水平冲击减振方法研究

2020-03-23甄海乐吴国东王志军

兵器装备工程学报 2020年2期

甄海乐，吴国东，李波，王志军

(中北大学机电工程学院，太原 030051)

国外冲击振动系统的概周期运动研究取得了进展。Peterka Frantisek用仿真方法研究了水平冲击消振器(冲击体存在摩擦,是弹簧、质量、阻尼系统)在简谐激励下主振系响应的稳定域及产生周期分岔、倍周期分岔、鞍结分岔、Hopf分岔的参数值。用相轨面、分岔图、Poincaré映射图分析了周期、拟周期及混沌运动。

国内罗冠炜等研究了一类冲击振动系统在强共振情况下的亚谐运动与概周期运动及其向混沌的演化过程。建立了冲击消振器对称周期运动的Poincaré映射方程,讨论了对称周期运动的稳定性与局部分岔并通过数值仿真研究了冲击消振器在非共振、弱共振和强共振条件下的概周期碰振运动及其向混沌的转迁过程。

近几年水平冲击减振方法中，颗粒阻尼器作为减振器较为流行，由于低成本、宽频带、温度不敏感、耐久性好,易于在恶劣环境下工作的特点,已被应用于机械和航空领域[9]。但还是很少应用于生活中的冲击减振，而本文通过常见易找的材质，可以有效的减振，能够应用于日常生活的各个地方，简便快捷。

为了解决如今的航空、航天、电子、引信等行业产品在生产、运输等过程中存在的各种冲击振动现象，有效的降低冲击振动对产品的影响，采用水平冲击响应谱冲击台在冲击过程中的响应特性，以及对冲击响应谱的分析，可以对设备各部件所承受的最大动力载荷有比较准确的把握，预测出冲击内在的破坏；同时还能提供给工程设计人员一个比较合适的技术，确保试验的可重复性。根据实验分析，该方案有良好的减振效果[1]。

本研究提出了水平冲击响应谱冲击台产生振动与冲击的机理，设计一个小型水平碰撞台固定于水平冲击台的响应板上，冲击响应板受水平方向能量重锤撞击后在水平方向上左右振荡，此时对其上方的水平碰撞台运动规律进行运动仿真，通过波形图与仿真应力图分析选择合适的防振材料，为设备的抗振动与抗冲击设计提供参考[2]。

1 防振动与冲击的原理

在实验中，通过给水平冲击锤充气，在一定气压条件下瞬间释放，与响应板k1和k2(弹性装置刚度系数)一起构成一个双自由度弹簧质量系统。通过对水平冲击响应台的分析与资料查询可知，导致振动产生的主要原因是由于k1和k2这两个弹性装置造成的[3]。且由产品说明书的技术指标可知，该冲击平台的冲击波形就是衰减的复杂振荡波形，所以出现了反复的振荡波形，而且这个冲击台的振荡只会不断的减弱，但是不可以彻底消除[4]。

为了降低振动与冲击的影响，通过水平碰撞台的振动机理，提出了两种方法实现目的：一方面对水平冲击台的两个弹性装置进行优化，另一方面是在振荡板上加装减振装置。

在优化弹性装置中，弹性装置刚度系数k1在出厂时给定了出厂默认值，理论上是可以调节的，但是厂家并未提供如何调整参数，故k1无法调整。而k2垫片的材料则是可以更换的，在之后的实验中可以通过选择不同的材料来减小振荡[5]。同时在冲击实验时增加的垫片可以减小振荡，通过多次试验知道通过改变垫片的厚度可以适当降低振荡，因此在振荡板上设计一个合理减振装置可以更好的降低损耗。

根据资料分析及实验室现有材料，我们知道波形图峰值越低，反弹系数越高，减振效果更理想。因此设计一个减振装置，其中冲击响应夹具起固定及传递力的作用，滑台光轴起降低摩擦阻力的作用，缓冲垫起阻尼减振的作用[6]。利用这些特点，在减振装置上增加不同厚度的毛毡垫、牛皮垫，通过外力作用，使滑块在光轴上左右运动，多次对比验证数据采集器记录波形图的峰值及反弹系数，选择减振效果更合适的材料[7]。

由于冲击响应谱是响应等效的，对产品的作用也是等效的，使得更接近于实际冲击环境[8]。在此前提下，根据弹性碰撞原理，假如有两个质量分别为m1，m2的物体，以初速度为v0，v1发生水平碰撞，设碰撞后的速度各为v2，v3。则根据公式：

m1·v0+m2·v1=m1·v2+m2·v3

(1)

(2)

从而可以推出：

v2=(m1·v0-m2·v0+2·m2·v1)/(m1+m2)

(3)

v3=(m2·v1-m1·v1+2·m1·v0)/(m1+m2)

(4)

为了尽可能降低能量损失，减少振荡，我们接下来会设计一系列的减振方案来提高实验精度，目前大约只能实现v2/v1=0.3～0.4。

冲击响应波形前面的峰值可以忽略不计，直到出现第一个低谷，低谷后面的波形与前面的有明显的不同，截取波形图中两个波底，从而截取这两个波底观察出碰撞的时间，通过测试既定的位移距离s与时间t之比，得到平均速度v，从而达到更合适的减振效果。

2 减振模型建立

根据资料分析以及实验室现有材料，理论得知毛毡垫和橡胶的减振效果较为理想。依据减振原理[9]、原冲击台的原理以及双自由度弹簧质量系统的原理，设计出相似的双系统，建立响应夹具模型，匹配碰撞台，两个夹具底固定于水平台相当于弹簧两端固定，夹具壁通过滑杆连接，滑块可以通过力的传递在夹具中间的滑杆上左右运动。在优化冲击垫以及确定缓冲材料之后，设计减振装置，如图1、图2。整个装置材料为钢；其中前后垫片采用的材料均为毛毡垫，各厚为10 mm，光滑导轨为20 cm。

图1 设计减振装置左视图

冲击响应夹具可传递力、约束滑块，滑台光轴使安装在其上滑台能够左右滑动、降低摩擦阻力，缓冲垫起缓冲减振作用，螺孔起固定夹具作用[10]。

最终装配体如图3。

将建模设计的减振装置，安装于水平冲击台实体上，为试验分析提供完整的载体。

图2 设计减振装置俯视图

3 载具受力仿真

通过之前的分析，用ANSYS软件对载具受力进行仿真验证，其本身有一定承受的屈服力。由于只需保证在一个安全值中进行试验即可，因此随机选择了0.4 MPa、0.6 MPa、1 MPa外力下仿真，得到载具承受效果图。若外力不破坏载具，则从0.4～1 MPa外力中选择一个值即可，从而进行下一步的实验。否则重新选定外力。仿真结果如图4～图7。

图4 0.4 MPa水平力冲击仿真

图5 0.6 MPa水平力冲击仿真

图6 1 MPa 水平力冲击仿真

图7 安全系数n

根据ANSYS应力仿真得到最大安全系数n为15。载具的屈服极限σs为505 MPa，利用[σ]=σs/n，最大许用应力分别为10 MPa、15 MPa、25 MPa，带入计算得到载具承受的力小于许用应力σ，因此在所测试范围内载具能够承受1 MPa以下的外力，我们从中选取0.6 MPa的压力，以防损坏器具。

4 试验分析

在外力冲击下，滑块开始左右运动并与减振垫接触，首先对毛毡垫和橡胶两种材料进行了测试，所示的波形曲线如图8、图9。

分析图8，图9可知，毛毡垫材料在冲击时的峰值更低，而橡胶材料的峰值相对高一些，故选择毛毡垫作为备选材料，这样可以有效减振。

在选定冲击垫片后，将对不同厚度的毛毡垫的弹性系数进行测定，通过测试结果选定合适厚度。其测试曲线如图10、图11。

图8 8 mm毛毡垫作为冲击垫材料时的冲击波形曲线

图9 10 mm橡胶作为冲击垫材料时的冲击波形曲线

图10 4 mm毛毡垫弹性测试

图11 8 mm毛毡垫弹性测试

在实验时，根据测试，得到了4 mm毛毡垫的反弹系系数为0.295，8 mm毛毡垫的反弹系数为0.417 mm，故在后续的设计过程中采取较厚的毛毡垫。

最终在0.6 MPa的压力下，理论上冲击锤以5 m/s的速度(实际为3.5 m/s)锤击冲击垫(1 mm牛皮+8 mm毛毡垫)，冲击波传递到谐振板上。谐振板带速度，理论10 m/s，实测6 m/s。同时，减振装置上的小车在光滑导轨上开始运动，最终撞击减振装置的后垫板(8 mm毛毡垫)，理论20 m/s，实测11.3 m/s。从图12所示的波形可以看出，减振之后，中间振荡部分的峰峰值明显降低。而同样由图可以看出，第一次锤击时波谷明显加深，而第二次的波峰的峰峰值也明显提高，达到了减振的同时，也提高了加载瞬间的峰峰值。本设计能够合理的实现减振效果。