_ 军用装备抗振动、抗冲击设计方法

装备环境工程
E QU IP M ENT ENV I RONM ENTA L E NG I NEER I NG
第3卷 第5期
2006年10月
军用装备抗振动、抗冲击设计方法
马志宏,李金国
(空军装备研究院雷达所,北京100085)
摘要:阐述了军用装备在恶劣环境下抗振及抗冲加固的主要技术措施,详细介绍了振动冲击隔离的一般设计方法,说明了只有当激振频率与减振系统的固有频率之比大于2时,才有隔振效果,同时当系统的固有周期远大于冲击持续时间,冲击隔离才有可能,强调了今后应加强的振动与冲击隔离技术的研究内容。

关键词:抗振;抗冲;恶劣环境;设计方法中图分类号:V 216.55 文献标识码:A 文章编号:1672-9242(2006)05-0070-04
收稿日期:2006-07-26
作者简介:马志宏(1975-),男,山西朔州人,工程师,主要从事装备环境与可靠性试验与研究工作。

Designing Technique for Ant-i vibrating and Ant-i s hocking ofM ilitary Equip m ent
MA Zhi -hong,LI J in-guo
(A ir F orce Equip m ent A cadem e ,B eiji ng 100085,China)
Abstrac t :The ma i n re i nforc i ng m easures o f m ilitary equ i p m ents 'ant-i v i brati ng and ant-i shock i ng i n the a tro cious env i ronm ent w ere expatiated .The genera l desi gn i ng m ethod o f ant-i v i brati ng and ant-i sho ck i ng w as introduced .It w as i ndicated tha t the sho ck ab -sorber operates e ffecti ve ly on l y when the ra ti o of v i brati ng frequency to shock absorber s 'inherent frequency i s b i gger than.A t t he sa m e ti m e itw as illu m i na ted that an t-i shock i ng w orks only when shock absorber 's i nherent period is b i gge r t han shock i ng dura ti on .Then streng t hened contents for ant-i v i brati ng and ant-i shock i ng f o r the f u t ure were emphasized .
K ey word s :ant-i v ibra ting ;an t-i shock i ng ;a tro cious env iron m ent ;des i gni ng m et hod
环境条件是指产品在贮存、运输和工作过程中可能遇到的一切外界影响因素。

恶劣的环境条件对设备的使用性能甚至战局将产生严重的影响,这是因为研制出来的任何军用技术装备和电子产品,其最终目的是供部队使用,而使用中最重要的问题,就是必须保证在各种各样的战斗环境和使用环境中能有效地发挥其战斗性能和使用性能。

美国侵朝战争期间,由于武器的包装、运输、贮
存不当使武器装备损失高达45%。

根据国内专家的估计,我国由于包装不善,每年运输中的损失高达数十亿元之多。

军用装备工作环境条件恶劣,其机械环境条件包括机械振动、冲击、摇摆、离心加速度、颠振等,其中危害最大的就是振动和冲击
[1]。

为了提高装备
的可靠性,必须在设计阶段就考虑产品的环境防护。

因此,为了保证设备的可靠性,使其适应各种振动与
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冲击的环境,必须进行抗振动、抗冲击设计。

1 军用装备的机械环境条件及其特点
根据军用装备使用环境的不同,其机械环境条件不同,对军用装备抗振动、抗冲击的要求也有所不同,设计时应分别考虑。

在一般工业环境条件下,振动的频率范围为5 ~200H z,相应的最大振幅为0.2mm(峰-峰值),最大振动加速度为0.5g,冲击加速度为10g,波形为半正弦波,冲击持续时间为11m s。

加固型军用装备的机械环境条件较为恶劣,振动频率范围为5~2000H z,最大振幅为1.9mm(峰-峰值),振动加速度为3g,冲击加速度为15g,波形为半正弦波,冲击持续时间为11m s,要求军用装备在不影响其工作和机械性能的情况下可承受此类振动和冲击[2]。

全加固型(M型)军用装备可以在地面、海上、空中以及空间各种军事环境中使用,可使用于最恶劣的环境。

其机械环境条件满足军标规范要求,如根据美国M I L标准,振动为5~2000H z,随机波,振动加速度为15g,在所有方向的冲击加速度均为30 g,波形为半正弦波,冲击持续时间为11m s。

根据现代战争条件,某些军用装备要求承受60g以上的冲击加速度。

上述军用装备机械环境条件的特点是振动的频率范围很宽,下限频率很低,上限频率很高,冲击强度很大。

在这样的条件下进行抗振动、抗冲击设计是很困难的。

2 军用装备抗振动、抗冲击加固的主
要技术措施
为使军用装备能经受各种恶劣环境的振动与冲击,其抗振动与冲击加固的主要技术措施如下。

1)通过设计军用装备的内部结构及有关参数,使军用装备本身具有良好的动态特性,从而增强设备本身的抗振动和抗冲击能力。

设备内部刚性化设计一般原则如下。

a.弄清局部环境,改变安装部位,对振动和冲击敏感的部件及元器件,安装在局部环境不很恶劣的部位;
b.提高离散的电器元件的安装刚性,尽量缩短引线的长度,注重贴面焊接,并用环氧树脂胶或聚氨酯胶点封在安装板上;
c.集成电路元件,一定要注重贴面安装,降低集成电路的安装高度。

设备框架和插头等安装紧固,防止紧固件松动。

2)应用机械振动与冲击隔离技术对军用装备机械振动与冲击进行隔离,基本作法是把军用装备安装在合适的减振器上,组成军用装备减振系统,达到减振和缓冲的目的,保证军用装备在恶劣的振动和冲击环境条件下能正常工作。

减振装置一般有4类形式,分别如下。

a.阻尼减振,利用减振装置的阻尼,消耗振动及冲击能量的阻尼减振器,如常用的液压阻尼装置;
b.动力减振,利用装置中辅助质量的动力作用,消耗振动和冲击能量的动力减振器,通常称为弗拉姆系统 动力吸振系统,如用于卫星上的旋转式天线的动力减振装置;
c.摩擦减振,利用相对运动元件之间摩擦力(液体的、固体的),来消耗振动和冲击能量的摩擦减震器;
d.冲击减振,利用装置中的自由质量反复冲击振动体,消耗振动能量的冲击减振器。

选用减震器不仅考虑减振效果,还要考虑减震器的体积、重量、结构、使用维护和可靠性等因素。

除了采用减震器外,吸振材料的合理采用也是一条重要的减振措施。

3 振动冲击隔离的一般设计方法
在进行抗恶劣环境军用装备抗振动、抗冲击设计时,由于机械环境条件恶劣,振动与冲击隔离的要求极高,通常情况下使用传统的振动隔离和冲击隔离设计方法,即设计合适的减振装置,达到减振和缓冲的作用。

3.1 振动隔离设计
在一般情况下进行隔振设计时,基本作法是把需要隔振的设备安装在合适的减震器上,使大部分振动为减震器所隔离。

然而,对需要隔振的设备并不是随便选用减震器就能获得良好的隔振效果,减震器选用不当,隔振装置就达不到应有的预期效果,
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有时不但不能隔振,反而加大了设备的振动,其效果甚至比不安装减震器更坏。

通常采用的传统隔振设计计算的动力学模型是单自由度有阻尼弹簧质量系统,如图1
所示。

图1 单自由度有阻尼弹簧质量系统
F i g .1 D a m p i ng spri ng mass sy stem w ith si ng le degree
o f freedom
当激振位移u =a sin t 作用于刚性支承时,系统的运动微分方程为:
m x +cx +kx =ak si n t +ac cos t (1)
式中:m 为质量;c 为粘性阻尼系数;k 为弹簧刚度;
a 为振幅; 为激振频率。

解此方程可推导出表示隔振效果的传递率(隔振系数) 的计算公式如下:
=
1+(2 )
2
(1- 2
2)2+(2 )
2
(2)
式中: 为系统的固有频率, =k
m
; 为阻尼比, =
c
c cr
,其中c cr 为临界阻尼系数,c cr =2mk 。

根据这个方法,只有当激振频率 与减振系统的固有频率 之比 / >2时,才有隔振效果,即隔振系数 <1。

所以设计或选择减振器时,主要是确定激振频率与减振系统固有频率之比,使隔振系数在容许范围内,然后由此计算减振系统固有频率,从而确定减振器的刚度。

在实际应用中,一般取频率比 = / =2.5~5。

3.2 冲击隔离设计
从冲击现象的实质看,冲击使设备受到一个瞬
时的支承运动或力的作用。

冲击力或支承运动可用
冲击激振函数来表示。

如图2所示,质量为m 、弹簧刚度为k 、粘性阻尼系数为c 的单自由度隔冲系统在受冲击作用时,运动微分方程的一般形式为:
m v (t)+cv (t)+kv (t)=p (t)
(3)
式中:p (t)是表示冲击激振函数的普遍符号,它可以是力、加速度、速度或位移等;v (t)是系统响应的普遍符号,它可以是加速度、速度或位移等。

图2 受冲击作用的单自由度系统
F ig .2 Shocked m ass sy stem w ith si ng le degree of freedo m
经计算可知,只有当系统的固有周期T 远大于冲击持续时间t r ,冲击隔离才有可能。

通常情况下进行冲击隔离设计时,可据此设计冲击减震器。

为了有良好的隔冲效果,减振器需能产生较大的变形,这就必须给隔冲设备留出足够的位移量,即 摇摆空间 ,容许设备产生较大的位移。

这对于运输过程中设备的隔冲是容易满足的,但对于工作中
的机器设备来说,往往由于工作性能及结构上的要求或受空间的限制,不容许设备产生较大的位移,在这种情况下,就不能用上述方法来进行隔冲设计,必
须采用其它方法或将冲击减震器设计成非线性的。

对于冲击隔离来说,适当增大阻尼可以吸收冲击能量,另外由于冲击会引起设备的自由振动,增加阻尼能使自由振动迅速衰减,所以进行隔冲系数设计时,应适当选择稍大的阻尼
[3]。

4 振动与冲击隔离技术研究
振动冲击隔离技术的发展是从研制航空、宇航以及其它军用领域的抗恶劣环境设备开始起步的,因此对军用装备抗振动抗冲击加固技术的研究,必然会加速我国振动冲击隔离技术的发展。

从长远来
看,振动与冲击隔离技术的研究应加强以下几个方面内容。

1)进行各种不同机械环境条件下振动与冲击
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第3卷 第5期 马志宏等:军用装备抗振动、抗冲击设计方法隔离原理的分析研究,在基础理论的指导下,研究新
的振动冲击隔离的设计方法。

2)采用附加质量的办法改变隔振系统的性质,采用双层隔振系统和在设备上安装动力吸振器这两种方法,可以在某一频率范围得到满意的隔振效果。

3)研制具有宽频率范围带隔振特性的隔振材料。

最近2~3年来,利用粘弹性阻尼材料来进行隔振的技术得到了迅速的发展。

这种材料具有宽带隔振的特性,能在很宽的频率范围内抑制谐振峰值,国外已广泛应用于宇航、航空、军工等领域。

4)研制和开发新型减振器。

研制新颖的、高效能的减振器是提高隔振隔冲效果的有效措施,国外对此进行了大量的研究,取得了不少成果。

如美国生产的用于雷达设备隔振的衬套式减震器、弹簧减震器都有良好的隔振隔冲效果。

美国Berr ycon-tro ls公司生产的S M-SS-AA型弹簧减震器垂直方向频率只有3H z,是性能很好的低频减震器。

5)为适应复杂多变的机械环境条件,如随机激振等复杂情况,如果对隔振隔冲要求很高,要得到良好的隔振隔冲效果则是很困难的。

日本等国近年来开始研究能够进行自动控制的隔振装置,即进行有源隔振,这种隔振装置利用自动控制、微机控制等手段,应用空压、油压、电气等方法,根据外界激励的变化自动改变隔振装置的刚度和阻尼,从而在任何复杂多变的机械环境条件下都能得到良好的振动冲击隔离效果。

5 结 语
抗恶劣环境军用装备使用环境条件复杂,一般既要能承受振动的作用,又要同时能承受冲击作用,也就是要求既有良好的隔振效果又有良好的隔冲效果[4]。

除了采用上述一般设计方法来设计隔振效果和隔冲效果都好的减震系统外,还要开展其它相关的振动与冲击隔离技术研究,对既要隔振又要隔冲的系统应综合考虑,抓住主要矛盾来进行分析和设计计算。

这样才可以保证设计研制的任何军用装备都能适应未来各种复杂的战斗环境和使用环境,保证其能够保持设计的耐环境能力,提高它们对环境的适应性及可靠性。

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