越野车辆行驶环境恶劣、路面条件复杂多变,加之因车辆发动机、传动系统振动等引起的车辆剧烈振动与颠簸等是造成车载精密医疗设备损坏、失灵或失效的重要原因,影响应急救援装备的使用与救援效率。应急救援装备中车载精密仪器的二次隔振是解决这一问题的关键,二次隔振平台或隔振器直接影响着车载精密仪器的振动隔离效果。研究车载精密仪器用隔振器对于改善车载精密仪器的隔振性能,提高装备的完好性与可靠性有着极其重要的现实意义。本文设计了一种曲面弹簧滚子机构的非线性隔振器,系统研究了该非线性隔振器的静态特性、理想状态与非理想状态下隔振器的动态特性,及其在多频激励、随机激励与冲击激励下的时域响应特性;通过静力学试验、振动试验验证了非线性隔振器的静动态性能;结合高机动越野汽车底盘开展了该隔振器的实车道路行驶试验验证了其实车使用隔振性能。主要完成如下工作:(1)非线性隔振器静态特性研究与优化设计。本文以曲面弹簧滚子机构作为负刚度元件,并联竖直正刚度弹簧,设计了一种曲面弹簧滚子机构的非线性隔振器;根据能量守恒定律建立了隔振器力学模型,分别得到了隔振器的力—位移与刚度—位移表达式及其零刚度条件,分析了隔振器主要结构参数对其回复力与刚度的影响规律;以无量纲位移量为目标函数,建立了隔振器优化数学模型,通过遗传算法求解得到了隔振器最优结构参数,最后通过泰勒公式展开得到了系统回复力近似表达式。

研究结果表明,通过合理的结构参数设置,隔振器能够具有零刚度特性;隔振器设计时,应当在满足空间尺寸要求的前提下,尽量增大非线性隔振器滚子及曲面座的结构尺寸,且通过增大水平弹簧预压缩量可适当减小系统动态刚度,提高系统隔振性能;通过调整竖直弹簧预压缩量,能够实现一定范围内非线性隔振器的承载质量调节,提高非线性隔振器的质量适用范围,且使系统具有最佳隔振性能。(2)理想状态下非线性隔振器的动态特性研究。建立了由所设计的隔振器与承载质量构成的非线性隔振系统通用动力学方程;随后通过平均法得到了系统在谐波位移激励下的幅频响应函数与传递率特性模型,并通过引入微小扰动量的方法,分析了系统稳定性,得到了系统稳定边界条件;研究了不同激励幅值、阻尼比、立方刚度系数及系统结构参数对其幅频特性与传递率特性的影响;利用四阶Runge-Kutta法研究了谐波激励、多频激励、随机激励与冲击激励等多种激励条件下,系统的时域动态响应特性。结果表明,理想状态下的非线性隔振系统是一个刚度渐硬系统,其频响曲线向右弯曲,系统响应可能存在跳跃现象,较大的激励幅值、很小的阻尼比、较大的立方刚度系数可能造成系统响应出现较大的响应峰值,甚至是响应无限大。

在系统设计与实际工程使用中应当限制系统所能承受的激励幅值最大值,适当选择和控制阻尼比,尽量降低系统立方刚度系数。非线性隔振系统在谐波位移激励、多频激励、随机激励及冲击激励等多种激励条件下均具有明显优于等效线性系统的隔振性能。(3)非理想状态下隔振器的动态特性研究。分别建立了谐波位移激励下承载质量及刚度非理想状态下系统的非线性运动微分方程,利用谐波平衡法求解得到了方程的近似解析解,并通过数值积分的Runge-Kutta法求取数值解,对近似解析解进行验证;分别对系统频响特性与传递率特性进行分析,得出了承载质量及刚度变化对系统动态特性的影响规律。研究表明,当系统仅处于承载质量非理想状态时,系统依然具有较好的低频隔振性能,且对激励幅值变化的适应能力增强;当系统仅处于刚度非理想状态时,系统具有与理想系统类似的动态特性,且随着刚度变化量变小,系统低频隔振性能提高;当承载质量与刚度均为非理想状态时,系统有着与仅承载质量非理想状态类似的动态特性,且对于一定的线性刚度变化量与过载或欠载质量,系统能够获得最小的共振频率。使用过程中,若不能确定承载质量是否在最小刚度点达到平衡,应当使系统尽量具有一定正刚度,从而获得比较满意的隔振性能。

(4)非线性隔振器原理样机设计与试验研究。在上述理论分析的基础上,对所设计的非线性隔振器开展了原理样机设计与试制,分别搭建了静力学试验平台与振动试验平台;开展了非线性隔振器静力试验,振动试验、冲击试验与C1级路谱产生的随机振动试验。试验结果说明,非线性隔振器静力加载试验得到了非线性隔振器的实际力—位移曲线,有着与理论曲线比较高的符合度。不过受到加工精度与装配误差的影响,线性弹簧的实际力—位移曲线与理论曲线之间还是出现了一定偏差。受到加工精度、摩擦力、实际载荷等不确定因素的影响,理想的准零刚度非线性隔振系统很难实现。实际得到的系统共振频率及其传递率峰值随激励幅值增大,呈现先减小后增大的变化规律,有着与承载质量非理想状态下系统理论研究相吻合的结论。与等效线性系统相比,过载和欠载系统均具有更小的动态刚度,即非理想状态下,系统依然具有很好的低频隔振性能。而且与等效线性系统相比,该非线性隔振器具有很好的冲击隔离与衰减效果和极佳的随机振动隔振性能。(5)非线性隔振器实车道路行驶试验研究。应用所研究的非线性隔振器设计了一种车载精密仪器隔振平台,并将其安装于EQ2050高机动越野底盘,开展了实车道路行驶试验研究。

车辆分别以不同车速行驶于沥青路和乡村土路两种路况条件下,所设计的隔振平台均表现出较好的隔振性能,隔振效率在54.5%~76.8%范围内波动。试验结果表明,所设计的非线性车载精密仪器隔振平台能够有效衰减来自车厢地板的振动,二次隔振效果明显,具有较好的隔振效果。本文通过非线性隔振器的静力学分析、理想状态与非理想状态下隔振器的动态特性分析及多种激励条件隔振器的动态响应特性分析,深入认识了隔振器的非线性动态特性;通过原理样机试制、静力试验、振动试验与实车试验验证了所研究的非线性隔振器静动态特性与隔振效果,证明了理论分析的正确性。本文研究的理论分析思路、试验方法与设计能够为将来该类隔振器的设计与应用提供思路借鉴与技术储备,这对于车载精密仪器二次隔振研究具有非常重要的指导意义。