基于图解法的包装箱减振系统抗冲击性能评估

基于图解法的包装箱减振系统抗冲击性能评估

乔木，王则，刘旭峰，曹学智，黄琨

（中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳，110015）

摘要：为满足某型航空设备密封包装箱极严苛的宽度设计指标，需克服支撑系统与包装箱内壁碰撞的关键问题，利用UG建模工具定位减振系统重心与包装箱的相对位置，基于图解法建立跌落试验的多工况计算图例，通过能量守恒定律，评估三向瞬时冲击速度和冲击位移，结果显示最大横向冲击位移为22mm，小于支撑系统外侧与包装箱内壁距离80mm，证明包装箱在全工况下支撑系统不会与箱体内壁发生碰撞。

关键词：图解法；包装箱；减振系统；冲击性能

0引言

装载航空设备的包装箱在长距离运输过程中受行驶路面不平度影响会产生振动，长时间不规则振动可能引起航空设备紧固件松动等问题，影响后续使用[1]；另外按GJB834要求，运输航空设备的包装箱须开展跌落试验，试验过程会产生极大的冲击振动，若无有效减振措施将严重影响航空设备的安全。目前常见的包装箱减振装置主要有橡胶减振器和钢丝绳减振器。橡胶减振器因具备足够内阻尼，可以做成任意形状，常用于静态位移小而动态位移大且短暂情况，但在高温环境下自身阻尼系数会出现较大衰减，橡胶老化蠕变，减振效果下降[2]，不适用于环境温度较高的密封包装箱内部的减振；钢丝绳减振器由多股钢丝按一定方向缠绕弯制而成，钢丝上下两端分别通过两块刚性金属夹板固定，夹板开设安装孔，作为被动减振技术的典型代表，钢丝绳减振器充分利用钢丝间的干摩擦阻尼吸收耗散振动能力，其具有强非线性特性、减振效果好、环境适应性强、结构简单、安装方便等优势[3]，因此钢丝绳减振器被广泛应用于建筑设备、抗震改造、舰船防护、高精密设备运载等众多场合[4]，综上本减振系统拟采用钢丝绳减振器作为减振措施。

本型包装箱为了满足航空运输的要求，需满足极严苛的包装箱宽度指标，设计完成后支撑架与箱体内壁的距离约80mm，包装箱全工况中跌落试验所引起的冲击载荷最大，可能导致支撑架与箱体的碰撞，因此有必要对跌落过程的包装箱减振系统开展冲击性能分析。

1包装箱减振系统

包装箱减振系统包括航空设备、支撑架、钢丝绳减振器、包装箱箱体，其中钢丝绳减振器上、下夹板通过紧固件分别连接固定于包装箱下箱体内侧和支撑架下部的连接板。根据包装箱的使用情况，钢丝绳减振器需要承受来自垂向、横向及轴向的三向冲击载荷，因此减振器采用45°左、右对称的布置型式，减振器总数量为8个，左右两侧各4个。航空设备及支撑架重量约2850kg，减振器型号暂定为GGT920-133型，减振器垂向和横向静刚度为1114N/mm，轴向静刚度为851 N/mm，减振系统构成如图1所示。

图1 包装箱减振系统示意图

根据包装箱箱体技术要求，箱体外廓尺寸约为6000mm×1850mm×2150mm(长×宽×高)航空设备前端面和后端面与包装箱前、后内壁距离相等，航空设备重心在包装箱内的坐标约为（3620，0，960），其中坐标原点位于包装箱前端面下棱中心位置，X轴为航空设备安装方向，Y轴为宽度方向，Z轴由右手定则确定，包装箱坐标系及航空设备重心情况如图2所示。

图2 航空设备重心位置示意图

2跌落试验要求

航空设备包装件鉴定试验（GJB834）第10节跌落试验明确要求“考核包装箱在储运过程中承受冲击的能力和包装箱对内装物的保护能力，按试验程序要求，需开展面跌落试验、棱跌落试验和角跌落试验”。

2.1面跌落试验要求

1)将试验件从一端提起一条底棱到跌落高度，释放使其自由落下；

2)只对底面进行跌落试验，分别从两端各跌落1次；

3)跌落高度和夹角30°，两种数值以先到者为准。

2.2棱跌落试验要求

1)将试验件一条底棱用垫块垫高150mm，将其相对底棱提起至跌落高度，释放使其自由落下；

2)重复以上步骤，使底面每条棱各跌落1次，共4次；

3)跌落高度和夹角30°，两种数值以先到为准。

2.3角跌落试验要求

1)将试验件底面相邻两个角分别垫起150mm和300mm，将与垫起高度300mm的角的相对底角提升到试验高度，释放使其自由落下；

2)重复以上步骤，使每个角跌落1次，共4次；

3)跌落高度和夹角30°，两种数值以先到为准。

3图解法冲击评估

3.1 面跌落试验评估

以距离设备重心较远的一端底棱为旋转轴，设备产生的冲击位移相对于另一条底棱的位移更大。包装箱从高点自由跌落至地面过程中，设备重心高度差为150mm，由能量守恒定律可以计算出设备重心的瞬时速度V瞬，可以将V瞬分解为轴向和垂直两个方向的冲击速度V轴和V垂，说明面跌落试验时将引起轴向和垂向两个方向的冲击位移，具体如图3所示。

冲击位移计算过程如下：

                            ·························································（1）

·························································（2）

                            ·························································（3）

························································（4）

式中：H—设备中心高度差，150mm；

      —设备中心瞬时速度V瞬与垂向冲击速度V垂夹角，15°；

      D—冲击位移，m；

n—减振器数量

      Ks—系统冲击刚度，N/m；

      m—设备质量，2850kg。

经过计算，得到V瞬=1.71m/s，V轴=0.44m/s，V垂=1.65m/s，D轴=11mm，D垂=42mm。

图3面跌落计算示意图

3.2 棱跌落试验评估

棱跌落试验分两种工况进行分析。工况一以长边底棱为旋转轴，此工况会产生垂向和横向两向冲击位移，包装箱从高点自由跌落至地面过程中，设备重心高度差为127mm，设备中心瞬时速度V瞬与垂向冲击速度V垂夹角为41°；工况二以距离设备重心较远的一端底棱为旋转轴，设备产生的冲击位移相对于另一条底棱的位移更大，此工况会产生垂向和轴向两向冲击位移，包装箱从高点自由跌落至地面过程中，设备重心高度差为151mm，设备中心瞬时速度V瞬与垂向冲击速度V垂夹角为13°，两种工况具体计算情况见图4、图5 。将上述参数带入公式（1）、（2）、（3）、（4）中，可以求得工况一（以长边旋转轴）V瞬=1.58m/s，V垂=1.19m/s，V横=1.04m/s，D垂=25mm，D横=22mm；工况二（以距设备中心远端底棱为旋转轴）V瞬=1.72m/s，V垂=1.68m/s，V轴=0.39m/s，D垂=42mm，D轴=10mm。

图4棱跌落试验长高截面计算示意图

图5 棱跌落试验宽高截面计算示意图

3.3角跌落试验评估

在角跌落试验中，旋转轴为与垫块搭接的底棱，此工况只可能产生垂直方向的冲击位移，包装箱从高点自由跌落至地面过程中，根据相似关系，可求得设备重心高度差为151mm，计算得到V瞬=V垂=1.72m/s，D垂=43mm，具体如图6所示。

图6角跌落试验计算示意图

3.4冲击评估分析

经过计算，在跌落试验中减振系统在各个方向产生的最大冲击位移分别是，角跌落试验产生最大垂向冲击位移43mm，面跌落试验中产生最大轴向冲击位移为11mm，以长边为旋转轴的棱跌落试验产生最大横向冲击位移为22mm，具体如图7所示。

图7 各工况三向冲击位移统计

4结论

1)本文利用图解法对包装箱减振系统开展冲击性能评估，评估结果显示包装箱在以长边为旋转轴的棱跌落试验时产生最大横向冲击位移22mm，小于支撑架外侧与包装箱箱体内壁距离80mm，说明在包装箱使用过程中支撑架与包装箱不会发生碰撞；

2)根据减振器样本，设计所选型号的钢丝绳减振器在45°安装状态下，垂向和横向的最大动变形均为57mm，轴向最大动变形为48mm，评估的三向最大冲击位移均小于动变形极限值，因此该型号减振器能够满足包装箱的全工况使用要求。

5参考文献

[ 1 ]高超，靳鸿，陈昌鑫，等. 测试仪钢丝绳减振器缠绕直径的传递比仿真分析[J]. 中国测试，2017，43（1）：136-139.

[ 2 ]刘迪辉，范迪，欧阳雁峰，等. 温度对橡胶隔振器力学性能的影响[J]. 噪声与振动控制，2014，34（3）：203-206.

[ 3 ]马琴，戴凌汉，钱才富，等. 钢丝绳减振器静刚度的模拟及影响因素分析[J]. 化工设备与管道，2014，51（1）：74-78.

[ 4 ]张春辉，卢凯田，张磊，等. 钢丝绳隔振器的力学性能研究综述[J]. 兵器装备工程学报，2020，41（3）：231-236.

作者简介：乔木，1990，男，汉族，毕业于东北大学，硕士，从事航空发动机试验设备设计工作，工程师。