恒力限位器的隔冲性能研究范文

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《船舶力学杂志》2016年第Z1期

摘要：

针对隔振器和传统的限位器配套使用时会产生二次冲击的问题，基于力的合成法则，设计了一种新型恒力限位装置，建立了相应的恒力限位隔冲系统模型，分析了限位器安装间隙和恒力值对系统抗冲击性能的影响，并与线性限位隔冲系统、无限位线性隔冲系统的冲击响应进行了对比。参数影响分析结果表明对于某一确定的安装间隙，存在一个最优恒力值使得恒力限位隔冲系统的缓冲系数最小。冲击响应的对比分析表明新型恒力限位隔冲系统比传统的线性限位隔冲系统和无限位线性隔冲系统具有更好的抗冲击性能。

关键词：

恒力限位器；隔冲性能；安装间隙；缓冲系数

船舶在服役期间不可避免地要遭受各种水下爆炸载荷带来的冲击，此类冲击，根据其爆炸当量、爆炸方式及爆炸距离的不同，不一定对船体造成毁灭性的损坏，但却会给各种舰载设备带来冲击作用，可能使其失效，从而使船舶失去应有的生命力和战斗力[1]。传统上船舶设计时先进行隔振设计，然后再进行抗冲击校核[2]。按照这种思想设计的隔振器虽然可以减小设备的绝对加速度响应幅值，但却会产生较大的相对位移，有可能造成设备附属连接管系的损坏，甚至超过隔振器本身的极限变形能力[3]。目前，为了改善这种情况，通常在隔振系统中安装限位器，此种方法可以降低相对位移幅值，但如果限位器参数取得不恰当，就会引起系统的二次冲击[4]，无法得到良好的抗冲击性能。因此，对限位器结构和参数进行优化设计研究具有重要的意义。恒力弹性机构是一种随着变形的增大输出载荷基本保持不变的新型弹簧机构，具有载荷恒定、储能密度高等特点[5-7]，主要应用于仪器仪表、航天、医疗、机械等[8-9]多个领域，例如平衡机构、月球重力模拟、恒力支吊架等[10-11]，但其在冲击隔离领域研究得较少。本研究基于力的合成原理，设计了一种恒力限位器，分析了限位器参数对冲击响应的影响，并与线性限位器隔冲系统、无限位器隔冲系统的冲击响应进行了对比。

1恒力限位器的组成

设计恒力限位器的目的是提升隔冲系统的抗冲击性能，解决目前限位器使用时会产生二次冲击的问题。图1所示为一种具体的实现形式，从图中可以看出，该恒力限位器为一种压缩式弹性机构，不可进行拉伸，设计思想是利用力的合成原理，通过设计凸轮滑轨3，改变水平侧向弹簧力5的传递方向，使得垂向主弹簧6与两个侧向弹簧5在垂直方向的受力保持恒定。垂向主弹簧6主要提供初始的预紧力（恒力）和冲击响应过程中的缓冲作用，两个侧向弹簧5主要提供与主弹簧方向相反的力，用来维持限位器在整个行程中的恒力，调节螺母7用于改变恒力大小，恒力大小由被隔离设备允许承受的最大加速度和隔振器的刚度、极限变形量共同确定。

2恒力限位隔冲系统数学模型

安装恒力限位器的冲击隔离系统如图3所示。假设系统基础受到冲击信号y咬δδt，令相对位移δ=x-y，根据牛顿第二定律，可列出系统的运动微分方程：恒力限位隔冲系统数学模型（8）是强非线性微分方程，无法给出直观的解析解。为了研究系统的响应特点，本研究采用龙哥—库塔法进行数值模拟分析。

3冲击响应计算与分析

令被隔离设备质量m=50kg，假设恒力限位隔冲系统遭受加速度峰值为60g（1g=9.8m/s2），冲击作用时间为5ms的半正弦激励。对不同限位器安装间隙（0~0.03m）和不同恒力大小（0~15000N)）下的冲击模型（8）进行数值模拟，分析限位器安装间隙和恒力大小对冲击响应的影响。

3.1限位器安装间隙对冲击响应的影响不同安装间隙下被隔离设备的冲击响应结果如图4~7所示。从图中可以看出，限位器安装间隙越大，被隔离设备的相对位移响应幅值和绝对加速度响应幅值越大，且限位器间隙越大，被隔离设备达到幅值所用的时间越长。为了综合评价隔冲系统的抗冲击性能，在冲击响应过程中，一般把设备绝对加速度响应幅值Amax与相对位移响应幅值Xmax的乘积与阶跃速度v0的平方之比称为系统缓冲系数，用来表示系统的抗冲击极限性能，其值越小，表示系统抗冲性能越好。系统的缓冲系数随限位器安装间隙的变化曲线如图8所示，从图中可以看出，限位器安装间隙越大，系统缓冲系数越大。因此，在设计过程中，在不影响系统隔振性能的前提下应尽量减小限位器的安装间隙。

3.2恒力大小对系统抗冲击性能的影响不同安装间隙下系统的冲击响应幅值随限位器恒力值的变化曲线如图9、10所示。从图中可以看出，被隔离设备的相对位移响应幅值随着限位器恒力值的增大而减小，绝对加速度响应幅值随着恒力值的增大而增大。不同安装间隙下系统缓冲系数随着限位器恒力值的变化曲线如图11所示。从图中可以看出，对于某一确定的安装间隙，系统缓冲系数随着恒力值的增大先减小后增大，即存在一个最优的恒力值，使得系统的缓冲系数最小；不同的安装间隙，对应的最优恒力值不同，安装间隙越大，最优恒力值越小。

4对比分析

为了检验恒力限位缓冲系统的抗冲击性能，与等效线性限位缓冲系统、无限位线性缓冲系统进行冲击响应的对比。从能量角度出发，抗冲击的本质是将瞬态的、极大的冲击能量以位移能的形式存储在抗冲器中，然后再缓慢释放，所以线性限位缓冲系统的等效刚度考虑采用能量等效法进行计算。同等冲击条件下，恒力限位隔冲系统、等效线性限位隔冲系统和无限位线性隔冲系统的冲击响应如图13、14所示，从图中可以看出，无限位线性隔冲系统的相对位移响应幅值最大，恒力限位隔冲系统次之，等效线性限位隔冲系统最小；等效线性限位隔冲系统的绝对加速度响应幅值明显大于其他两个系统的绝对加速度响应幅值，恒力限位隔冲系统次之，无限位线性隔冲系统最小。通过计算得出恒力限位隔冲系统的缓冲系数为0.80，等效线性限位隔冲系统的缓冲系数为1.50，无限位线性隔冲系统的缓冲系数为0.87。因此，恒力限位隔冲系统的抗冲击性能优于其他两个系统的抗冲击性能。

5结论

本文基于力的合成原理，设计了一种恒力限位器，建立了恒力限位隔冲系统的数学模型，数值分析了限位器安装间隙、恒力值大小对恒力限位隔冲系统抗冲击性能的影响，并与线性限位隔冲系统、无限位线性隔冲系统的冲击响应进行了对比，主要研究结论有：（1）恒力限位器的安装间隙越小，系统抗冲击性能越好；（2）对于某一确定的安装间隙，存在一个最优恒力值使得系统的缓冲系数最小，且安装间隙越大，最优恒力值越小；（3）与线性限位隔冲系统、无限位线性隔冲系统相比，恒力限位隔冲系统可以有效提升系统的抗冲击性能。

作者：张春辉 曾凡明 计晨 张玮 温肇东 单位：海军工程大学 海军装备研究院