0 引　言

二战时期，舰船在遭受鱼雷、水雷等水下武器攻击时，舰船整体并未出现损坏，然而，电子设备尤其雷达等易损设备由于结构刚性较差，爆炸冲击后出现裂纹，电性能下降，不能正常工作。为提高舰船电子设备的生命力，几十年来，国内外学者持续开展舰船抗爆抗冲击研究，电子设备舰船环境振动冲击防护设计是其中一项关键技术。钢丝绳隔振器具有固有频率较低、振动传递率小、冲击隔离率高、成本低、耐恶劣环境、使用寿命长等优点，广泛应用于电子设备舰船环境振动防护设计。钢丝绳隔振器安装方式包括底部安装和壁挂式安装，对于舰船雷达，重量和尺寸较大的电子机柜选用底部安装，重量和尺寸较小的电子机箱选用壁挂式安装，以节省舱内安装空间^{[1 - 2]}。

黄映云等^[3]设计的汽缸式冲击模拟台可模拟舰船冲击环境，以HGGS-200型钢丝绳隔振器作为研究对象，通过传感器采集的加速度、速度、位移、力等试验数据，得到隔振器迟滞回线、位移-载荷特性曲线。测试数据表明，隔振器冲击刚度小于动刚度，具有刚度软化、大阻尼耗能特性，缓冲性能良好。高浩鹏等^[4]采用GS型钢丝绳隔振器对高速摄像机进行抗冲击隔振设计，基于缩比模型试验数据，建立抗冲击隔振系统多体动力学模型。由计算结果可知，冲击因子为0.4时，隔振器垂向和轴向冲击隔离率分别为94.7%、99.4%。抗冲隔振系统通过水下爆炸试验考核，隔振器性能指标满足抗冲击设计要求。张春辉等^[5]设计新型钢丝绳隔振器，以提高隔振器拉伸性能，采用多体动力学软件计算隔振器在不同半正弦波冲击载荷下的冲击响应，并通过冲击试验验证仿真数据的可靠性。结果表明，冲击仿真和试验数据误差较小，不同工况下冲击隔离率都高于82.5%，隔振器缓冲效果很好。目前学者主要对采用底部安装方式的钢丝绳隔振器隔振缓冲性能进行研究，很少有关于壁挂式安装方式的研究，尤其舰船振动冲击环境下相关试验数据较少。与底部安装方式相比，采用壁挂式安装方式的钢丝绳隔振器承载能力明显下降，需重新进行隔振缓冲设计。因此，有必要开展壁挂式钢丝绳隔振器舰船环境振动冲击特性试验研究。

本文选用某型壁挂式钢丝绳隔振器对电子机箱进行舰船环境振动冲击防护设计，分别在电磁振动台、轻量级冲击机进行舰船环境振动和冲击测试，得到隔振器的固有频率、振动传递率、冲击隔离率等特性参数，为壁挂式安装电子设备舰船环境振动冲击防护设计提供技术支撑。

1 理论分析 1.1 振动隔离

隔振器振动传递率为隔振后位移、速度、加速度或者力等输出量和同量纲输入量的比值，振动传递率为其隔振性能的重要评价参数，振动传递率小，表明隔振性能好。

隔振器振动传递率：

$ \lambda = \frac{{{y_1}}}{{{y_2}}} = \frac{{k + {\mathrm{j}}\omega c}}{{k - {\omega ^2}m + {\mathrm{j}}\omega c}}。$

(1)

式中：y₁为隔振器振动位移；y₂为安装基础振动位移；m为隔振器承载重量；k、c分别为隔振器的刚度和阻尼；ω为舰船环境振源工作圆频率；j为虚数单位。

振动传递率的绝对值为：

$ \left| {\left. \lambda \right|} \right. = \frac{{\sqrt {1 + {{\left( {2\varepsilon \dfrac{f}{{{f_n}}}} \right)}^2}} }}{{\sqrt {{{\left[ {1 - {{\left( {\dfrac{f}{{{f_n}}}} \right)}^2}} \right]}^2} + {{\left( {2\varepsilon \dfrac{f}{{{f_n}}}} \right)}^2}} }}。$

(2)

式中：f为舰船环境振源工作频率；ε为隔振器阻尼比；$ \varepsilon = c/2\sqrt{km} $；f_n为隔振器固有频率；$ {f_n} = \dfrac{1}{{2\text{π} }}\sqrt {\dfrac{k}{m}(1 - {\varepsilon ^2})} $

可知，隔振器阻尼比变大，最大振动传递率变小，但隔振区域振动传递率会变大，导致隔振效果变差。刚度变小，可使隔振器以较低的频率进入隔振区域，但会引起侧向失稳。因此，阻尼比和刚度的设计值均需适中^[6,7]。

1.2 冲击隔离

冲击属于脉冲较短的振动，冲击隔离原理类似于振动隔离，但冲击响应谱包含的频率范围更广。

冲击隔离率为评价隔振器缓冲性能的重要指标，与冲击输入和输出加速度有关，冲击隔离率大，表明隔振器衰减冲击输入能量效果好。

隔振器受到的冲击作用力为：

$ F = \left( {k - {\omega ^2}m + j\omega c} \right){Y_1}。$

(3)

式中，Y₁为机箱最大冲击位移。

经推导计算可得到冲击隔离后的最大速度：

$ V = \frac{F}{k}\sqrt {\frac{{k(1 - {\varepsilon ^2})}}{{m(1 + 4{\varepsilon ^2})}}} 。$

(4)

最大加速度：

$ A = \frac{F}{m}\frac{{1 - {\varepsilon ^2}}}{{\sqrt {1 + 4{\varepsilon ^2}} }}。$

(5)

可知，可通过降低隔振器刚度和阻尼比来减小其冲击输出最大加速度，即冲击隔离率会变大，隔振器缓冲性能得到提高。隔振器刚度降低，冲击变形量会变大，为防止冲击过程中隔振器上下安装板因过大的冲击变形发生碰撞，隔振器刚度设计值不能过小^[8]。

2 试验方案

图1为电子机箱结构示意图，机箱通过某型钢丝绳隔振器安装在工装上，隔振器安装方式为壁挂式，由于机箱的质量分布均匀，4个型号相同的隔振器沿水平向对称安装在机箱的四周，单个隔振器额定载荷25 kg。机箱和工装的重量分别为50 kg、79 kg，工装采用槽钢焊接成型^[9]。

基于机箱环境适应性设计要求，振动和冲击试验条件分别依据《GJB 150.16A-2009振动试验》和《GJB 150.18-86 冲击试验》，电磁振动台进行的振动试验激励频率范围5～60 Hz，低于16 Hz，位移为1 mm，高于16 Hz，加速度为1 g，轻量级冲击机落锤和摆锤高度均为1.5 m，垂向、横向、纵向3个方向分别进行振动冲击试验。

由于振动冲击不同工况不同测点加速度量级不同，为提高测试精度，用于振动、冲击输入、冲击输出采集的单轴ICP型加速度传感器量程分别选择50、10000、500 g^[10]。

图2为电子机箱振动冲击测点布置图，工装上的测点1～测点3为输入点，测点4～测点9为隔振器衰减后输出点，测点4～测点6位于机箱底部，测点7～测点9位于机箱顶部。垂向为Z向，机箱侧面法线方向为X向，机箱前门法线方向为Y向。测点1、测点4、测点7采集Z向加速度，测点2、测点5、测点8采集Y向加速度，测点3、测点6、测点9采集X向加速度。振动测试时加速度传感器均采用胶水固定，冲击测试时输入点加速度传感器采用螺栓固定，输出点加速度传感器采用胶水固定^{[11 − 13]}。

3 动态特性结果分析 3.1 振动响应

3个方向扫频振动过程中，工装上测点与振动台控制点的加速度频响曲线相同，即工装在5～60 Hz没有出现谐振，一阶模态频率大于60 Hz，工装刚性好。

图3为电子机箱Z向、Y向、X向振动传递率曲线，机箱底部和顶部Z向振动传递率变化趋势相同，均在9.5 Hz达到峰值，最大振动传递率分别为2.47和2.34，随着频率增大，振动传递率不断变小，底部和顶部60 Hz振动传递率分别为0.14和0.23。5～13 Hz为放大区，13～60 Hz为隔振区。隔振器Z向谐振频率为9.5 Hz。

机箱底部Y向峰值频率13 Hz、27 Hz振动传递率分别为2.17、1.23，17 Hz、60 Hz振动传递率分别为0.57、0.67。机箱顶部Y向峰值频率6.5 Hz、13 Hz振动传递率分别为2.68、5.38，激励频率高于13 Hz，振动传递率持续变小，60 Hz振动传递率为0.2。机箱底部和顶部Y向振动传递率变化趋势不同，底部5～14 Hz、23～42 Hz放大区最大振动传递率小于3，但隔振区频率范围小且振动传递率较大，顶部5～28 Hz放大区最大振动传递率大于3，机箱Y向顶部和底部隔振效果较差。隔振器Y向谐振频率为13 Hz。

机箱底部X向峰值频率7.5 Hz振动传递率为2.79，60 Hz振动传递率为0.03。机箱顶部X向峰值频率7.5、17.5、43 Hz振动传递率分别为2.44、0.59、0.71，13.5、31、60 Hz振动传递率分别为 0.39、0.45、0.24。和Y向一样，机箱底部和顶部振动传递率变化趋势不同，放大区频率范围分别为5～11 Hz、5～10 Hz，顶部隔振区振动传递率比底部大。隔振器X向谐振频率为7.5 Hz。

可知，隔振器在Z向和X向谐振频率均低于10 Hz，对应的最大振动传递率均小于3，20～60 Hz隔振区振动传递率分别小于0.5和0.71，隔振效果较好。Y向谐振频率大于10 Hz，最大振动传递率大于3，42～60 Hz隔振区振动传递率大于0.67，隔振效果较差。由式(2)可知，为提高隔振器Y向隔振性能，可通过减小钢丝绳材料弹性模量、单股钢丝直径、螺旋弹簧圈数及内径等方式，以降低隔振器刚度来减小谐振频率。此外，可通过增大钢丝绳之间的库仑干摩擦力，以提高阻尼比来减小最大振动传递率。

3.2 冲击响应

图4为电子机箱Z向冲击时域曲线，Z向冲击下，X向、Y向、Z向3个方向上均有冲击输入加速度且波形变化趋势相同。受到冲击机落锤激励后，冲击输入加速度迅速达到峰值，随后正波负波往复高频震荡并呈指数式衰减，经过0.3 s后衰减至0。Z向冲击输入加速度最大，正波和负波峰值加速度分别为410.4 g、−390.2 g。冲击输出加速度在受到冲击激励0.1 s后逐渐达到峰值，经过1 s后衰减至0，正波负波往复震荡次数小于冲击输入加速度。表明隔振器通过发生较大的形变来吸收大部分冲击输入能量，利用内部的摩擦阻尼耗散能量并缓慢释放能量，因此冲击输出响应有一定滞后性，且持续时间比冲击输入长。

图5为电子机箱Z向冲击频域曲线，X向、Y向、Z向冲击输入能量在0～8000 Hz连续分布，4000～8000 Hz高频区域冲击能量占比较高，冲击输出加速度峰值频率分别为10、8.5、5 Hz，冲击输出能量主要集中在0～500 Hz，隔振器衰减大部分4000～8000 Hz高频冲击输入能量。

图6为电子机箱受到摆锤Y向冲击激励时的时域曲线，Y向和Z向冲击输入输出加速度时域曲线变化趋势相同，冲击输入脉宽为0.3 s。Z向冲击输入加速度最大，且正波和负波峰值加速度分别为2572.7 g、−2994.8 g，冲击输出脉宽为0.5 s。

图7为电子机箱Y向冲击频域曲线，Y向和Z向冲击输入输出加速度频域曲线变化趋势相同，X向、Y向、Z向冲击输出加速度峰值频率分别为21、12、19 Hz。

图8为电子机箱受到摆锤X向冲击时的时域曲线，X向和Z向冲击输入输出加速度时域曲线变化趋势相同，冲击输入脉宽为0.3 s。Z向冲击输入加速度最大，且正波和负波峰值加速度分别为2291.4 g、−2852.3 g，冲击输出脉宽为0.6 s。

图9为电子机箱X向冲击频域曲线，X向和Z向冲击输入输出加速度频域曲线变化趋势相同，X向、Y向、Z向冲击输出加速度峰值频率分别为9.5、19.5、21.5 Hz。

表1为不同冲击工况下各测点冲击加速度，A₁为正波峰值加速度，A₂为负波峰值加速度，隔振器Z向缓冲效果最好，其次为X向，在不同冲击方向上的冲击隔离率均大于93.7%。

综上，由式(2)、式(5)可知，由于隔振器刚度和阻尼比设计值合理，其缓冲性能很好。为提高隔振器Y向隔振性能，在隔振器冲击变形量满足其运动空间的前提下，通过适当降低隔振器刚度以降低谐振频率，同时冲击输出加速度变小，即冲击隔离率会变大。通过增大隔振器阻尼比以降低最大振动传递率，但冲击隔离率会随之降低，阻尼比设计值不能过大。

4 结　语

1）隔振器Z向、X向谐振频率小，放大区最大振动传递率小于3，隔振区振动传递率小，隔振效果较好。Y向谐振频率大，放大区最大振动传递率大于3，隔振区振动传递率较大，隔振效果较差。可对隔振器采取适当降低刚度和增大阻尼比等措施，来提高Y向隔振性能。

2）轻量级冲击机受到单向冲击载荷激励时，冲击输入加速度迅速达到峰值，随后正波负波往复高频震荡并呈指数式衰减，在X向、Y向、Z向上都有冲击响应。冲击输出加速度有一定滞后性，且持续时间比冲击输入长。冲击输入能量在0～8000 Hz连续分布，隔振器在3个方向上同时衰减大部分4000～8000 Hz高频冲击能量，Z向缓冲效果最好，其次为X向，冲击隔离率大于93.7%。

3）不同冲击工况下，冲击输出加速度峰值频率与隔振器谐振频率接近，在0～8000 Hz范围能量连续分布的冲击输入波引起隔振器在低频的谐振。

4）经过改进设计后的钢丝绳隔振器可用于舰船壁挂式安装电子设备防护设计，能提升电子设备的抗振动抗冲击性能。