橡胶隔振器冲击特性的试验研究

李海涛，李 佳，贺 华，丁 炜

(上海船舶设备研究所，上海 200031)

橡胶隔振器冲击特性的试验研究

李海涛，李 佳，贺 华，丁 炜

(上海船舶设备研究所，上海 200031)

应用落锤冲击机的试验方法，研究KBX-2000型橡胶隔振器在不同落锤高度下的冲击力随位移变化曲线，并且结合隔振器的静态试验数据，探寻隔振器冲击力随位移变化曲线与静态力随位移变化曲线之间的关系。通过对比分析试验结果发现，KBX-2000型隔振器在小变形情况下表现出等刚度特性，而在大变形情况下则呈现出渐硬的非线性。随着冲击输入的增加，大冲击载荷下的冲击力随位移变化曲线能较好地包络小冲击载荷下的冲击力随位移变化曲线。隔振器的冲击力随位移变化特性与静态力随位移变化特性可模拟为分段的多元函数，这对于抗冲击的设计项目中具有一定的参考意义。

振动与波；橡胶隔振器；冲击特性；落锤

为了隔离船用机电设备的振动，橡胶隔振器已被广泛的应用，然而在许多情况下，既需要消除船用机电设备的振动影响，还需要隔离船体对机电设备的冲击影响。因此，研究隔振器在冲击条件下的隔冲特性对船用机电设备的抗冲击就显得很有必要。

与振动环境不同，隔振器在冲击载荷下的变形情况非常复杂。实验表明，橡胶隔振器的冲击特性表现出非常强的非线性，不同的橡胶隔振器在较大冲击变形下，会出现刚度渐软或渐硬的现象[1]。对于隔振器的冲击刚度的试验研究方法目前主要是采用轻气炮技术、落锤冲击机与力锤敲击法，其中前两种试验方法主要是针对大载荷隔振器的冲击刚度试验，而力锤敲击法则主要应用于小载荷隔振器的冲击刚度试验[2-4]。由于冲击作用时间短暂，冲击输入往往在系统响应还未达到最大值就结束了，之后则是系统的自由衰减过程。所以，目前对于隔振器在冲击环境下的非线性响应特性仍然没有一个合理的描述。有些学者结合橡胶隔振器冲击试验数据，在考虑了非线性阻尼影响下，建立了多参数非线性响应力参数模型，来描述冲击响应力与位移的关系[5]。

本文应用落锤冲击机的试验方法，研究了KBX-2000型橡胶隔振器在不同落锤高度下的冲击力随位移变化曲线，并且结合隔振器的静态试验数据，探寻隔振器冲击力随位移变化曲线与静态力随位移变化曲线之间的关系，并且提出了一种采用线性函数分段拟合同等位移条件下的冲击力与静态力关系的新思路。

图1 KBX-2000型橡胶隔振器

1 隔振器的静态性能试验及分析

对于橡胶隔振器，橡胶件的本构关系十分复杂，橡胶是一种各向同性、几乎不可压缩材料，其在大变形下的非线性特性可以用超弹性本构模型描述，特点是在小变形过程中，橡胶材料的弹性模量E近似为常数。然而，随着应力不断增加，橡胶的弹性模量E会显现出很强的非线性特性。

KBX-2000型橡胶隔振器的额定载荷为20 kN，工程上通常用15倍额定载荷做等效静载来考核隔振器的冲击刚度。在压缩试验中将隔振器匀速加载压缩至15倍额定载荷，加载速度≤5 mm/min，如图1。得到其大变形过程中的静态力—变形曲线，如图2所示。

KBX-2000型隔振器的静刚度特性可由静态力随位移的变化曲线（图2）来描述。隔振器在2倍额定载荷内，静刚度呈现线性，主要是因为在小变形情况下KBX-2000型隔振器内橡胶件主要发生剪切变形，而在两倍载荷以上的大变形情况下，隔振器内橡胶件的变形主要以压缩变形为主，静刚度呈现渐硬的非线性。所以KBX-2000型隔振器在额定载荷的情况下，会呈现出等刚度的特性，而在超过2倍额定载荷的情况下会呈现出渐硬的静刚度特性。

图2 KBX-2000型橡胶隔振器的静刚度曲线

2 隔振器的冲击性能试验及分析

2.1 隔振器冲击试验

对于小载荷隔振器的冲击试验可以采用锤击法测量其冲击刚度[3]；对于大载荷隔振器的冲击刚度试验可以采用落锤冲击法。设备采用落锤式冲击试验机，其结构如图3所示。落锤冲击试验因装置结构简单,操作方便,现已成为在隔振器冲击性能研究领域中重要的手段。尽管冲击过程中存在着“回弹”，波形成为断续的脉冲,但质量块在空中运动中能量损失很小，可以用适当的方法把它们组合成连续波形，以致能以成熟的振动分析技术进行数据处理[6]。

图3 落锤式冲击试验机结构简图

试验时，隔振器通过工装件安装板固定在落锤下，通过电磁作用将落锤与电磁释放阀固定，利用电机将整个落锤提升到试验预定高度，然后断电释放落锤使其自由下落，隔振器和落锤一起自由下落到基础上。在落锤上方安装四个冲击型电荷加速度传感器，可以测量整个冲击过程的加速度变化情况，如图4所示。由测得的加速度积分得到落锤冲击速度和冲击位移，并推算得到隔振器受到的冲击力F(t)，此外，在远处布置高速摄影机用作为辅助测量。测量系统包括电荷型加速度传感器、电荷放大器、数据采集仪与电脑，如图5所示。其中加速度传感器选用ENDEVCO 2225型传感器，电荷放大器采用B&K 3050-A-6/0型放大器，数据采集系统采用LMS SCM 05数据采集分析系统。

图4 冲击试验安装图

图5 试验仪器图

试验时，首先以最低落锤落高进行试验，检测隔振器的变形情况，然后逐步增加落锤高度至最高落差，可获得不同落高下的冲击输入加速度值与冲击速度。参考隔振器静态性能曲线（图2），承载15倍额定载荷时，隔振器的变形约为18 mm，而45 cm落锤高度的冲击工况中隔振器最大压缩变形已达到18.5 mm，为避免隔振器发生冲击损伤而影响试验结果的准确性，故不再进行落锤高度超过45 cm的试验。

表1 隔振器垂向压缩冲击试验工况表

2.2 隔振器冲击特性

由于隔振器冲击作用的短暂性，所以重点研究隔振器在冲击载荷作用下由初始碰撞位置达到最大位移，再次回到初始碰撞位置这半个周期阶段，在该时段内由于冲击作用的高加载速率，隔振器特性表现为冲击特性。

在隔振器与基础面碰撞的半个周期内，落锤受到自身的重力mg以及隔振器对落锤的冲击反力F(t)，规定垂直向下为正向，得到式（1）

其中m为落锤质量，g为重力加速度，a为测得的落锤冲击加速度，H为落锤高度。此处冲击反力F(t)即为隔振器在冲击过程中受到的冲击力。

在隔振器冲击初始，隔振器的底板与试验机基础接触时产生了大量的高频分量，对加速度数据进行低通滤波，截止频率选为300 Hz，图6为不同落锤高度下，隔振器冲击加速度的典型动态特性曲线。根据式（2）可以计算不同落高下接触时隔振器的初始速度，从而对加速度进行积分求得整个碰撞过程的速度变化曲线，如图7。对速度曲线进行积分可以得到整个碰撞过程的位移变化曲线，如图8。根据加速度曲线与位移曲线与式（1）可以得到整个碰撞过程的冲击力随位移关系曲线，如图9。

图6 首次碰撞的加速度时程曲线

图7 积分得到的速度时程曲线

从图9可以看出，随着落锤高度增加、冲击输入逐渐增大，大冲击载荷下的冲击力随位移的变化曲线能较好地包络小冲击载荷下的冲击力随位移的变化曲线。考虑到提供的隔振器冲击力随位移变化特性应能适应实船冲击环境条件，并满足非线性冲击响应计算的需要，应尽量提高冲击输入载荷。因此，用大冲击输入载荷获得的力随变形曲线来描述隔振器的冲击特性。

图8 积分得到的位移时程曲线

图9 冲击力随位移的变化曲线

KBX-2000型隔振器的冲击特性曲线可由大冲击输入试验（45 cm落锤高度）获得的冲击力随位移的变化曲线来描述，并且结合静态力随位移的变化曲线，经对比分析发现，KBX-2000型隔振器的冲击刚度特性与其大变形下的静刚度特性相同，均呈现非线性渐硬趋势。

3 冲击特性与静态特性的关系

根据图10，KBX-2000型隔振器的静态力与冲击力随位移变化的趋势是一致的，并且在大变形的情况下均是表现出渐硬的非线性，在小变形的情况下表现出等刚度的线性性。考虑到KBX-2000型隔振器的静态特性与冲击特性有诸多相似性，所以研究静态特性与冲击特性有很大的工程意义。

图10 冲击力、静态力随位移的变化曲线

在隔振器的整个压缩变形过程中静态特性与冲击特性呈现明显分段特性，故可以采用分段函数描述其之间的关系。考虑到一次多项式的系数可以直接反应处隔振器的冲击刚度与静刚度之间的比例关系，因此，尽量采用一次多项式拟合冲击力与静态力的关系，在多项式拟合时采用最小二乘法。

式中的x为静态力(N)，y为冲击力（N）

KBX-2000型隔振器的冲击刚度与静刚度之间的关系可以用式（3）表示，将根据式（3）拟合的冲击力曲线与试验获得的静态力、冲击力曲线表达在同一图内（图11）。根据图11，可以得知，在18 mm变形范围内吻合较好（静态试验的变形极值为18 mm）拟合的冲击力曲线与试验获得的冲击力曲线的吻合度非常高，所以利用式（3）依据静刚度拟合的冲击力随位移的变化曲线可以准确的反映隔振器的冲击特性。并且对于KBX-2000型橡胶隔振器的冲击力随位移变形曲线与静态力随位移变形曲线之间存在分段近似线性关系。

图11 冲击特性与静态特性对比曲线

4 结语

本文应用落锤冲击机的试验方法，研究了KBX-2000型橡胶隔振器在不同落锤高度下的冲击力随位移变化曲线，并且结合隔振器的静态试验数据，得到如下结论：该隔振器的静刚度与冲击刚度在大载荷的情况下，均呈现渐硬的非线性特性；在大冲击载荷下获得的冲击力随位移变化的曲线能较好地包络小冲击载荷下的力随位移变化曲线；KBX-2000型橡胶隔振器冲击力随位移变化曲线与静态力随位移变化曲线存在分段近似线性函数关系。这些变化规律为今后研究橡胶隔振器的冲击刚度提供了新的思路,在现实工程中具有一定的实用价值。

[1]吴善跃.基于冲击模拟台的减振器冲击特性测试[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），207，31(1)：53-56.

[2]赵兵，朱石坚，翁雪涛，等.橡胶隔振器冲击刚度的试验研究[J].海军工程大学学报，2015，17(3)：82-85.

[3]谭波，黄映云.锤击法测量减振器冲击刚度[J].噪声与振动控制，2003，8(4)：43-45.

[4]周文亮，王强，石理碧.隔振器冲击刚度的试验研究[J].噪声与振动控制，2003，23(6)：15-17，34.

[5]曾诚，华宏星.非线性橡胶隔振器的冲击响应特性研究[J].噪声与振动控制，2012，8(4)：20-24.

[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.

Experimental Study on Impact Performance of a Rubber Vibration Isolator

LI Hai-tao,LIJia,HE Hua,DING Wei
(Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200031,China)

By using the dropping-hammer test machine,the impact performance of KBX-2000 vibration isolator was studied.The curves of the impact force against the displacement of the isolator for different drop-distances were obtained and compared with the curves of the static force against the displacement.Their relationship was analyzed.It was found that the KBX-2000 vibration isolator can display a uniform stiffness performance in the condition of small deformation,while it shows non-linear hardening in the condition of finite deformation.The curves of the impact force against the displacement for heavy shock loading can enclose the curves for small shock loading.All the curves can be expressed by linear functions initially and by polynomial functions with the displacement increasing.

vibration and wave;rubber vibration isolator;impact performance;drop hammer

TB53

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.006

1006-1355(2015)01-0029-04+77

2014－11－10

李海涛(1989－)，男，辽宁朝阳人，硕士研究生，研究方向为设备振动噪声控制。E-mail:leewaver@163.com