的隔振器横向冲击刚度减小了(冲击位移8 mm时，相对偏差约为50%)。那么，实际使用条件下，多方向冲击对隔振器的冲击特性参数影响规律如何；此时隔振器的冲击特性参数与隔振器主轴方向的冲击特性参数是否存在关联。这些问题目前在我国尚未开展研究，国外相关工作开展得也很少，需要开展一些探索性的研究工作。为此，选择BE120和EA120型橡胶隔振器，进行了两型隔振器在两个方向同时冲击作用下的冲击试验研究。试验一方面是要提出合适的测试方法，能够对多方向冲击作用下隔振器的冲击特性参数进行准确测量和试验数据处理；另一方面，分析多方向冲击作用下隔振器动态位移和冲击力之间的关系，为研究隔振器不同方向冲击特性的耦合效应提供试验依据。

1 试验设计

要在实验室条件下完整地复现设备在使用过程中可能受到的冲击情况几乎是不可能的，但简单模拟某几个固定方向冲击的情况还是可以实现的，如在中型冲击机上进行设备的基座、舱壁30°倾斜安装冲击试验[2]。图2所示为中国船舶科学研究中心冲击爆炸试验室利用落锤冲击机进行钢丝绳隔振器倾斜安装冲击特性检测试验的情况[3]，隔振器通过专门设计的安装架固定在冲击锤底部，两个隔振器对称安装，隔振器安装面与冲击锤底面成45°倾角，使用跌落法进行试验[4-6]。试验时隔振器既承受主轴方向的压缩作用，又承受横向的剪切作用，可以满足对隔振器同时提供两个方向冲击载荷的要求。因此，参照图2所示的试验工装设计BE120和EA120型隔振器的安装架，通过冲击锤上的加速度传感器测量冲击锤的加速度响应变化情况，通过位移传感器测量隔振器的变形情况，如图3～图4所示。然后，根据测量参数计算得到冲击特性参数包括冲击刚度、阻尼等进行比较[1，7-9]。

图2 钢丝绳隔振器冲击特性试验图片Fig.2 Picture of shock characteristics tests of wire rope isolates

2 冲击特性参数比较方法

2.1 多方向冲击作用下隔振器受力、变形解耦分析

根据图3所示的试验装置进行隔振器的受力分析，如图5所示，F为冲击输入载荷，F1～F4为对称安装的两只隔振器的抗力，F1、F3为隔振器的轴向压缩抗力，F2、F4为隔振器的横向抗力。由于两个隔振器对称安装，可以认为F1=F3、F2=F4，并最终得到：

2F1cosα+2F2sinα=F

(1)

其中：冲击锤的冲击载荷F可以通过冲击锤的加速度响应计算得到。对于固定的工装，夹角α是已知的。但等式(1)中的F1和F2未知，即隔振器的抗力不能解耦。

根据图3所示的试验装置进行隔振器的变形分析，如图6所示，D为冲击锤的冲击位移，D1～D4为隔振器的变形，D1、D3为隔振器的轴向压缩变形，D2、D4为隔振器的横向变形。与受力分析不同的是，隔振器的变形应满足条件：

D1sinα=D2cosα；D3sinα=D4cosα

当然，由于两个隔振器对称安装D1=D3、D2=D4仍然适用，同时还满足：

D1cosα+D2sinα=D；D3cosα+D4sinα=D

(2)

其中：冲击锤的冲击位移D通过位移计测量得到。因此，从上面的分析可以看出，可以解算出隔振器不同方向变形结果：

D1=Dcosα；D2=Dsinα

(3)

根据上面的分析，对多方向冲击条件下隔振器刚度进行解算。根据冲击锤的冲击响应计算隔振器在冲击锤冲击方向的冲击刚度(计算公式K=F/(2D))，并结合式(1)和(3)，则得到：

图3 隔振器多方向冲击特性试验图片Fig.3 Picture of shock characteristics tests of isolators in the multidirectional shock

图4 隔振器多方向冲击特性试验装置图Fig.4 Sketch of shock characteristics tests of isolators in the multidirectional shock

图5 隔振器的抗力解耦示意图Fig.5 Uncoupled schematic diagram of force of isolators

图6 隔振器的位移解耦示意图Fig.6 Uncoupled schematic diagram of deflection of isolators

(4)

其中：K1为隔振器轴向压缩刚度；K2为隔振器横向剪切刚度。

隔振器的阻尼特性通常由等效粘滞阻尼系数来表示[10]，无需进行解耦分析。

2.2 多方向与单方向冲击作用下的隔振器冲击特性参数比较方法

通过2.1节的分析可知，进行多方向冲击条件下的隔振器冲击特性试验时可以解算出隔振器不同方向的变形结果。因此，可以按如下方法进行多方向与单方向冲击作用下的隔振器冲击特性的比较：

(1)利用变形-抗力关系曲线进行定性比较，步骤如下：

(a)进行多方向冲击载荷隔振器冲击特性试验并解算出隔振器不同主轴方向的变形结果D1、D2；

(d)比较抗力F′与冲击锤冲击位移D的关系曲线及多方向冲击试验得到的抗力F与冲击锤冲击位移D的关系曲线之间的差异。

(2)利用冲击刚度数据进行定量比较，将单向冲击载荷作用下的隔振器冲击刚度代入式(4)并与多方向冲击试验得到的隔振器冲击刚度进行比较。

此外，目前试验给出的阻尼参数为等效线性参数[1，7-9]，并将多次试验得到的阻尼参数平均值作为最终试验结果，因此，可以直接对阻尼参数进行对比。

3 试验结果及对比

3.1 试验结果

实际试验设计了三个工装，分别使隔振器的主轴与冲击锤底面成30°、45°和60°夹角，以考察夹角变化对试验结果的影响。同时，定义隔振器承受主轴方向的压缩和横向单方向冲击时隔振器安装面与冲击锤底面夹角分别为0°和90°，以对比多方向与单方向冲击作用下的隔振器冲击特性参数。典型的试验曲线如图7所示，图7的左侧从上到下分别为

(1) 加速度传感器测量得到的冲击锤加速度响应时程曲线；

(2) 首次碰撞的加速度时程曲线；

(3) 加速度时程信号积分得到的速度时程曲线；

(4) 位移传感器测量得到的位移时程曲线。

图7的右侧是隔振器的动态特性曲线，该曲线以加速度乘以冲击锤质量得到的冲击力数据为纵坐标，以位移传感器得到的变形数据为横坐标。曲线旁边的文字部分表明了试验条件和得到的动态特性参数值[1]。同时，为了便于理论分析，将试验得到的动态特性曲线进行处理得到了隔振器抗力与变形的十等分折线，每段折线的斜率表示隔振器在此变形位移范围内对应的切线刚度。图7右侧下方的表格为十等分折线所对应的位移、抗力、上宽、下宽(即到十等分折线的距离，该力值表示阻尼力)。

图7 隔振器典型冲击试验曲线(EA120隔振器,安装面与冲击锤底面成45°夹角)Fig.7 Typical curve of shock tests of isolators (EA120 isolator, the angle between the mounting surface of isolator and the bottom surface of hammer is 45°)

将试验得到的动态特性曲线进行比较，图8所示为典型的冲击锤不同落高条件下得到的隔振器动态特性曲线。从图中可以看出：

(1) 低落高试验得到的动态特性曲线完全包含在高落高试验得到的动态特性曲线中；

(2) 低落高试验得到的十等分折线与高落高试验得到的十等分折线变化趋势比较接近，部分曲线甚至重合。

因此，可以将各次试验得到的十等分折线进行综合处理，拟合出隔振器不含阻尼力的位移抗力关系公式，见图9，图中的散点为各次试验得到的十等分折线上的数据点。

图8 不同落高条件下隔振器冲击试验曲线比较(EA120隔振器,安装面与冲击锤底面成45°夹角)Fig.8 Contrast of testing curve of isolators in different drop height (EA120 isolator, the angle between the mounting surface of isolator and the bottom surface of hammer is 45°)

3.2 试验结果对比

3.2.1 位移抗力关系曲线比较

通过拟合得到的隔振器的位移抗力曲线如图10所示，为了便于比较，去除了所有位移抗力曲线在冲击力轴上的截距，即所有曲线的起始点位置置于0点。从图10可以看出，两种隔振器尤其是BE120型隔振器在不同安装角条件下的位移抗力曲线并不重合，表明多方向冲击载荷同时作用下对隔振器的冲击特性存在影响。

利用2.2节描述的计算方法，以隔振器安装面与冲击锤底面成0°(轴向压缩)和90°(横向)的试验位移抗力曲线为基准，推算出30°、45°和60°安装角条件下的典型位移抗力曲线与实际试验得到曲线对比见图11。通过图11的比较，从直观上可以判断，多方向冲击载荷同时作用对隔振器的冲击特性是存在影响的，推算曲线与试验曲线之间也存在差异，还需进一步的比较。

图9 隔振器位移抗力曲线拟合(EA120隔振器，安装面与冲击锤底面成45°夹角)Fig．9Fittingoftheforce⁃deflectioncurveofisolators(EA120isolator，theanglebetweenthemountingsurfaceofisolatorandthebottomsurfaceofhammeris45°)图10 隔振器抗力位移曲线比较Fig．10Contrastoftheforce⁃deflectioncurveofisolators

(a)BE120隔振器安装面与 (b)EA120隔振器安装面与 冲击锤底面成45°夹角 冲击锤底面成45°夹角 图11 隔振器冲击抗力位移试验曲线与推算值的比较Fig．11Contrastofthetestingforce⁃deflectioncurveandprojectedvalueofisolators图12 隔振器抗力位移关系拟合(与图9、11相对应)Fig．12Fittingoftheforce⁃deflectioncurveofisolators(Correspondtofig．9andfig．11)

3.2.2 冲击刚度参数比较

通过3.2.1节的比较，从直观上看到了不同安装角条件下试验得到的位移抗力曲线存在的差异。本节通过对上述位移抗力曲线进行拟合处理，得出各条曲线的线性段刚度，然后对线性段刚度数据进行比对，从而得出隔振器冲击参数变化的定量结果。拟合结果见图12和表1，推算得到的曲线刚度可以利用式(4)计算得到，因此不再进行拟合处理(实际拟合结果与计算结果偏差不超过5%)。

以隔振器安装面与冲击锤底面成0°的冲击刚度为基准，对比计算30°、45°和60°安装角条件下的隔振器冲击刚度，见表2。从表2可以看出：

(1)对BE120型隔振器，30°、45°、60°安装角条件下的隔振器冲击刚度与基准刚度值通过简单的计算后相对偏差小于3.0%，但是60°安装角条件下的计算方式与其他两个角度的不一致；

(2)对EA120型隔振器，30°、45°、60°安装角条件下的隔振器冲击刚度与基准刚度值通过简单的计算后相对偏差小于15%，但是各安装角条件下的计算方式均不一致。

表1 隔振器冲击刚度数据列表

因此，以0°安装角的冲击刚度为基准，30°、45°、60°安装角条件下刚度值与基准之间的关系不明确，表明30°、45°、60°安装角条件下的隔振器冲击刚度并不是受0°安装时隔振器冲击刚度的影响。

以隔振器安装面与冲击锤底面成90°的冲击刚度值为基准，对比计算30°、45°和60°安装角条件下的隔振器冲击刚度，见表3。从表3可以看出：

(1)对BE120型隔振器，将90°安装隔振器的冲击刚度乘以夹角的正弦，计算结果与30°、45°和60°安装角条件下的隔振器冲击刚度相对偏差在9.6%以内；

(2)对EA120型隔振器，90°安装隔振器的冲击刚度与30°、45°、60°安装角条件下的隔振器冲击刚度相对偏差在7.2%以内。

表2 隔振器冲击刚度对比表

表3 隔振器冲击刚度对比表

隔振器30°、45°和60°安装角条件下的线性段刚度试验值与推算值的对比见表4。从表4可以看出，多方向冲击条件下BE120型隔振器冲击刚度试验值与推算值最大偏差达到11.8%，而EA120型隔振器达到了33.6%。EA120型隔振器推算得到的冲击刚度与试验值的差异随安装角的增加而逐步减小，表明EA120型隔振器在多方向冲击载荷作用下的冲击刚度受横向剪切刚度的影响更为明显，而并非是两主轴方向冲击刚度的简单叠加，2.1节的推导公式(4)对EA120型隔振器并不适用。

3.2.3 阻尼参数比较

本次试验得到的隔振器阻尼参数见表5。从表5可以看出：

表5 隔振器阻尼参数列表

(1)对BE120型隔振器，30°安装角条件下的隔振器阻尼系数最小，但是考虑阻尼比的计算公式：

(5)

此时隔振器冲击刚度较小(见表1)，相同负载质量条件下阻尼比反大于45°和60°安装角条件；

(2)对EA120型隔振器，30°、45°、60°安装角条件下的隔振器阻尼系数均有所减小，参考阻尼比的计算公式，阻尼比也有所减小；

(3)对比阻尼系数和阻尼数据，各数据之间没有统一的关系可循。

考虑是由于阻尼比和隔振器弹性元件的约束面积及自由面积相关，本身不同方向的阻尼比是不同的，当然不同方向冲击阻尼比是不同的。

4 结 论

通过BE120和EA120两型隔振器的多方向落锤冲击试验，得到了两主轴方向冲击载荷作用下隔振器的冲击特性参数，并得到了如下结论：

(1)隔振器30°、45°和60°安装角条件下的冲击刚度不是两主轴方向冲击刚度的简单线性耦合；

(2)隔振器30°、45°和60°安装角条件下的冲击刚度主要受90°(Y向)安装时隔振器的冲击刚度影响，两者存在正弦关系或比较接近；

(3)隔振器的冲击阻尼参数与隔振器弹性元件的约束面积及自由面积有很大关系，隔振器安装角度发生变化对冲击阻尼参数影响较大。

但是，鉴于目前的工作属于探索性质的，相关工作还有继续深入的必要，如隔振器三个主轴方向冲击作用下的冲击特性试验方法、不同安装角度静刚度与冲击刚度的对应关系、多方向冲击作用下隔振器冲击刚度的耦合效应研究等等。同时，试验样本数太少，试验结论并不能代表所有类型隔振器的特性，此外试验方法对于实际情况由于设备转动惯量的影响还不能进行考虑，还需要进一步完善。

[ 1 ] 何斌,刘建湖,潘建强，等.隔冲元器件非线性冲击特性测量方法精度分析[M]//舰艇水下爆炸试验及冲击分析技术 ，2007： 196-204.

[ 2 ] GJB150.18-86.军用设备环境试验方法 冲击试验[S].

[ 3 ] 唐佳炜.钢丝绳隔振器冲击特性试验检测 [R].中国船舶科学研究中心检测报告，2007-1，2007.

[ 4 ] 黄映云，吴善跃，张煜盛.采用气动式冲击试验机进行隔振器冲击参数测试 [J].船舶力学，2008，12(3)：500-504. HUANG Ying-yun，WU Shan-yue，ZHANG Yu-sheng. Shock parameter measurement of vibration isolator using pneumatic piston shock platform[J].Journal of Ship Mechanics, 2008，12(3)：500-504.

[ 5 ] 陈辉，潘建强，何斌.橡胶隔振器冲击强度试验研究[C]//第十届全国冲击动力学学术会议论文集，2011， 9.

[ 6 ] 束立红，吕志强，黄映云，等.用落锤冲击试验机确定隔振器冲击刚度的新方法[J].振动与冲击，2005，24(4)： 111-114. SHU Li-hong, LÜ Zhi-qiang, HUANG Ying-yun，et al.Method to confirm impact stiffness by drop hammer impact test machine[J]. Journal of Vibration and Shock， 2005，24(4)： 111-114.

[ 7 ] 李国华.缓冲技术研究总结报告 [R].中国船舶科学研究中心科技报告，96186，1996.

[ 8 ] 李国华，赵本立，周康，等.缓冲元件的几个重要参数和它们的测量方法[C]//三省振动学术交流会论文集，1993： 189-198.

[ 9 ] 李国华，冯子钧.冲击法测量橡胶隔振器的动态特性 [C]//第八届全国振动技术交流会论文集，1994.

[10] 林孔勇，金晟娟，梁星宇.橡胶工业手册-第六分册[M].北京：化学工业出版社，1993.

Tests for shock characteristics of isolators under multidirectional shocks

CHEN Hui1, WANG Shao-feng2, HE Bin1，HUANG Ya-ping1, YANG Jun1，GAO Tao1

(1. China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China；2. East China Shock Absorber Co.Ltd，Wuxi 214000，China)

Shock loads imposed on equipments are often multidirectional. At the same time, the isolators installed under equipments have multidirectional distortions. In this condition, the shock characteristics of isolators are different from those of unidirectional shocks in a lab. The references about the influence of multidirectional shocks on shock characteristics of isolators are much less both home and abroad at present, and it is necessary to conduct some groping for this problem. Here, the shock characteristics along two directions of BE120 and EA120 isolators were tested using drop hammer impact test machine. The results showed that the shock stiffnesses of isolators are related to their main axis direction stiffness. The results could not represent the shock features of all types of isolators due to lack of test samples.

isolator; multidirectional shock; shock characteristic; shock test

2012-08-17 修改稿收到日期：2013-05-13

陈辉 男，硕士，高级工程师，1980年9月生

U610.30

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.08.036