隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性检测方法

陈　辉，潘建强，刘建湖

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性检测方法

陈辉，潘建强，刘建湖

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

水下非接触爆炸攻击作用下，隔振缓冲元件必然会产生剧烈的冲击压缩及拉伸响应，大量的实船及模型试验表明轴向拉伸往往会造成比轴向压缩更为严重的后果。但国内对于隔振缓冲元件拉伸条件下的冲击特性研究较少，相关特性参数的缺失已严重影响设备抗冲击能力的设计及计算，需要开展一些探索性的工作。为此，基于落锤冲击法，提出一套有、无预压条件下隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性参数的测试方法，并分别对两种型号的橡胶型隔振器开展拉伸冲击特性检测。通过试验结果与基础冲击法试验结果比对，表明采用落锤冲击法开展隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性的测试是可行的。同时，该文的试验结果也可为选择合适的隔振缓冲元件轴向拉伸和压缩冲击特性参数检测方法提供依据。

隔振缓冲元件；轴向拉伸；落锤冲击法；冲击特性

0　引　言

为提高装舰设备的抗冲击能力，国内外海军的通用做法是使用隔振缓冲元件对装舰设备进行冲击防护。因此，在装舰设备冲击防护设计阶段就必须充分了解隔振缓冲元件的抗冲击性能，这就要求开展必要的隔振缓冲元件冲击特性检测工作。国内经过多年的不断改进，已经形成了比较完善的、能够反映隔振缓冲元件工作状况和载荷条件的冲击特性检测方法，方法不但得出了元件在冲击条件下的等效线性特性，同时也给出了在不同冲击能量下的非线性特性［1-2］。该方法已应用于大量舰船隔振缓冲元件冲击特性的检测，取得了很好的成果。

然而，上述方法主要针对隔振缓冲元器件的动态压缩特性，目前国内对于隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性检测开展的工作很少。实际上，舰艇尤其是水面舰艇受水下非接触爆炸攻击时，安装在装舰设备底部的隔振缓冲元件首先出现压缩变形，然后回弹产生拉伸变形。在强冲击条件下，隔振缓冲元件轴向压缩出现限位而丧失缓冲效果，轴向拉伸则往往会使元件出现结构性损伤，甚至使设备脱位，后果更为严重［3-4］。因此，有必要对现有的隔振缓冲元件冲击特性检测方法进行完善和补充，一方面提出合适的测试方法，能够对拉伸冲击作用下的隔振缓冲元件冲击特性参数进行准确测量和试验数据处理；另一方面，分析拉伸冲击作用下隔振缓冲元件动态位移和冲击力之间的关系，为研究隔振缓冲元件轴向压缩和拉伸冲击特性的耦合效应提供试验依据。

1　试验方法

要获取可信的隔振缓冲元件冲击特性参数，仅仅运用仿真、计算的方法往往比较困难，通常的做法还是在实验室条件下实施冲击试验来进行确定，试验方法通常包括落锤冲击法和基础冲击法［5］：

1）落锤冲击法。采用负载（落锤）自由跌落锤击隔振缓冲元件的方式或负载与隔振缓冲元件一道自由跌落碰撞基座的方式进行隔振缓冲元件冲击特性检测的方法。因试验装置结构简单、操作方便以及较好的试验重复性，并且具有成熟的理论基础，成为国内外使用最广泛的隔振缓冲元件冲击特性检测方法，类似的试验方法包括轻气炮、力锤冲击法等，常用的试验装置为落锤冲击机［2，6-7］。

2）基础冲击法。采用冲击、爆炸等方式对安装负载的隔振缓冲元件基座提供冲击激励来进行隔振缓冲元件冲击特性检测的方法。试验条件比较接近实际情况，但试验操作、实施往往比较复杂，常用的试验装置包括伺服式激振机，轻量级、中量级船舶设备冲击机（轻型、中型冲击机），浮动冲击平台等［8-9］。

本文主要使用落锤冲击法分别对EA120和6JX200两种型号的橡胶型隔振器开展拉伸冲击特性检测，并利用基础冲击法对试验结果进行比对，从而为今后开展隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性检测提供经验。

2　落锤冲击法隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性研究

2.1隔振缓冲元件无预压条件下的轴向拉伸冲击特性研究

2.1.1试验装置

无预压条件是指隔振缓冲元件处于自由状态，与实际使用状态是存在差异的，是为研究隔振缓冲元件轴向压缩和拉伸冲击特性的耦合效应而开展的试验，试验装置如图1所示。隔振缓冲元件通过专门设计的安装架连接到负载底部，负载提到适当高度后，快速释放令其自由跌落。碰撞板与基座碰撞期间，安装在负载上的加速度计测量得到因隔振缓冲元件冲击拉伸产生的抗力使负载向上的加速度，隔振缓冲元件的拉伸抗力即为负载质量与该加速度的乘积，而隔振缓冲元件的拉伸变形也可以通过该加速度对时间积分得到。由抗力和变形参数，可以计算得到隔振缓冲元件的相关冲击特性参数［2］。

图1　隔振缓冲元件无预压条件下的轴向拉伸试验装置示意图

2.1.2试验结果

以隔振器不出现拉伸破坏为限，负载跌落高度由低到高进行试验。不同落高条件下，试验结果对比见图2、图3，图中环形曲线为隔振器的动态特性曲线，同时将试验得到的动态特性曲线进行进一步处理，得出不含阻尼力的位移抗力曲线，该曲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［2，10］。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）低落高试验与高落高试验得到的不含阻尼力的位移抗力曲线变化趋势非常接近。

图2　EA120型隔振器拉伸试验不同落高条件下试验曲线比较

图3　6JX200型隔振器拉伸试验不同落高条件下试验曲线比较

2.2隔振缓冲元件有预压条件下的轴向拉伸冲击特性研究

2.2.1试验装置

对于使用落锤冲击机进行隔振缓冲元件有预压条件下的轴向拉伸冲击特性的检测，整个试验的难点在于如何实现隔振器压缩状态到拉伸状态的顺利转换以及预压载荷与隔振器抗力的解耦。试验装置如图4所示，隔振器通过安装架连接到负载底部，利用空气弹簧对隔振器进行预压。使用空气弹簧作为预压元件，主要是考虑到空气弹簧存在如下特点：

图4　隔振缓冲元件有预压条件下的轴向拉伸试验装置示意图

1）承载范围宽、工作高度调节方便；

2）系统自振频率很低而且基本不变，所以系统具有几乎不变的性能；

3）可以通过连接附加气室来改变空气弹簧的刚度。

使用跌落法进行试验，碰撞产生的冲击力由碰撞板传递给隔振器，由安装在负载上的加速度计测量得到隔振器拉伸及空气弹簧压缩产生的负载垂直向上的冲击加速度，并积分得到隔振器的变形量。试验得到的数据是隔振器与空气弹簧共同作用的结果，因此还需要通过试验检测得到空气弹簧的冲击特性参数，然后再解析分离出隔振器的冲击特性参数。

2.2.2隔振缓冲元件冲击特性参数解析方法

带附加气室的空气弹簧可以简化为多个弹簧与阻尼器串联、并联的系统［11］，而试验装置中的隔振器可以认为是在此系统中再并联一个弹簧阻尼系统。由于落锤与基础刚性碰撞持续时间为1～2ms，远远小于隔振器或隔振器、空气弹簧与负载组成系统的固有周期，根据相关文献［11，12］的计算及试验结果显示，在冲击作用下，带附加气室的空气弹簧动刚度、阻尼特性等参数基本保持不变。因此，可以按如下方法进行有预压条件下隔振器轴向拉伸冲击特性参数的解析分离。

1）进行有预压条件下隔振器轴向拉伸冲击特性落锤试验，得到不含阻尼力的位移抗力曲线F′和阻尼参数C′；

2）拆除隔振器，保持空气弹簧内压及高度不变，进行空气弹簧冲击特性落锤试验，得到不含阻尼力的位移抗力曲线和阻尼参数

4）根据位移抗力曲线F和阻尼参数C得出隔振器有预压条件下隔振器轴向拉伸冲击特性参数。

隔振器不含阻尼力的位移抗力曲线可以按下式计算得到：

根据式（1）可以算出隔振器的冲击刚度K以及参考刚度Kp：

式中：C——隔振器的等效粘滞阻尼系数，N·s/m；

M——负载质量，kg。

但是可以使用该参数分析得出隔振器的等效粘滞阻尼系数C：

式中：C′——空气弹簧、隔振器共同作用的等效粘滞阻尼系数，N·s/m。

C1′——空气弹簧的等效粘滞阻尼系数，N·s/m。

根据计算得到的冲击刚度K（d）及等效粘滞阻尼系数C，带入下面的公式计算隔振器单独作用下，预压的冲击响应：

使用龙格库塔法进行计算，初始条件为：初始变形d（0）=0及初速度。初速度）尚不能确定，需要根据计算结果进行迭代得出。

2.2.3试验结果

同样按照负载跌落高度由低到高的顺序开展试验，不同落高条件下，试验结果见图5。从图中可以看到低落高试验与高落高试验相比：得到的动态特性曲线完全包含在后者的动态特性曲线中；两者得到的不含阻尼力的位移抗力曲线变化趋势非常接近。因此可以将各次试验得到的不含阻尼力的位移抗力曲线上的数据点进行综合处理，拟合出隔振器不含阻尼力的位移抗力关系曲线［10］。

图5　EA120型隔振器拉伸试验时空气弹簧不同落高条件下试验曲线比较

在此基础上，按照上面给出的冲击特性参数解析方法，得出有预压条件下的隔振器拉伸动态特性曲线见图6、图7，冲击力为负表明隔振器为压缩抗力，冲击力为正表明隔振器为拉伸抗力，6JX200型隔振器在冲击变形9mm之后冲击力迅速增加是隔振器结构限位造成的。根据图6、图7即可很容易计算出隔振器的冲击特性参数［2］。

图6　EA120型隔振器有预压条件下的拉伸试验曲线

图7　6JX200型隔振器有预压条件下的拉伸试验曲线

3　基础冲击法隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性研究

3.1试验装置

试验装置如图8所示，4只隔振器和负载组成的系统刚性固定在冲击机支撑槽钢上，将摆锤提升到一定高度后释放，摆锤冲击由砧台、衬轨、支撑槽钢、隔振器和负载组成的系统［8］，受冲击的砧台、衬轨、支撑槽钢产生向上的速度压缩隔振器，负载产生向上的加速度，然后隔振器回弹，并在平衡位置附近作多次振荡。测量负载上的加速度和隔振器上下表面的位移量，在负载的固有频率远大于隔振器的条件下，可以认为负载施加的载荷为负载质量与负载的加速度乘积，根据载荷与隔振器变形的关系获取隔振器的冲击特性。

图8　EA120型隔振器中型冲击机试验图片

3.2试验结果

按照摆锤跌落高度由低到高的顺序开展试验，尽量使隔振器的拉伸变形与图6、图7所示的最大变形相近，试验结果见图9、图10。图中变形零点位置为隔振器的初始静平衡位置，图中给出了隔振器首次压缩、拉伸和二次压缩阶段隔振器的受力和变形情况以及每个阶段不含阻尼力的位移抗力曲线。图中冲击位移为正时隔振器受压，冲击位移为负时隔振器受拉。实际上，考虑隔振器的静压缩变形，如图10所示，-9～0 mm位移段为隔振器的静压缩变形恢复段，-9mm以下隔振器受拉，这里统一称为拉伸段。此外，由于砧台、支撑槽钢、隔振器、负载构成的是一个多自由度系统，图中给出的结果均进行了平滑处理。

图9　EA120型隔振器中型冲击机冲击试验曲线

图10　6JX200型隔振器中型冲击机冲击试验曲线

4　落锤冲击法与基础冲击法试验结果的对比

4.1有预压条件下的轴向拉伸冲击特性对比

对比中型冲击机试验隔振器首次拉伸阶段与添加空气弹簧的落锤冲击试验结果，两者在隔振器的载荷条件以及试验中隔振器的变形情况接近，试验前隔振器受压缩，试验中隔振器由压缩转变为拉伸状态。对比结果见图11、图12，为方便比较，所有不含阻尼力的位移抗力曲线均去掉了截距。从图11可以看到，冲击位移5mm以下，两种试验方法得到的曲线基本一致：

图11　EA120型隔振器中型冲击机与落锤冲击试验对比

1）不含阻尼力的位移抗力曲线一致，表明冲击刚度测量结果一致；

2）动态特性曲线一致，除表明冲击刚度一致以外，同时表明获取的阻尼参数一致。

冲击位移5mm以上，中型冲击机获取的曲线呈现软化特性（即隔振器随变形的增加，刚度降低）。根据以往的经验，EA系列的隔振器是硬化特性，产生该现象的主要原因是数据分析过程中载荷、位移信号分别进行处理造成的相位偏差，相对而言落锤获取的数据更具有可信度。

图12　6JX200型隔振器中型冲击机与落锤冲击试验对比

图12与图11反映的规律略有差异，两种试验方法得到的不含阻尼力的位移抗力曲线基本一致，冲击位移9mm以下，落锤试验获取的动态特性曲线包含了中型冲击机试验结果，而9mm以上，则相反。主要原因在于落锤试验在数据解析过程中将阻尼作为等效线性参数，因此，将阻尼作用效果平均分摊到整个冲击过程中去了，无法像中型冲击机试验一样，体现隔振器承载结构变化而带来的影响，但阻尼作用整体效果还是一致的。

4.2无预压条件下的轴向拉伸冲击特性对比

将无预压条件下，落锤试验获取的结果与中型冲击机试验隔振器拉伸结果进行对比，见图13、图14。从图13可以看到，两种试验方法得到的结果差异较为明显，表明EA120型隔振器轴向压缩和拉伸冲击特性的耦合效应是不可忽视的。因此，使用落锤冲击法无预压条件开展EA120型隔振器轴向拉伸冲击特性研究是不合适的。

图13　EA120型隔振器中型冲击机与落锤冲击试验对比

图14　6JX200型隔振器中型冲击机与落锤冲击试验对比

图14与图13反映的规律也不一致，两种试验方法得到的曲线差异主要是冲击强度不一致造成的，不含阻尼力的位移抗力曲线和动态特性曲线变化规律基本保持一致。因此，使用落锤冲击法无预压条件开展6JX200型隔振器轴向拉伸冲击特性研究是合适的。究其原因，主要与6JX200型隔振器结构形式有关系，见图15，压缩与拉伸时产生抗力的弹性体相互之间没有关联，因此，不会有耦合效应的影响。

图15　6JX200型隔振器结构图

4.3小结

1）有预压条件下的落锤冲击法与基础冲击法获取的试验结果基本一致，表明采用落锤冲击法开展隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性的测试是可行的。

2）对于EA120型隔振器，应采用有预压条件下的落锤冲击法开展轴向拉伸冲击特性试验。

3）对于6JX200型隔振器，采用有预压条件下的落锤冲击法开展轴向拉伸冲击特性试验能够满足获取冲击参数的需求，也可采用无预压条件下的落锤冲击法开展轴向拉伸冲击特性试验。

4）隔振缓冲元件的冲击特性参数与其弹性元件的约束形式、面积等有很大关系，开展隔振缓冲元件冲击特性检测之前，应充分了解隔振缓冲元件的结构形式，选择合适的冲击特性检测方法。

5　结束语

本文基于落锤冲击法，提出了有、无预压条件下的隔振缓冲元件轴向拉伸冲击特性参数的测试方法，并与基础冲击法试验结果进行了比对，得出了有意义的结论。但是，目前开展的试验样本数还太少，试验结论并不能代表所有类型隔振缓冲元件的特性。同时，鉴于目前的工作属于探索性质，相关工作还有继续深入的必要。

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（编辑：刘杨）

The detection method for axial tensile shock characteristics of isolators

CHEN Hui，PAN Jianqiang，LIU Jianhu
（China Ship Scientific Research Center，Wuxi 214082，China）

Non-contact underwater explosion will produce severe shock compress and tensile response of the isolators.Many real ship and model tests show that axial tensile will cause a more serious consequence than axial compress generally.However，there is very limited research on the shock characteristics of isolators under tensile conditions in domestic，and the lack of the relevant characteristic parameters has severely influenced the design and calculation of impact resistance of equipment.Thus exploratory works should be carried out.Therefore，the detection method of the axial tensile shock characteristics of isolators with and without preload is proposed based on the drop-hammer impact tests and tensile impact characteristics test is also respectively carried out for the two types of rubber isolator.Based on the comparison of test results and foundation impact test results，it shows that detection method of the axial tensile impact characteristics of the isolator based on the drop-hammer impact test is feasible and the test results can also provide basis for choosing an appropriate detection method for axial tensile and compression impact characteristic parameters of isolators.

isolator；axial tensile；drop impact test；shock characteristic

A

1674-5124（2016）10-0056-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.011

2016-04-10；

2016-05-25

陈辉（1980-），男，江苏泰州市人，高级工程师，硕士，主要从事舰船抗爆抗冲击研究。