橡胶钢丝绳隔振器冲击特性试验研究

谢雨轩，陈　燕，车驰东

（上海交通大学 高新舰船与海洋开发装备协同创新中心，上海 200240）



橡胶钢丝绳隔振器冲击特性试验研究

谢雨轩，陈燕，车驰东

（上海交通大学 高新舰船与海洋开发装备协同创新中心，上海 200240）

冲击刚度及阻尼是隔振器的重要参数，对隔振系统设计起重要作用。采用落锤式冲击方法对橡胶钢丝绳隔振器的冲击刚度及阻尼进行测试。将负载质量的加速度时间曲线转化为隔振器的迟滞回线以求解其冲击刚度及等效阻尼，并用多项式对冲击刚度进行拟合。不同工况下的数据结果表明：橡胶钢丝绳隔振器的弹性恢复力与隔振器的变形在小变形情况下基本呈线性关系，且随着冲击位移的增大而呈三次函数关系；整个冲击过程的等效冲击刚度正比于冲击过程的初始冲量；但其阻尼系数随最大变形量先增大后减小。上述结论对橡胶钢丝绳隔振器的工程选型及应用具有指导作用。

振动与波；橡胶钢丝绳隔振器；冲击实验；迟滞回线；刚度非线性

船舶减振降噪及舰艇的抗冲击一直以来都受到设计人员的关注。隔振器因其结构简单、价格相对便宜而作为最常用的减振及隔冲装置在各类船舶上广泛使用，其性能直接影响到隔振系统的可靠性乃至设备的安全性。

隔振器的静刚度（静变形）、动刚度（固有频率）、冲击刚度及阻尼比等是衡量其机械性能的重要参数，近年来研究人员通过理论建模及数值仿真对其进行了研究。在理论模型方面，曾诚等［1］提出了减振器非线性抗冲击理论的八参数模型；在数值仿真方面，郭余丽等［2］用龙格-库塔方法对轴系系统在冲击激励下的响应做了计算。

为了简化分析，多数理论及数值计算均会采用一定简化假设，将刚度、阻尼等参数处理成常数或简单分段线性参数。这些简化处理在隔振器变形较小的时候对计算结果影响不大，在振动分析中取得了较好的效果。但在强冲击环境下，隔振器的变形接近甚至达到其极限，其刚度等会显现极强的渐进特性。这时某些简化假设不再成立，使得计算产生较大误差。因此，工程上更多地采用实验方法来对隔振器的冲击刚度进行详细的测定。夏宇宏和姜洪源［3］对套筒型和草帽型金属橡胶减振器进行冲击实验，得出套筒型在冲击大变形工况下具有刚度渐硬特性的结论。

目前，船用隔振器中应用最多的是橡胶隔振器和钢丝绳隔振器，这两类隔振器均有较好的隔振效果。但是橡胶材料抗拉性能较差、不锈钢丝在大载荷的条件下会产生塑性变形的缺点也使得这两者很难用于设备的冲击隔离中。于是工程技术人员结合橡胶和钢丝绳隔振器两者的优势，研发了橡胶钢丝绳隔振器［4］，兼顾了隔振与抗冲击的要求。由于橡胶和不锈钢丝性能差异较大且均显示较强渐进特性，结合在一起很难通过理论或数值方法给出其机械性能。故用实验方法能最有效地测定其刚度及阻尼。

基于上述原因，对XGW型橡胶钢丝隔振器进行了落锤式冲击实验，通过绘制“回复力-位移”曲线，得到其迟滞回线。进而研究该类隔振器的冲击刚度随位移、跌落高度等参数的变化规律以及其阻尼特性。

1　减振器冲击模型与迟滞回线

由于隔振器的质量及刚度均远小于所保护设备的质量及刚度，而在冲击状态下设备的变形也远小于隔振器的变形，因理论分析中隔振系统在理论分析中通常简化成图1所示的模型。

图1　隔振系统简化模型

根据参考文献［5］，系统的振动方程可写为

在落锤冲击试验中，隔振器连同负载质量从H高度处跌落。与基础接触后，隔振器经历由压缩至回复的过程，安装于负载质量上的加速度传感器所记录的时间曲线如图2所示。

图2　负载加速度时间历程

隔振器的回复力及变形量可通过加速度响应乘以负载质量及两次积分后获得，冲击过程中两者的关系可以绘制成“回复力-变形”曲线，如图3所示。

图3中隔振器的回复力等于弹性力F→1和阻尼力F→2的矢量和

其中冲击刚度k（x）在小变形条件下基本为常数，但在冲击大位移条件下可以用一个多项式来拟合。

图3　回复力-位移曲线

黏性阻尼力正比于隔振器变形速度，在压缩及回复过程中方向相反，因此回复为在图3中形成一个闭环，也称迟滞回线。将阻尼力去除，可以得到中间的纯弹性力-位移曲线。

式（3）表示，刚度是位移的函数，在线性系统中，对于冲击持续时间短的载荷，响应的最大位移幅值Dm主要依赖于作用冲量I0的大小，而冲击脉冲的形状对它影响不大［6］。由此，文中将讨论冲量大小I0与冲击响应的关系。

图2中，A点为重物起始下落位置，B为撞击点，C为加速度绝对值最大点，D为冲击后回弹最高点。可见，A-B为重物下落的过程，初始加速度接近g，由于导轨摩擦力的影响，加速度逐渐减小，导轨摩擦力的大小与加速度接近成反比关系，由A-B的积分可以得到B点重物的速度，也就是撞击瞬间的速度，根据重物质量和初速度，得到初始冲量I0。

图2中，B-C段为冲击过程，即隔振材料的压缩过程，C-D段为回复过程，两段斜率较大，C点为加速度最大点，在冲击过程中，忽略结构阻尼的影响，认为C点同时也是速度为零的点以及回复力最大的点。在由加速度曲线得到位移曲线的过程中，以C点为图3中的C点，向两边积分，得到迟滞回线。由B-D段的时间记作响应时长△t。

对于具体某次冲击，需要定义一个等效刚度对其进行描述，以对这次冲击作一个定量的评价。

文献［7］中给出了冲击实验计算等效刚度及阻尼系数的方法，等效刚度ke等效的条件是该直线与水平坐标轴所围成的三角形（OCDm）面积与最大冲击能量相等，阻尼则由单自由度运动方程推出

2　跌落试验

2.1实验概述及工况

图4是实际的冲击试验台，其简化模型如图5。两边是导轨，上方是横梁。释放前，减振器固定在配重物下方，经释放器掉在横梁下方，采用BK4383加速度传感器，安置在配重物上表面，释放后，重物沿着导轨跌落，减振器撞击在刚性基座上。下落重物质量为m0=182 kg，下落高度分别为67 cm、165 cm、320 cm。测试橡胶钢丝绳减振器型号为XGW 160型，这是一个套筒型橡胶钢丝绳减振器。实物模型图如图6。

图4　冲击实验台

图5　减振器简化模型

图6　隔振器实物图

XGW 160型隔振器性能参数（主承载方向）：额定载荷为160 kg；额定载荷下的垂向固有频率为12± 2 Hz；阻尼比≥0.1；隔冲效率≥80%；冲击状态下的变形≥±15 mm；经强冲击后塑性变形量≤±3 mm。

表1　工况表

2.2测试结果

由加速度传感器得到的加速度时间曲线见图7，将加速度经过一次积分、两次积分后得到速度-时间曲线（图8）和位移-时间曲线（图9），这里选取工况二作代表，其他工况类似。

图7　加速度-时间曲线

图8　速度-时间曲线

图9　位移-时间曲线

3　结果分析与比对

由速度积分得到位移，由加速度得到回复力，得到如图10所示的回复力-位移曲线，将压缩过程和回复过程中阻尼力相同的点做算术平均，得到去掉阻尼项的力-位移曲线，如图10中的中线所示。中线在模型中就是F1所表示的无阻尼形态。

由图10可以看出，工况一得到的曲线没有明显的硬化或者软化特点，随着下落高度的增加，曲线呈明显的硬化特点，即瞬时的刚度随着变形的增大而增大，根据式（4）、式（5）、式（6）、式（7）以及图10，得到表2所示结果以及冲量大小I0与等效刚度ke关系，

图10　回复力-位移迟滞回线

表2　实验数据表

如图11所示。

图11　初始冲量与等效刚度关系图

由表2可以看出，随冲击强度增大，变形量增大。当变形过大，减振器的限位器起作用，导致阻尼系数变小。

由图11可以看出，等效刚度的大小与初始冲量也就是冲击初始速度大小基本呈线性正相关。

对图10中的中线求导，得到瞬态刚度随位移的变化曲线如图12所示，可以看到，工况一中刚度几乎不变，而工况二和工况三中曲线在前半部分几乎是重叠的，而且刚度呈现明显的非线性增大。

而后两条曲线的重叠表明，在大冲击工况下，减振器的瞬态刚度是位移的函数，与初始冲量大小无关。

图13为隔振器的静态载荷曲线，可以看出，静载荷下隔振器的刚度基本呈线性，相比之下，冲击工况下的刚度具有明显的非线性。

图12　不同工况下的瞬态刚度-位移曲线

图13　XGW-160静态加载曲线

将图12中的数据点进行曲线拟合，得到刚度与位移的关系式（8），并将拟合的理论曲线与图1工况三的实验曲线对比，如图14所示。

三次方之后的系数很小，可以忽略。

可以看出，刚度是位移的高次多项式，工况三取式（8）的前四项可以贴合实际情况。第五项的系数很小。由于限位器的作用，在大冲击工况下，可以把刚度看成是位移的三次函数。

4　结语

图14　工况三理论-试验曲线对比

讨论了输入冲量与减振器响应曲线的关系，分析了橡胶钢丝绳减振器的材料特性，提出了在冲击工况下的多项式模型；对XGW型橡胶钢丝绳减振器进行不同工况下的落锤式冲击实验；对冲击实验数据进行合理处理得到回复力-位移曲线；对曲线进行计算，对冲击工况下有关刚度和阻尼的特性进行分析。将理论模型与实验曲线进行对比与分析，得到以下结论：

（1）橡胶钢丝绳减振器的冲击特性具有以下特点：

① 其回复力-位移曲线有别于往复式激励产生的迟滞环，是一个具有刚度硬化特性的回线，并且随变形量的增大，刚度硬化越明显。其压缩过程与回复过程不对称；

② 初始冲量大小与等效刚度的大小基本呈线性关系。初始冲量增大，最大变形量增大。当变形量过大，限位器发生作用，导致阻尼系数减小。

（2）运用基于落锤式冲击法和加速度传感器的实验方法以及数据处理技巧和方法，得到合理的实验结果，说明对于减振器的冲击实验，文中采用的实验方法和计算方法可行。

（3）在小冲击工况下，减振器的刚度基本不变，呈线性特性。在大冲击工况下，刚度位移函数取前四项，即最高次取到三次时理论曲线可以较好的拟合实际曲线。说明该型隔振器在大冲击工况下，刚度是位移的三次函数。由图12和图13的对比可知，隔振器在大冲击下的刚度要明显大于其静刚度。

［1］曾诚.橡胶隔振器非线性抗冲击理论建模与试验研究［D］.上海：上海交通大学，2012.

［2］郭全丽，祝长生，邓轶.主机隔振器刚度对船舶推进轴系冲击特性的影响［J］.中国舰船研究，2008，3（3）：38-41.

［3］姜洪源，夏宇宏，敖宏瑞，等.金属橡胶构件的性能分析与实验研究［J］.中国机械工程，2004，12（11）：1294-1297.

［4］勾厚渝.复合阻尼隔振器：CN85103709［P］.1985-12-20.

［5］陈端石，赵玫，周海亭.动力机械振动与噪声学［M］.上海：上海交通大学，1996.

［6］吴铭，尹文生，李世其.舰载小尺寸减振器的优化设计［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2004，32（1）：13-15.

［7］李国华，周康.缓冲元件的几个重要参数及其测量方法［J］.舰船性能研究，1996（1）：61-69.

Experimental Research on Impact Characteristics of a Rubber Steel Wire Isolator

XIE Yu-xuan，CHENYan，CHE Chi-dong

（Collaborative Innovation Center forAdvanced Ship and Deep-sea Exploration，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Impact stiffness and damping are important parameters for vibration isolator design.In this paper，the impact stiffness and damping of a rubber steel wire isolator are tested.The acceleration vs.time curve of the loading mass is transformed into the hysteresis loop of the isolator to solve for the impact stiffness and the equivalent damping，and the impact stiffness data is fitted by polynomial.Results under different working conditions show that in the case of small deformation，the elastic restoring force basically has a linear relationship with the deformation of the vibration isolator，and it is a cubic function of the increase of the impact displacement.The equivalent impact stiffness in the impact process is proportional to the initial impulse，but the damping increases initially and decreases later with the increasing of deformation. The above conclusions can guide the selection and application of rubber steel wire vibration isolators in engineering.

vibration and wave；rubber steel wire isolator；impact test；hysteresis loop；stiffness nonlinearity

TB52+3

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.039

1006-1355（2016）04-0183-05

2016-02-01

谢雨轩（1993-），男，福建省南平市人，硕士生，主要研究方向为结构减振降噪。

车驰东，男，硕士生导师。E-mail:churchdoor@163.com