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《船舶力學(xué)雜志》2016年第Z1期

摘要：

針對(duì)隔振器和傳統(tǒng)的限位器配套使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次沖擊的問(wèn)題，基于力的合成法則，設(shè)計(jì)了一種新型恒力限位裝置，建立了相應(yīng)的恒力限位隔沖系統(tǒng)模型，分析了限位器安裝間隙和恒力值對(duì)系統(tǒng)抗沖擊性能的影響，并與線性限位隔沖系統(tǒng)、無(wú)限位線性隔沖系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。參數(shù)影響分析結(jié)果表明對(duì)于某一確定的安裝間隙，存在一個(gè)最優(yōu)恒力值使得恒力限位隔沖系統(tǒng)的緩沖系數(shù)最小。沖擊響應(yīng)的對(duì)比分析表明新型恒力限位隔沖系統(tǒng)比傳統(tǒng)的線性限位隔沖系統(tǒng)和無(wú)限位線性隔沖系統(tǒng)具有更好的抗沖擊性能。

關(guān)鍵詞：

恒力限位器；隔沖性能；安裝間隙；緩沖系數(shù)

船舶在服役期間不可避免地要遭受各種水下爆炸載荷帶來(lái)的沖擊，此類沖擊，根據(jù)其爆炸當(dāng)量、爆炸方式及爆炸距離的不同，不一定對(duì)船體造成毀滅性的損壞，但卻會(huì)給各種艦載設(shè)備帶來(lái)沖擊作用，可能使其失效，從而使船舶失去應(yīng)有的生命力和戰(zhàn)斗力[1]。傳統(tǒng)上船舶設(shè)計(jì)時(shí)先進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行抗沖擊校核[2]。按照這種思想設(shè)計(jì)的隔振器雖然可以減小設(shè)備的絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值，但卻會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)位移，有可能造成設(shè)備附屬連接管系的損壞，甚至超過(guò)隔振器本身的極限變形能力[3]。目前，為了改善這種情況，通常在隔振系統(tǒng)中安裝限位器，此種方法可以降低相對(duì)位移幅值，但如果限位器參數(shù)取得不恰當(dāng)，就會(huì)引起系統(tǒng)的二次沖擊[4]，無(wú)法得到良好的抗沖擊性能。因此，對(duì)限位器結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要的意義。恒力彈性機(jī)構(gòu)是一種隨著變形的增大輸出載荷基本保持不變的新型彈簧機(jī)構(gòu)，具有載荷恒定、儲(chǔ)能密度高等特點(diǎn)[5-7]，主要應(yīng)用于儀器儀表、航天、醫(yī)療、機(jī)械等[8-9]多個(gè)領(lǐng)域，例如平衡機(jī)構(gòu)、月球重力模擬、恒力支吊架等[10-11]，但其在沖擊隔離領(lǐng)域研究得較少。本研究基于力的合成原理，設(shè)計(jì)了一種恒力限位器，分析了限位器參數(shù)對(duì)沖擊響應(yīng)的影響，并與線性限位器隔沖系統(tǒng)、無(wú)限位器隔沖系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。

1恒力限位器的組成

設(shè)計(jì)恒力限位器的目的是提升隔沖系統(tǒng)的抗沖擊性能，解決目前限位器使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生二次沖擊的問(wèn)題。圖1所示為一種具體的實(shí)現(xiàn)形式，從圖中可以看出，該恒力限位器為一種壓縮式彈性機(jī)構(gòu)，不可進(jìn)行拉伸，設(shè)計(jì)思想是利用力的合成原理，通過(guò)設(shè)計(jì)凸輪滑軌3，改變水平側(cè)向彈簧力5的傳遞方向，使得垂向主彈簧6與兩個(gè)側(cè)向彈簧5在垂直方向的受力保持恒定。垂向主彈簧6主要提供初始的預(yù)緊力（恒力）和沖擊響應(yīng)過(guò)程中的緩沖作用，兩個(gè)側(cè)向彈簧5主要提供與主彈簧方向相反的力，用來(lái)維持限位器在整個(gè)行程中的恒力，調(diào)節(jié)螺母7用于改變恒力大小，恒力大小由被隔離設(shè)備允許承受的最大加速度和隔振器的剛度、極限變形量共同確定。

2恒力限位隔沖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

安裝恒力限位器的沖擊隔離系統(tǒng)如圖3所示。假設(shè)系統(tǒng)基礎(chǔ)受到?jīng)_擊信號(hào)y咬δδt，令相對(duì)位移δ=x-y，根據(jù)牛頓第二定律，可列出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程：恒力限位隔沖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（8）是強(qiáng)非線性微分方程，無(wú)法給出直觀的解析解。為了研究系統(tǒng)的響應(yīng)特點(diǎn)，本研究采用龍哥—庫(kù)塔法進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3沖擊響應(yīng)計(jì)算與分析

令被隔離設(shè)備質(zhì)量m=50kg，假設(shè)恒力限位隔沖系統(tǒng)遭受加速度峰值為60g（1g=9.8m/s2），沖擊作用時(shí)間為5ms的半正弦激勵(lì)。對(duì)不同限位器安裝間隙（0~0.03m）和不同恒力大?。?~15000N)）下的沖擊模型（8）進(jìn)行數(shù)值模擬，分析限位器安裝間隙和恒力大小對(duì)沖擊響應(yīng)的影響。

3.1限位器安裝間隙對(duì)沖擊響應(yīng)的影響不同安裝間隙下被隔離設(shè)備的沖擊響應(yīng)結(jié)果如圖4~7所示。從圖中可以看出，限位器安裝間隙越大，被隔離設(shè)備的相對(duì)位移響應(yīng)幅值和絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值越大，且限位器間隙越大，被隔離設(shè)備達(dá)到幅值所用的時(shí)間越長(zhǎng)。為了綜合評(píng)價(jià)隔沖系統(tǒng)的抗沖擊性能，在沖擊響應(yīng)過(guò)程中，一般把設(shè)備絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值A(chǔ)max與相對(duì)位移響應(yīng)幅值Xmax的乘積與階躍速度v0的平方之比稱為系統(tǒng)緩沖系數(shù)，用來(lái)表示系統(tǒng)的抗沖擊極限性能，其值越小，表示系統(tǒng)抗沖性能越好。系統(tǒng)的緩沖系數(shù)隨限位器安裝間隙的變化曲線如圖8所示，從圖中可以看出，限位器安裝間隙越大，系統(tǒng)緩沖系數(shù)越大。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在不影響系統(tǒng)隔振性能的前提下應(yīng)盡量減小限位器的安裝間隙。

3.2恒力大小對(duì)系統(tǒng)抗沖擊性能的影響不同安裝間隙下系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)幅值隨限位器恒力值的變化曲線如圖9、10所示。從圖中可以看出，被隔離設(shè)備的相對(duì)位移響應(yīng)幅值隨著限位器恒力值的增大而減小，絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值隨著恒力值的增大而增大。不同安裝間隙下系統(tǒng)緩沖系數(shù)隨著限位器恒力值的變化曲線如圖11所示。從圖中可以看出，對(duì)于某一確定的安裝間隙，系統(tǒng)緩沖系數(shù)隨著恒力值的增大先減小后增大，即存在一個(gè)最優(yōu)的恒力值，使得系統(tǒng)的緩沖系數(shù)最?。徊煌陌惭b間隙，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)恒力值不同，安裝間隙越大，最優(yōu)恒力值越小。

4對(duì)比分析

為了檢驗(yàn)恒力限位緩沖系統(tǒng)的抗沖擊性能，與等效線性限位緩沖系統(tǒng)、無(wú)限位線性緩沖系統(tǒng)進(jìn)行沖擊響應(yīng)的對(duì)比。從能量角度出發(fā)，抗沖擊的本質(zhì)是將瞬態(tài)的、極大的沖擊能量以位移能的形式存儲(chǔ)在抗沖器中，然后再緩慢釋放，所以線性限位緩沖系統(tǒng)的等效剛度考慮采用能量等效法進(jìn)行計(jì)算。同等沖擊條件下，恒力限位隔沖系統(tǒng)、等效線性限位隔沖系統(tǒng)和無(wú)限位線性隔沖系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)如圖13、14所示，從圖中可以看出，無(wú)限位線性隔沖系統(tǒng)的相對(duì)位移響應(yīng)幅值最大，恒力限位隔沖系統(tǒng)次之，等效線性限位隔沖系統(tǒng)最小；等效線性限位隔沖系統(tǒng)的絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值明顯大于其他兩個(gè)系統(tǒng)的絕對(duì)加速度響應(yīng)幅值，恒力限位隔沖系統(tǒng)次之，無(wú)限位線性隔沖系統(tǒng)最小。通過(guò)計(jì)算得出恒力限位隔沖系統(tǒng)的緩沖系數(shù)為0.80，等效線性限位隔沖系統(tǒng)的緩沖系數(shù)為1.50，無(wú)限位線性隔沖系統(tǒng)的緩沖系數(shù)為0.87。因此，恒力限位隔沖系統(tǒng)的抗沖擊性能優(yōu)于其他兩個(gè)系統(tǒng)的抗沖擊性能。

5結(jié)論

本文基于力的合成原理，設(shè)計(jì)了一種恒力限位器，建立了恒力限位隔沖系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值分析了限位器安裝間隙、恒力值大小對(duì)恒力限位隔沖系統(tǒng)抗沖擊性能的影響，并與線性限位隔沖系統(tǒng)、無(wú)限位線性隔沖系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比，主要研究結(jié)論有：（1）恒力限位器的安裝間隙越小，系統(tǒng)抗沖擊性能越好；（2）對(duì)于某一確定的安裝間隙，存在一個(gè)最優(yōu)恒力值使得系統(tǒng)的緩沖系數(shù)最小，且安裝間隙越大，最優(yōu)恒力值越?。唬?）與線性限位隔沖系統(tǒng)、無(wú)限位線性隔沖系統(tǒng)相比，恒力限位隔沖系統(tǒng)可以有效提升系統(tǒng)的抗沖擊性能。

作者：張春輝 曾凡明 計(jì)晨 張瑋 溫肇東 單位：海軍工程大學(xué) 海軍裝備研究院