舰船用大行程钢丝绳隔振缓冲系统的冲击特性试验研究
2021-07-15刘浩闫明
刘浩 闫明
摘 要：传统钢丝绳隔振器工作行程有限，在冲击荷载较大时，容易导致结构打底，引发刚性碰撞现象。基于此，本文提出了一种大行程钢丝绳隔振缓冲系统的设计方案，利用跌落冲击试验，从冲击激励幅值、脉宽两方面验证该方案的可行性，并探究其冲击特性规律。冲击试验结果表明，不同冲击激励幅值条件下，系统的缓冲性能较好，冲击隔离率随输入激励峰值的增大有所衰减;不同激励脉宽条件下，系统响应具有较好的一致性，冲击隔离率与激励脉宽度呈负相关。
关键词：钢丝绳隔振器;缓冲性能;冲击试验;冲击隔离
中图分类号：TB535.1文献标识码：A文章編号：1003-5168（2021）06-0075-03
Experimental Research on Impact Characteristics of Ship's
Large-stroke Wire Rope Vibration Isolation and Buffer System
LIU Hao YAN Ming
（School of Mechanical Engineering， Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 110870）
Abstract： The traditional wire rope vibration isolator has a limited working stroke， and when the impact load is large， it is easy to cause the bottom of the structure and cause the phenomenon of rigid collision. Based on the above， this paper proposed a design scheme of a large-stroke wire rope vibration isolation and buffer system， and used the drop impact test to verify the feasibility of the scheme from the impact excitation amplitude and pulse width， and explore its impact characteristics. The shock test results show that under different shock excitation amplitude conditions， the buffer performance of the system is better， and the shock isolation rate attenuates with the increase of the input excitation peak value; under different excitation pulse width conditions， the system response has good consistency， and the impact isolation rate is negatively correlated with the excitation pulse width.
Keywords： wire rope vibration isolator;cushioning performance;impact test;impact isolation
一直以来，舰船设备所处的工作环境十分复杂，在冲击荷载作用下，设备电气部件的抗冲击能力较弱，易发生冲击损伤，出现设备失灵、损毁等使用性能降低的情况[1]。为保证复杂冲击环境下舰船设备抗冲击防护能力，本文结合常见的钢丝绳隔振器，设计钢丝绳隔振缓冲系统[2-3]。
传统钢丝绳隔振器在较大冲击激励下没有足够的工作行程来保证系统在缓冲过程中始终做弹性运动，钢丝绳隔振器易因行程不足导致结构的打底，发生刚性碰撞现象[4]。本文以大行程钢丝绳隔振缓冲系统为研究对象，对系统在不同冲击激励幅值、脉宽条件下的冲击特性规律进行探究，并通过跌落式冲击试验机对系统冲击响应规律进行试验分析，为钢丝绳隔振缓冲系统的工程应用提供理论依据及试验数据参考。
1 系统结构组成及试验方法
钢丝绳隔振缓冲系统主体部分由舰船设备电气部件、冲击隔离部件、辅助固定装置以及基座组成。其垂向冲击荷载由基座、冲击隔离部件和辅助固定装置进行传递，其能够在实现冲击隔离的同时具有一定的隔振限位功能，满足设备冲击防护的基本要求。
系统采用钢丝绳作为冲击隔离部件，主要承受纵向冲击荷载。较大的工作行程使得系统在承受纵向冲击荷载的同时也可以承受横向冲击荷载，更有利于对舰船设备电气部件进行限位，各个方向均具有良好的隔离系统冲击防护性能[5]。安装基座结构简单，可与其他舰船设备安装位置叠加，整体结构一体性好且重心较低，系统稳定性高。
隔振缓冲系统冲击试验方案根据《军用装备实验室环境试验方法 第18部分：冲击试验》（GJB 150.18A—2009）制定，冲击试验采用规定脉冲波形法产生冲击输入工况，针对输入激励的脉冲幅值、脉冲宽度的变化展开定量分析。冲击试验主要设备包括跌落式冲击试验机、待测试的隔振缓冲系统试验装置、加速度传感器、数据采集仪及工控机等。冲击试验装置所需的输入冲击激励由跌落式冲击试验机产生，其间选用2个压电式加速度传感器测量冲击台面输入激励的加速度信号和试验装置加速度响应信号，使用数据采集仪采集加速度传感器测量到的冲击信号，并通过工控机进行试验数据记录，实时监控试验过程。
2 系统隔振缓冲性能评价指标
系统的输入冲击激励经过隔振缓冲部件传递后将发生冲击能量的衰减，冲击隔离率表征的就是系统衰减的加速度幅值占系统输入激励幅值的百分比，冲击隔离率根据式（1）进行计算。冲击隔离率越大，说明隔振缓冲性能越好[6]。
[η=1-AmaxAi×100%] （1）
式中，[Amax]為系统响应加速度幅值;[Ai]为冲击激励加速度幅值。
在一个给定的隔振缓冲系统中，阻尼大小未知，人们可以通过试验测量相差一个周期的两个相邻加速度幅值[A1]和[A2]，如式（2）所示，对其比值取自然对数，得到其对数衰减系数[δ][6]。
[δ=1mln（A1Am+1）] （2）
式中，[A1]和[Am+1]分别为[t1]时刻和[tm+1]时刻的加速度幅值。
根据式（3），人们可以求出钢丝绳隔振缓冲系统的阻尼比[ξ]。
[ξ=δ（4π2+δ2）] （3）
3 冲击试验结果分析
3.1 不同输入激励幅值条件下的冲击试验
研究人员依据试验方案调整工况，使得输入激励脉宽固定在10 ms，激励峰值分别为20、30、40、50、60、70、80 g，1 g=9.8 m/s2，然后进行冲击试验。下面根据试验数据绘制输入与响应加速度曲线及冲击隔离率曲线，如图1、图2所示。输入激励与系统加速度响应幅值均呈线性增大，冲击隔离率随着输入激励峰值的增大呈明显的降低趋势。在激励幅值较小时，冲击隔离率几乎呈线性减小趋势，而当激励峰值较大时，冲击隔离率变化趋势平缓却又有所提高，这反映出钢丝绳隔振缓冲系统较为明显的刚度软化特性。
3.2 不同输入激励脉宽条件下的冲击试验
研究人员依据试验方案调整工况，进行固定激励峰值为30 g，激励脉宽分别为8、10、12、14、18 ms的冲击试验。下面根据试验数据绘制输入与响应加速度曲线及冲击隔离率曲线，如图4和图5所示。在不同冲击激励脉宽条件下，加速度响应结果较为相似。冲击隔离率随激励脉宽增大而减小，冲击激励脉宽对冲击隔离率的影响同样不容忽略。
下面选取3组数据进行对比分析，如图6所示。不同激励脉宽条件下，系统响应趋势具有较好的相似性，加速度响应幅值随激励脉宽的增大有所增大，经过5个周期的震荡后，系统趋近稳定，冲击激励衰减为零，所需的时间未明显增加。
研究人员结合试验数据，根据式（2）和式（3），计算系统对数衰减系数及阻尼比，结果如表1所示。
计算结果表明，钢丝绳隔振缓冲系统对数衰减系数较大且阻尼比适中，系统输入激励在振荡周期中衰减明显，系统可在较短时间内达到平稳状态。
4 结论
在不同输入激励幅值的条件下，钢丝绳隔振缓冲系统响应幅值随激励峰值的增大而逐渐增大，系统较大的工作压缩行程有效地提高了冲击激励较大时的抗冲击性能。在不同输入激励脉宽的条件下，其响应幅值随激励脉宽的增大而逐渐增大，冲击隔离率与激励脉宽呈负相关的关系。冲击激励峰值增大时，单个振荡周期变长，每个周期内激励衰减幅度变大，整个系统受激励作用后，趋于平稳的总时间有所增加。冲击试验结果表明，大行程钢丝绳隔振缓冲系统具有较好的抗冲击特性，起到了必要的冲击防护作用。
参考文献：
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