液压限位隔离系统冲击响应特性研究

刘海超，闫 明，张春辉，刘慧芳

（1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁 沈阳 1108702；2.海军研究院，北京100161）

1 引言

舰船在作战中难免遭受水雷、鱼雷等敌方武器的攻击，由此产生的水下非接触爆炸冲击载荷可能会造成舰船设备的大面积失效，导致舰艇丧失战斗力和生命力[1-2]，因此设备是限制舰船抗冲击能力的薄弱环节。目前，各国海军普遍采用在船体和设备之间添加隔离器的方法，既能降低设备的振动和噪声也能增强设备的抗冲击能力。隔离系统的固有频率一般都较低，因此受到冲击时，设备的加速度响应都不大，但设备相对船体的位移却较大，可能会超过设备与外界联接部件（比如联轴器、挠性接管等）的允许值，也可能会超过了隔离元件本身的变形范围，因此，常在设备上安装限位器来降低设备的相对位移[3-4]。但是，一旦限位参数不匹配，极易造成更为剧烈的二次冲击问题[5]。

为提高舰载设备的抗冲击性能，国内外学者对带限位隔离系统进行了深入的研究。文献[6]通过一系列带间隙弹簧单元的叠加模拟限位器的非线性刚度和限位器间隙，并通过限位舰用管道系统的算例进行冲击响应特性分析。文献[7]利用伪力法分析了限位器参数对带限位器浮筏隔振系统模型冲击响应的影响，并加以试验验证。文献[8-10]分别利用不同的仿真软件建立带限位隔离系统的计算模型，分析了限位器数对冲击响应的影响，并提出了限位器参数的初步设计方法。以上研究为限位器的设计提供了一定的理论基础，但都忽略了限位器阻尼对隔离系统冲击响应的影响。文献[11]考虑了限位器阻尼因素，利用分段线性杜哈梅积分对双限位隔离系统冲击方程进行解析求解，进一步分析限位器参数对冲击响应的影响，并通过多岛遗传算法优化了限位器参数。但传统弹性限位器多采用橡胶或聚氨酯等超弹性材料，一旦被隔离设备碰撞限位器，由于加速度的突变以及弹性变形必然引起更为剧烈的二次冲击造成舰载设备的损坏。

因此，需要一种反应灵敏、能耗高，缓冲效果好的限位装置代替传统限位器，而液压缓冲器具有以上全部优良特性并已经被广泛应用在了飞机起落架抗冲、火炮缓冲、建筑物抗震等多个领域[12]。所以这里首次提出将液压缓冲器引入舰载设备的隔离系统中充当限位装置，建立基于了AMESim的仿真计算模型，分析了液压缓冲器阻尼孔孔径对隔离系统冲击响应的影响，然后对液压限位与橡胶限位隔离系统冲击响应特性进行了对比分析，并加以试验验证，旨在为带限位隔离系统设计提供新的思路与方向。

2 液压限位隔离系统模型构建

2.1 物理模型

液压限位隔离系统物理模型，如图1 所示。主要结构由基座、弹簧隔离器、液压限位器和被隔离设备四个部分组成。其中，弹簧隔离器上下两端分别与设备和基座相连，起到了支撑、隔振的作用，被动式液压缓冲器与弹簧隔离器并联于设备和基座之间，当冲击激励作用在基座上，被隔离设备开始快速运动，此时，液压限位器通过节流孔的节流作用产生较大的阻尼力，能够快速消耗系统中的能量，对被隔离设备起到较好的缓冲和限位的效果。

图1 液压限位隔离系统的物理模型Fig.1 Physical Model of Hydraulic Limit Isolation System

2.2 冲击载荷

根据德国军标BV043-85的相关规定，用图2所示的正负双半正弦波表示水下非接触爆炸冲击载荷，图中横坐标为时间，纵坐标为加速度，V1、V2分别代表正、负波速度，A1、A2分别代表正、负波加速度峰值，t1、t2分别代表正、负波冲击时间。

图2 冲击载荷Fig.2 The Shock Load

根据舰载设备的抗冲击要求以及目前国内各科研院所冲击试验机冲击激励的载荷范围，这里参照图2 选取A1= 110g；A2=44g；t1=5.0ms；t2=12.5ms的正负双半正弦波作为输入冲击载荷。

2.3 基于AMESim仿真计算模型

AMESim是一个多学科领域复杂系统建模与仿真平台，通过创建和运行多物理场仿真模型来分析复杂的系统特性，所以基于AMESim的建模与仿真是液压系统特性分析的重要手段之一[13]。

因此，为了更好地分析液压限位隔离系统冲击响应特性，这里建立了基于AMESim的液压限位隔离系统仿真计算模型，如图3所示。

图3 基于AMESim的仿真计算模型Fig.3 Simulation Calculation Model Based on AMESim

该模型主要由信号源、弹簧隔离器、液压限位器和被隔离设备四部分组成。其中，信号源即信号发生装置，是通过AMESim中的二次开发功能对输入信号进行编译，使其能够实现正负双半正弦波冲击激励信号的加载；弹簧隔离器选用机械库中的弹簧-阻尼模型来模拟其刚度和阻尼特性；液压限位器主要通过HCD库中两个BRP18模型组合成液压限位器的主体部分，并通过液压库中的HYDORG1模型来模拟液压限位器中的阻尼孔，由二者共同构成了双出杆孔隙式液压限位器模型；同时选用机械库中的MAS31元件来模拟被隔离设备的质量。由此组成了完整的液压限位隔离系统仿真模型。

为了便于冲击仿真计算以及设计试验装置进行相关试验的验证，故采用舰载设备的缩比模型，其质量为8kg，与之匹配的弹簧隔离器参数和液压缓冲器参数，如表1所示。

表1 仿真计算参数Tab.1 Simulation Calculation Parameters

3 液压限位隔离系统冲击响应分析

液压缓冲器的工作原理是利用粘滞液体通过阻尼孔产生的阻尼力来吸收并消耗系统中的冲击能量，进而达到减小系统冲击响应峰值的目的。由文献[14]可知，对于双出杆孔隙式液压缓冲器来说，阻尼孔孔径是影响液压缓冲器阻尼系数的最重要参数，因此，首先分析了阻尼孔孔经对液压限位隔振系统冲击响应的影响。其次，为了进一步说明采用液压缓冲器充当限位器时，隔离系统具有的优良特性，对比分析了液压限位和传统橡胶限位隔离系统的冲击响应特性。

同时，对于限位的隔离系统来说，通常要求在保证被隔离设备的相对位移不超过极限位移的同时尽可能降低其加速度响应峰值，因此，这里采用式（1）所示加速度隔冲率η来衡量隔离系统的抗冲击能力[15]，其加速度隔冲率越大，系统的抗冲击能力越强。

式中：Ai—加速度输入峰值；Am—加速度输出峰值。

3.1 阻尼孔孔径对冲击响应的影响

选取液压缸的直径为30mm，阻尼孔孔径在（1～8）mm变化，其他参数同表1，对液压限位隔振系统施加如图2所示的冲击载荷，分析液压限位器阻尼孔孔径对隔离系统冲击响应的影响。

隔离系统相对位移响应、加速度响应随阻尼孔孔径变化规律曲线，如图4、图5所示。

图4 相对位移响应曲线Fig.4 Relative Displacement Response Curve

图5 加速度响应曲线Fig.5 Acceleration Response Curve

由图4、图5可知：当阻尼孔孔径d1＞5mm时，虽然加速响应峰值低于40g，但相对位移响应峰值高于16mm，可能已经超出了隔离系统所允许的极限位移，同时，隔离系统一直振荡，进入稳定状态用时较长，说明此时液压限位器的阻尼系数较小，缓冲、限位能力较差；当阻尼孔孔径d1＜3mm时，相对位移响应峰值较小，低于9mm，但此时加速度响应峰值高较大，甚至远远超过了冲击激励正波峰值110g，加速度隔冲率出现负值，这说明此时隔离系统抗冲击能力极差；当阻尼孔孔径3≤d1≤5mm 时，相对位移响应峰值在（9～16）mm 之间，加速度响应峰值范围在（40～80）g之间，当阻尼孔孔径为4mm时，加速度隔冲率为47.50%，同时系统振荡次数减少，快速恢复到了稳定状态，此时液压限位隔离系统具有最佳冲击响应特性。

综上所述，随着阻尼孔由大到小，虽然隔离系统的相对位移响应峰值迅速减小，但其加速度响应骤然增大，加速度隔冲率会迅速下降。因此，对于具有额定负载的隔离系统，并非阻尼孔孔径越小，阻尼系数越大，液压限位隔离系统的抗冲击性能越好，而是存在一个最优阻尼孔区间，在该区间内，不仅能够有效的限制相对位移响应峰值，而且使隔离系统具有较好的抗冲击性能。

3.2 液压与橡胶限位隔离系统冲击响应对比分析

为了更好地对比分析液压限位与橡胶限位隔离系统的冲击响应特性，选择液压缓冲器阻尼孔孔径为4mm，其他参数同表1，橡胶限位器材料选择舰载设备限位器常用的丁晴胶，其阻尼比为0.06，同时，通过调整橡胶限位器的刚度，在保证液压限位与橡胶限位隔离系统相对位移响应峰值相同时，对比二者的加速度响应特性。通过调整最终橡胶限位器的刚度为1000N/mm。相对位移响应和加速度响应曲线，如图6、图7所示。由图6、图7可知，隔离系统的响应过程主要分为冲击载荷作用阶段和自由振动阶段。同时在相同的冲击载荷作用下，无限位隔离系统最大相对位移响应幅值为28.78mm，最大加速度响应幅值为14.39g,加速度隔冲率为86.92%；橡胶限位隔离系统最大响应幅值出现在冲击载荷作用阶段的第二个峰值，最大相对位移响应幅值为13.73mm，最大加速度响应为164.80g，加速度峰值大于冲击激励的110g，加速度隔冲率为负值，隔冲性能较差；液压限位隔离系统最大响应幅值出现在冲击载荷作用阶段的第一个峰值，最大相对位移响应为13.70mm，最大加速度响应幅值为57.75g，加速度隔冲率为47.50%。

图6 相对位移响应曲线Fig.6 Relative Displacement Response Curve

图7 加速度响应曲线Fig.7 Acceleration Response Curve

与无限位隔离系统相比，使用限位器能够使隔离系统的相对位移响应降低50%以上，这说明限位装置确实起到了很好的限位作用。但是在降低相对位移响应的同时，橡胶限位会导致加速度响应骤然上升，甚至远远超过了冲击加载，加速度隔冲率出现负值，导致隔离系统的抗冲击性能大幅降低；而液压限位虽然也会导致加速度响应略有升高，但是加速度隔冲率依旧在45%以上，满足隔离系统的隔冲要求。与橡胶限位隔离系统相比，在相对位移响应近似一致的前提下，液压限位隔离系统的加速度响应幅值降低了65%，同时加速度响应在第一个波峰出现最大值，随后迅速衰减，恢复平衡状态，这说明采用液压限位不仅能够有效限制相对位移响应，而且改善了橡胶限位造成的二次冲击问题，大幅提高了隔离系统的抗冲击能力。

4 冲击试验与仿真计算对比分析

4.1 试验装置简介

为了验证上述仿真计算规律的正确性，设计的液压限位和橡胶限位隔离系统的试验装置，如图8所示。并采用某科研院所研制的500kg垂向双波冲击试验机进行冲击试验验证，带限位隔离系统实验装置在冲击试验台上的安装分布图，如图9所示。分别通过位移传感器和加速度传感器分别采集质量块（被隔离设备）上的相对位移响应和加速度响应。

图8 限位隔离系统试验装置Fig.8 Limit Isolation System Test Device

图9 试验装置布局图Fig.9 Test Device Layout

4.2 试验结果分析

调整试验装置各部分参数同仿真计算参数一致，通过垂向双波冲击试验机施加与仿真相同的冲击激励进行冲击试验验证。无限位、橡胶限位以及液压限位隔离系统的仿真计算与试验测量的加速度响应时域历程曲线对比结果，如图10～图12所示。

图10 无限位隔离系统试验与仿真对比曲线Fig.10 Infinite Isolation System Test and Simulation Comparison Curve

图11 橡胶限位隔离系统试验与仿真对比曲线Fig.11 Test and Simulation Comparison Curve of Rubber Limit Isolation System

图12 液压限位隔离系统试验与仿真对比曲线Fig.12 Test Device Layout Test and Simulation Comparison Curve of Hydraulic Limit Isolation System

由图10～图12可知，无限位、橡胶限位以及液压限位隔离系统仿真计算与试验测得的加速度响应时域历程曲线具有较好的一致性，同时，试验测得的三种隔离系统的加速度响应依次是14.72g、169.17g和60.32g，仿真计算误差依次为2.24%、2.58%和4.26%，均在误差允许范围内。通过上述试验数据与仿真计算时域曲线对比分析可知，仿真计算规律具有一定可靠性与准确性，能够较为真实地反应出三种隔离系统的冲击响应的动态特性，进而证明了采用液压缓冲器充当隔离系统限位装置，不仅能有效限制被隔离设备的相对位移响应，而且相对橡胶限位，在相对位移一致的条件下，能将加速度响应降低65%以上，改善了橡胶限位引起的二次冲击问题，大幅提高了隔离系统的抗冲击性能。

5 结论

首先将液压缓冲器引入舰载设备用的隔离系统中充当限位装置，建立了基于AMESim的液压限位隔离系统仿真计算模型，分析了阻尼孔孔径对隔离系统冲击响应的影响，然后对比分析了液压限位与橡胶限位隔离系统冲击响应特性，最后通过冲击试验加以验证，得出以下结论：（1）在液压限位隔离系统中，对于任意一额定负载，并非阻尼孔越小，隔离系统的冲击响应特性越好，而是存在一个最佳阻尼孔，即最优阻尼系数，在该阻尼孔条件下，隔离系统才会具有良好的限位、隔冲性能。（2）与橡胶限位隔离系统相比，采用合理的液压限位器，不仅能够有效限制隔离系统的相对位移响应，而且能够在保证相对位移响应一致的条件下，将加速度响应幅值降低65%以上，同时隔离系统的隔冲率在45%以上，大幅提高了限位隔离系统的抗冲击性能。（3）液压缓冲器具有较大的阻尼系数，在冲击作用时，由于冲击瞬间速度较快，缓冲器阻尼力较大，起到了很好地限位效果；在自由振动阶段，由于粘滞阻尼的作用，能够快速吸收并消耗系统中的能量，使其恢复稳定状态。因此，合理的液压限位隔离系统的最大加速度响应均出现在第一个波峰，这样有效改善了传统橡胶限位隔离系统中二次冲击对被隔离设备造成的损坏。

综上，将液压缓冲器引入隔离系统充当限位器能够大幅提高其隔振抗冲击性能，因此，设计出适合舰载设备用的液压限位器具有重大的研究意义与广泛的应用前景。