金属减振器过载振动复合环境试验研究

曹露 王鹏辉 李昊宇 刘凯旋 张建文

金属减振器过载振动复合环境试验研究

曹露 王鹏辉 李昊宇 刘凯旋 张建文

（北京强度环境研究所，北京 100076）

导弹和火箭设备在任务剖面内会经历过载、振动复合环境，严重时会影响到关键设备正常工作。目前，越来越多的重要设备采用金属减振器进行振动控制，但金属减振器具有刚度非线性特征，过载振动复合环境会影响其自身性能。本文研究了金属减振器力学性能表征方法，通过非线性刚度阻尼系统，研究了过载环境对减振性能的影响。同时，针对某型号弹上设备减振开展了过载振动试验研究，通过施加力载荷来模拟过载环境下设备惯性力对减振器的影响，试验表明不同量级的过载环境下，减振系统三方向的谐振频率升高、减振效果下降。因此，金属减振器应用在复杂力学环境设备减振时，应充分考虑过载环境的影响，以保障关键设备在飞行器发射、再入阶段能够正常工作。

过载振动；振动控制；振动试验

0 引言

航空、航天设备普遍工作于过载和振动同时作用的复合动态环境中，其内部设备和装置会受到大过载和高量级振动的复合作用，过载线加速度值可达到6g～30g[1-2]。过载振动复合环境严重时会影响关键设备正常工作，工程上通常采取安装减振器的方式来进行设备减振。金属减振器以金属橡胶材料为弹性元件，具备在极端的工作环境下性能稳定、抗高低温、抗腐蚀等优良特性，在航空航天等领域设备减振缓冲防护方面被广泛应用[3]。国内科研工作者目前在研究金属减振器在不同简谐载荷、随机振动、冲击及复杂动力学载荷的作用下的减振及抗冲击效果方面也取得了显著成果[4-6]。大量研究表明金属减振器具有明显的非线性特性[7-8]。因而在过载振动复合的环境下，过载会对金属减振器性能产生一定影响，这种影响无法在单一振动环境下表现出来。因此，有必要开展金属减振器过载振动复合环境试验，研究过载振动对金属减振器减振性能的影响。本文通过理论分析和过载振动试验，研究了不同过载量级下，设备与金属减振器构成的减振系统的性能变化，为协调弹上恶劣的振动力学环境与设备实际能承受的工作环境奠定了基础。

1 理论研究

1.1 金属减振器性能表征参数

金属减振器的力学性能主要表征参数有

图1 金属减振器振动传递率曲线

1.2 金属减振器非线性刚度阻尼系统

设备与金属减振器组成的系统，系统的刚度受振动幅值的影响，为非线性刚度系统，金属减振器数学模型如图2所示。

图2 金属减振器数学模型

金属减振器刚度可表达为

设备结构一般为多自由度系统，但按照模态理论解耦后仍可将其变成若干单自由度系统。对于单自由度且具有刚度非线性的减振系统，其运动方程可表示为[12]

与非线性系统相对应的线性系统运动方程为

线性系统的响应幅值可表示为

参照线性系统，该非线性系统的响应幅值可表示为[13]

1.3 过载环境对金属减振器的影响分析

过载振动环境下，减振器会受到惯性力作用，惯性力的大小跟过载环境的量级和设备质量有关。如图3所示，设备通过金属减振器安装在基座上，减振器为套筒型减振器，双侧安装，轴对称结构。图中X方向对应减振器轴向、Y方向对应减振器径向。正常状态下，减振器轴向承载设备的重力mg，减振器径向不受力。而在过载情况下，减振器受到过载引起的惯性力ma。过载量级越大，金属减振器受力越大，减振器的变形位移越大。

图3 设备安装减振器示意图

对金属减振器产品开展静刚度测试，如图4所示。

图4 金属减振器静态刚度试验结果

从静刚度测试曲线可以看出，4只减振器的静刚度一致性较好。从走势看减振器的力—位移曲线并非为单一斜率的直线，而是有明显的弯曲。在初始受力变形，呈现曲线的斜率（减振器的刚度）随着变形量的增大逐渐减小，呈现出渐软特性；在变形量较大时，斜率随着变形的增大而逐渐增大，呈现出渐硬特性，这说明金属减振器在工作时具有硬刚度特性。在不同量级的过载环境下，金属减振器受到不同大小的惯性力，减振器的动刚度特性也会随之受到影响。由前一节可知，过载振动复合环境下，减振器的位移随着惯性力的增大而增大，导致减振器的刚度（1+2）变大，系统的谐振频率w相对于w0向右偏移，减振器的工作频率范围(f, +¥)缩小，从而导致减振系统的减振效率下降。

2 试验设计

为研究不同量级过载状态下，同一随机振动条件下金属减振器的动态性能，开展过载振动试验。首先需要明确过载环境下设备对金属减振器的影响。在导弹飞行过程中，金属减振器会受到设备过载情况下的惯性力ma的作用，在不同量级的加速度环境下，金属减振器的刚度表现也不同。由于金属减振器通常为双侧安装且轴对称结构，惯性力对减振器同一方向的正负两个方向影响是一致的。本文开展三个正方向的过载振动试验。本文通过对设备施加过载环境引起的同等大小的惯性力，来模拟过载环境。设备随机振动条件见表1。

试验过程中，通过弹性绳、测力计外部施加不同大小的拉力来模拟不同过载量级对减振器的影响[14]。设计工装和与设备同质量、同质心位置且有相同接口的配重来开展试验。为模拟金属减振器的真实受力情况，在施加外力时，力的方向穿过设备质心并实际过载的方向平行，振动台上模拟过载振动复合环境试验示意图如图5所示。

图5 过载振动复合环境试验系统示意图

表1 随机振动条件

图6 三方向过载振动试验现场图

Fig.6 Three-direction overload vibration test photo

将配重通过金属减振器与工装进行装配，再将工装紧固在振动台上。试验时控制点在振动台台面和工装上，测量点在配重质心附近。通过弹性绳、测力计穿过质心，在振动方向上施加等效于不同过载量级的力。如图6所示，开展过载振动试验。

3 试验结果分析

试验测量数据见表2，从表中数据可看到，在3种不同量级的过载情况下，随着过载量级增大，减振器三方向的谐振频率增大，减振效率变小；X向谐振频率由62.5Hz增大到122.5Hz、Y向谐振频率由97.5Hz增大到122.5Hz、Z向谐振频率由100Hz增大到131.2Hz；金属减振器X方向的减振效率由72.04%降至55.47%、Y方向的减振效率由56.04%降至45.14%；Z方向的减振效率由55.40%降至50.27%。相比无过载环境下的随机振动，三方向谐振频率升高、减振效率下降，但减振效率仍在45%以上。其中Y方向沿着重力方向，不施加过载环境时，减振器会受到设备重力的影响，因此在Y方向的正方向施加1g的过载与不施加过载两种情况，减振器的受力状态是一致的，这点从二者的谐振频率和减振效率可以看出。其中X方向在无过载和1g过载环境下，谐振频率、减振效率比较接近，变化趋势不明显；这是由于1g的过载量级对减振器性能的影响较小，且两次试验不是同期开展的，试验结果可能存在一定误差。

表2 过载振动试验结果分析

图7～图9给出了减振后三方向的振动响应曲线，从图中可以看出，不同过载量级下，减振系统的响应峰值对应的频率越来越大，但峰值的大小、响应曲线整体的走向大体上是一致的。

从试验曲线可以看出，随着过载量级的增大，减振系统的谐振频率增大，减振效率下降。这是因为过载环境改变了金属减振器工作时的受力情况，由于金属减振器硬刚度特性，导致减振器的动刚度随着过载量级增大而增大。这说明金属减振器在过载振动复合环境下减振时应充分考虑到由于过载引起的减振系统频率特性和减振效率变化。

图7 X方向过载振动响应曲线

图8 Y方向过载振动响应曲线

图9 Z方向过载振动响应曲线

根据试验研究结果，可以总结出金属减振器应用在设备过载振动复合环境下减振时应该遵循以下原则

1）在满足设备频率管理要求的前提下，减振系统设计的谐振频率尽可能低，减振效率尽可能高，与减振指标之间充分保留一定余量；

2）选用金属减振器时，在承载能力满足要求的前提下，选择刚度更小的型号。

4 结论

本文通过刚度非线性阻尼系统研究了金属减振器非线性刚度、阻尼对振动响应的影响。以金属减振器在某型号弹上设备在过载振动复合环境下的振动控制为对象，采用施加等效过载力的方式模拟过载环境，设计了与设备同质量同质心的配重，开展了过载振动试验。试验结果验证了：在相同振动环境下，过载量级越大，金属减振器的刚度越大，减振系统的谐振频率越大，减振效率越低。本文开展的过载振动试验实施方法和试验结果可作为后续过载振动复合环境下设备的减振设计参考，使金属减振器在设备过载振动复合环境下发挥更好的减振作用，实现更高的减振效率。

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Research on Overload Vibration Compound Environment Test of Metal Shock Absorber

CAO Lu WANG Peng-hui LI Hao-yu LIU Kai-xuan ZHANG Jian-wen

(Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076）

Missiles and rocket equipment always face a complex environment of overload and vibration in the mission profile. It may affect the normal operation of key equipment in severe cases. At present, more and more important equipment uses metal rubber absorbers for vibration control, but metal rubber absorbers have nonlinear characteristics of stiffness, and the compound environment of overload vibration will affect their own performance. This paper studies the mechanical performance characterization method of metal rubber absorbers. Through the nonlinear stiffness damping system, the influence of overload environment on the vibration reduction performance is studied. At the same time, overload vibration test was carried out for a certain type of missile equipment vibration reduction, and the test method was designed to simulate the effect of inertia force on the shock absorber under overload environment by applying force load. The test showed that under different levels of overload environment, the three-direction resonance frequency of the damping system increased and the effect of vibration reduction was reduced. Therefore, when metal shock absorbers are used to reduce vibration of equipment in complex mechanical environment, the influence of overload environment should be fully considered to ensure the normal operation of key equipment in launch and reentry stage of aircraft.

Overload and vibration; Vibration control; Vibration damping

V416.5

A

1006-3919(2022)02-0042-06

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2022.02.006

2022-01-08；

2022-02-23

曹露（1994—），女，硕士，工程师，研究方向：减振设计/结构动力学；(100076)北京 9200信箱72分箱.