遙控武器站黏彈性膠體緩沖器試驗研究

王之千， 毛保全， 朱銳， 楊雨迎， 韓小平

(陸軍裝甲兵學院 兵器與控制系, 北京 100072)

0 引言

遙控武器站是可安裝在多種載體上相對獨立的模塊化武器系統[1]。我國現有遙控武器站主要依靠彈簧緩沖器以消耗和緩沖機槍后坐時傳遞到遙控武器站架座上的能量。然而彈簧緩沖器剛度大、阻尼小，后坐緩沖過程中存在能量耗散不足、后坐力偏大，致使槍口出現跳動，導致遙控武器站射擊密集度低、可靠性差等問題。為此，杜敏等[2]將彈簧加工變形成碟形或環形等結構，使其具有一定能量耗散能力，并將其應用于自動武器上。但這類緩沖器仍屬于低耗能型緩沖器，能量消耗較少，不適用于承受較大阻力和需要消耗較多能量的工作環境。武器裝備上也常采用氣體式緩沖器[3]、彈簧組合式緩沖器[4]、液氣式緩沖器[5]、磁流變緩沖器[6]、泡沫金屬緩沖器[7]等作為安全保護裝置或提高武器性能，但亦存在能量吸收率低、密封困難、工作頻率不易過快、結構復雜、受遙控武器站結構限制不易實現等問題。Wang等[8]根據遙控武器站實際工況構建了武器站動力學模型，通過仿真分析發現含阻尼較高的緩沖裝置可以有效減小后坐沖擊，提高遙控武器站射擊密集度。因此，選擇高阻尼、高彈性的緩沖器是提高遙控武器站性能的重要手段。

黏彈性膠體緩沖器兼有橡膠緩沖器和液壓緩沖器的高黏彈性與高阻尼性能[9]，且耐高低溫和耐老化性能良好，頗受國內外學者的關注。根據黏彈性膠體材料的不同和緩沖器結構的變化，黏彈性膠體緩沖器體現的性能也各不相同，應用于鐵道機車[9]、火炮[10]、艦艇管道[11-12]、建筑土木[13-15]、車輛懸掛[16-18]等領域，且緩沖、減振效果顯著。劉韋[9]將黏彈性膠體緩沖器應用于高速動車組上，有效地降低了動車組的縱向沖動，提高旅客的乘坐舒適性。馬彥晉[10]設計了一種適用于火炮反后坐裝置的黏彈性膠體緩沖器，通過試驗及仿真證明了其具有良好的緩沖性能和軍事價值。Jia等[11-12]設計了一種用于減少艦船管道振動的黏彈性膠體阻尼器，采用線性流體模型和冪率函數，通過試驗推導出了適用于沖擊環境下的半經驗公式，為阻尼器設計提供了指導。Gong等[15]研究了一種用于建筑抗震、具有較強非線性特性的黏彈性阻尼器，并通過試驗證明了該阻尼器的優勢。Li等[18]構建了考慮形狀參數的分數階黏彈性振子系統動力學模型，以某工程車輛為實例，驗證了模型的準確性，為黏彈性阻尼器的應用提供了理論模型。文獻[19-20]設計了一種新型液彈阻尼器以減小直升機旋翼的擺振，通過模型構建和試驗驗證，證明了這種阻尼器的優勢。為研究黏彈性膠體阻尼緩沖器啟動流，王之千等[21]提出了一種含準態特性的分數Maxwell 模型，通過試驗驗證了模型的準確性，并研究了黏彈性膠體材料在緩沖器中的流動特點。Xu等[22]基于分子鏈網絡的微觀結構和溫度頻率等效原理，建立了黏彈性材料正多面體鏈網絡模型，對比數值計算和試驗結果驗證了模型的準確性，并通過動態特性試驗表明了黏彈性阻尼器具有良好的耗能能力。

以上研究表明黏彈性膠體緩沖器具有良好的儲耗能能力，應用領域廣泛且成熟。但遙控武器站射擊條件與車輛懸掛等領域實際工況差別很大，導致緩沖器尺寸、行程、結構迥異，無法直接移植應用，且黏彈性膠體緩沖器應用于車載自動武器緩沖后坐中鮮有報道。另外，膠體材料的制備方式、方法屬于商業機密，不輕易公開，而現有黏彈性膠體材料黏度受溫度影響變化較大，黏溫特性較差，基于遙控武器站復雜的使役環境，直接應用于黏彈性膠體緩沖器易出現較低溫度下遙控武器站無法正常工作，導致可靠性下降等問題。

因此，本文配制了一種黏溫特性較好的黏彈性膠體材料，研發了一種適用于遙控武器站的黏彈性膠體緩沖器。通過靜壓試驗、落錘試驗和射擊頻率模擬試驗，并與原遙控武器站彈簧緩沖器性能進行對比，研究黏彈性膠體緩沖器的力學特性。

1 黏彈性膠體材料的配制

1.1 組成成分

配制的黏彈性膠體材料主體成分為甲基硅橡膠，其組成成分如表1所示。其中：端羥基硅油作為調和劑，用以提高黏彈性膠體材料的流動性；聚硅氧烷液晶彈性體作為改性劑，不僅具有非交聯液晶高分子的液晶性能，而且具有彈性體良好的軟彈性，用以改善膠體材料的彈性、流動性和有序性；蒙脫土和納米二氧化硅作為增塑劑，用以調節黏彈性膠體材料的黏度、體積壓縮率和阻尼值等性能，同時起到降低成本的作用。

表1 黏溫特性較好的黏彈性膠體材料組成成分Tab.1 Compositions of viscoelastic elastomer material with temperature insensitivity and high viscoelasticity

根據表1中材料組成成分，按照總質量200 g配制黏彈性膠體材料。采用臺秤分別稱取甲基硅橡膠120.4 g、端羥基硅油72.4 g、液晶彈性體2.4 g、端羥基聚丁二烯0.8 g、蒙脫土1.2 g、納米二氧化硅1.2 g、炭黑1.2 g、石墨1.2 g. 配置時先將甲基硅橡膠、液晶彈性體、蒙脫土、納米二氧化硅、炭黑、石墨等放置于光滑玻璃板上混合均勻，而后將其加入三輥研磨機中，一邊研磨一邊均勻加入秤好的端羥基聚丁二烯和端羥基硅油，待其充分混合后，取出靜置168 h，期間觀察有無分層現象，如無分層現象發生即配制得所需黏彈性膠體材料，其實物如圖1所示。

圖1 黏溫特性較好的黏彈性膠體材料實物Fig.1 Viscoelastic elastomer material with good viscosity-temperature characteristic

1.2 性能分析

圖2 兩種黏彈性膠體材料動力黏度對比Fig.2 Dynamic viscosities of two viscoelastic elastomers

圖2為所配制的黏彈性膠體材料與購置的某公司5×105mm2/s膠體材料的動力黏度隨溫度變化曲線。從圖2中可以看出：現有動力黏度5×105mm2/s膠體材料實際動力黏度為4.3×105mm2/s(20 ℃時)，比目標值5×105mm2/s??；現有膠體材料動力黏度隨溫度變化很大，-50 ℃時動力黏度為4.21×106mm2/s，而80℃時動力黏度為1.57×105mm2/s，低溫與高溫下的動力黏度比為26.88(見表2)。我國南北溫差大，因此遙控武器站使役溫差也很大。如果將現有膠體材料直接應用于遙控武器站黏彈性膠體緩沖器中，低溫環境下膠體材料黏度太大，導致黏彈性膠體緩沖器緩沖不充分，無法正常工作，易出現首發命中率及射擊密集度過低、可靠性差的問題。從圖2中可以看出：配制的黏彈性膠體材料動力黏度雖隨溫度有變化，但較現有膠體材料變化不大，其-50 ℃的動力黏度1.45×106mm2/s比同溫度下現有膠體材料動力黏度降低了2.91倍；當溫度大于10 ℃后，配制的黏彈性膠體材料動力黏度均比現有的高，在80 ℃時動力黏度為2.27×105mm2/s，是同溫度下現有膠體材料的1.44倍，而且20 ℃時的動力黏度為5.07×105mm2/s與目標值5×105mm2/s基本相符。結合表2和圖2可知，配制的黏彈性膠體材料低溫與高溫動力黏度比為6.38，較現有黏彈性膠體材料下降了4.21倍。由此可見，所配制的黏彈性膠體材料較現有膠體材料黏溫特性明顯增強，且常溫下動力黏度與目標值相當，證明了其具有較好的黏溫特性，更滿足遙控武器站黏彈性膠體緩沖器的需求。

表2 兩種膠體材料低溫與高溫下動力黏度比Tab.2 Dynamic viscosity ratios of two viscoelastic elastomers at low and high temperatures

2 黏彈性膠體緩沖器的結構及原理

圖3 某型遙控武器站黏彈性膠體緩沖器示意圖Fig.3 Geometrical schematic of a viscoelastic elastomer damper

黏彈性膠體緩沖器選擇單出桿混合式結構，其結構組成如圖3所示。緩沖器支座用于連接緩沖器和遙控武器站架座，起傳遞和承力作用。緩沖器活塞缸通過螺紋與緩沖器支座連接，而活塞堵頭也通過螺紋與緩沖器活塞缸連接。O形密封圈、單向閥等組成黏彈性膠體注入口，黏彈性膠體材料通過其注入緩沖器腔室中。根據需要增加黏彈性膠體材料的填充量，使阻尼緩沖器具有一定的預壓力，稱為初始預緊力。射擊過程中機槍通過活塞桿將力傳遞給緩沖器，當緩沖器受到外力大于初始預緊力時，活塞桿推動活塞壓縮緩沖器腔室內的黏彈性膠體材料。膠體材料被迫流過節流間隙和活塞上的阻尼孔，產生黏滯力，阻礙活塞前行，這一過程中外力轉化為熱能和勢能，消耗和存儲。當外力被撤消時，沖擊力小于初始預緊力，黏彈性膠體材料自行膨脹，釋放壓縮過程中儲存的勢能，將活塞推回到初始位置，而通過阻尼孔和節流間隙被擠入前腔體的膠體材料流回后腔體，等待下次沖擊或壓力。

在添加膠體材料時，首先擰松活塞堵頭便于膠體材料加入時空氣的排出。采用膠體材料填充裝置(見圖4)連接緩沖器上的黏彈性膠體注入口注入膠體材料。膠體材料填充裝置中充滿配制好的膠體，壓縮填充裝置活塞桿，擠壓內部膠體流經與緩沖器注入口相連的膠體材料注入管，將膠體材料注入到緩沖器腔體內。黏彈性膠體注入口為單向閥，膠體材料通過注入口添加后不會從注入口泄漏。隨著膠體材料的加入，腔體內原有空氣從擰松的活塞堵頭處擠出，待空氣完全排除，膠體材料充滿緩沖器腔體后，采用專用設備擰緊活塞堵頭。此時，膠體材料正好充滿整個緩沖器腔體，緩沖器活塞不受力，理想狀態下視為預緊力等于0 N. 如果需要提升緩沖器的預緊力，可將膠體材料填充裝置放置在萬能試驗機上，膠體材料注入口始終連接緩沖器黏彈性膠體注入口。采用萬能試驗機緩慢壓縮填充裝置的活塞桿，直至試驗機上顯示達到所需預緊力。由此可見，預緊力的施加是通過增加膠體材料的量而實現的，實際上膠體材料量的增加意味著緩沖器腔體內壓強的提升，即也是通過改變緩沖器腔體內的壓強而實現緩沖器預緊力的施加。

圖4 膠體材料填充裝置Fig.4 Filling device of a viscoelastic elastomer material

一般而言，為使活塞在外力撤消后能完全回復原位，所充入膠體材料的量不僅需大于正好充滿緩沖器腔體時的量，且需超過一定量，以使緩沖器在初始狀態下腔體內存在一定壓強。待外力撤消后，該壓強可使活塞左右兩側腔體產生力差，推動活塞完全歸位。

原遙控武器站彈簧緩沖器的彈簧如圖5所示，主要參數如表3所示。在彈簧緩沖器安裝尺寸不變的情況下，設計黏彈性膠體緩沖器，其實物如圖6所示，基本結構參數如表4所示。在黏彈性膠體緩沖器中注入所配制黏溫特性較好的黏彈性膠體材料，其材料密度為1.1 g/cm3. 首先根據遙控武器站原彈簧緩沖器行程和最大力等性能參數，設計了阻尼孔直徑為1.5 mm、阻尼孔個數為6、節流間隙寬度為0.9 mm、活塞直徑為20 mm的黏彈性膠體緩沖器樣機，通過靜壓和落錘試驗，對比分析黏彈性膠體緩沖器與彈簧緩沖器的性能；為了進一步減小遙控武器站上機槍后坐行程，滿足提升遙控武器站射擊密集度的需求，在不改變外部尺寸結構的基礎下，提出更嚴格的黏彈性膠體緩沖器設計指標，設計了阻尼孔直徑為1.0 mm、阻尼孔個數為4、節流間隙寬度為0.9 mm、活塞直徑為20 mm的新黏彈性膠體緩沖器，通過靜壓和射擊頻率模擬試驗驗證新膠體緩沖器應用于遙控武器站的可行性。

圖5 某型遙控武器站彈簧緩沖器用彈簧實物圖Fig.5 Spring of a spring damper for a remote weapon station

表3 遙控武器站彈簧緩沖器基本參數

Tab.3 Basic parameters of spring damper for a remote weapon station

緩沖器彈簧直徑/mm長度/mm原始長度/mm直徑/mm材料截面形狀4486.583.52860Si2Mn鋼矩形

3 靜壓試驗

3.1 試驗方法及設備

采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產的SUNS萬能壓力機(見圖7)進行靜壓試驗，用以研究緩沖器力與位移之間的關系。進行黏彈性膠體緩沖器靜壓試驗時，將組裝好的黏彈性膠體緩沖器豎直安裝在壓力機上，以2 mm/s的速度均勻加載壓力壓縮緩沖器活塞桿頭部；當壓縮量到達或者接近緩沖器的最大設計行程時，以2 mm/s勻速緩慢地卸載。測量彈簧緩沖器靜壓曲線時，將彈簧緩沖器豎直安裝在壓力機上，以2 mm/s的速度均勻加載壓力壓縮彈簧緩沖器活塞桿頭部，待進入屈服狀態時撤消加載力，結束試驗。壓力機與計算機相連，同步記錄緩沖器的力- 位移曲線。

圖6 某型遙控武器站黏彈性膠體緩沖器實物圖Fig.6 Viscoelastic elastomer damper for a remote weapon station

表4 黏彈性膠體緩沖器基本結構參數

Tab.4 Basic structure parameters of viscoelastic elastomer dampers

緩沖器阻尼孔直徑/mm阻尼孔個數節流間隙寬度/mm活塞直徑/mm活塞桿直徑/mm設計最大行程/mm設計最大力/N黏彈性膠體緩沖器1.560.9209123100新黏彈性膠體緩沖器1.040.920985000

圖7 SUNS萬能壓力機Fig.7 SUNS universal press

3.2 試驗結果及分析

彈簧緩沖器和黏彈性膠體緩沖器靜壓試驗所得力與位移曲線如圖8所示。從圖8中可以看出，黏彈性膠體緩沖器進程、回程曲線之間存在一定面積，該面積表示黏彈性膠體緩沖器所消耗的能量，證明了該緩沖器具有一定的能量吸收率。而由于試驗方法的區別，彈簧緩沖器僅有進程曲線，且彈簧緩沖器進程曲線呈線性增長，大約在12.5 mm處出現了屈服現象。比較最大力發現，黏彈性膠體緩沖器的最大力為3.10 kN，而彈簧緩沖器在不屈服情況下最大力為3.15 kN，二者相差不大。

圖8 兩種緩沖器靜壓試驗結果對比Fig.8 Force-displacement curves of two dampers in static pressure test

4 落錘試驗

4.1 試驗方法及設備

采用落錘試驗模擬遙控武器站單發射擊，研究緩沖器儲耗能效果。采用深圳新三思材料檢測有限公司生產的SANS全自動落錘試驗機作為試驗設備(見圖9)，沖擊落錘質量為7.19 kg. 根據動量守恒定律(見(1)式)近似計算遙控武器站射擊過程中緩沖器所受到的沖擊速度，以確定落錘自由墜落的最大高度。

mbvb=mgvg，

(1)

式中：mb為彈頭質量，mb=0.05 kg；vb為彈頭出槍口速度，vb=800 m/s；mg為遙控武器站上機槍的質量，mg=19.8 kg；vg為遙控武器站機槍的后坐速度，vg=2.02 m/s.

圖9 SANS全自動落錘試驗機Fig.9 SANS automatic drop-testing machine

根據能量守恒定律計算落錘高度：

(2)

式中：H為落錘的跌落高度；g為重力加速度；v為H對應的落錘跌落速度。在遙控武器站射擊過程中，緩沖器所受的沖擊速度與機槍后坐速度相當，因此將(1)式中遙控武器站機槍的后坐速度vg=2.02 m/s代入(2)式，可得H≈0.21 m，即落錘從約210 mm高度跌落沖擊緩沖器的速度為武器站射擊過程中緩沖器所受的實際沖擊速度。

為全面分析和對比緩沖器的性能，落錘高度范圍設定較實際廣泛，分別為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm進行沖擊試驗，每個高度連續沖擊5次，沖擊間隔不超過50 s，沖擊結束后觀察黏彈性膠體緩沖器是否出現膠體泄漏或采樣曲線異常等性能退化或失效情況。落錘提升到一定高度后無摩擦自由滑下，撞擊試驗物放置平臺上的緩沖器，利用加速度傳感器和數據采集平臺記錄沖擊過程中落錘加速度隨時間的變化情況。對加速度進行濾波處理后，1次積分得到相應時刻的瞬時速度，2次積分得到落錘位移，落錘所受的力等于加速度與落錘質量的乘積。而緩沖器所受的力與落錘所受力互為作用力與反作用力，因此，落錘力與位移的關系可近似看作緩沖器阻抗力與行程的關系。

4.2 試驗結果及分析

圖10為彈簧緩沖器從50 mm至300 mm高度落錘試驗加速度與時間的變化曲線。從圖10可以看出，隨著落錘高度的逐漸增加，加速度呈增長趨勢。在不同高度下，彈簧緩沖器加速度曲線均呈現前半段紊亂、后半段平緩的形式。在沖擊前期存在兩次波峰，且加速度值很大，這說明彈簧緩沖器在受力時出現了二次沖擊效應。其原因在于彈簧的剛度較大，在受到沖擊瞬間彈簧與落錘發生剛性碰撞，沖擊能量較大且無法短時間吸收，導致加速度采集平臺捕捉到加速度較高的異常信號；而后期彈簧被壓縮，逐漸吸收少量能量，進而相對平緩。遙控武器站在射擊過程中，彈頭出槍口瞬間產生的瞬態沖擊類似于落錘試驗，其沖擊力較大、時間較短。由此推斷，彈簧緩沖器二次沖擊現象的存在是導致槍口擾動較大、射擊密集度不高的原因之一。

圖10 不同落錘高度下彈簧緩沖器加速度與時間曲線Fig.10 Acceleration-time curves of spring damper at different drop heights

圖11為黏彈性膠體緩沖器從50 mm至300 mm高度落錘試驗加速度與時間的變化曲線。從圖11可以看出，黏彈性膠體緩沖器加速度與時間曲線不存在二次沖擊現象，說明黏彈性膠體緩沖器緩沖過程較為平穩，不存在明顯的剛性碰撞，有助于減小遙控武器站射擊時的槍口擾動、提高射擊密集度。黏彈性膠體緩沖器緩沖過程中加速度最高點平均值與彈簧緩沖器平均值相差不大，這說明二者的最大阻抗力基本相當。沖擊結束后觀察黏彈性膠體緩沖器未出現膠體泄漏等失效情況，且圖11各沖擊高度下未出現加速度異常曲線，證明了黏彈性膠體緩沖器在連續沖擊下緩沖性能保持良好。

圖11 不同沖擊高度下黏彈性膠體緩沖器加速度與時間曲線Fig.11 Acceleration-time curves of viscoelastic elastomer damper at different drop heights

采用小波濾波法對落錘試驗加速度曲線進行濾波處理，而后進行積分計算。其1次積分得到瞬態速度，2次積分得到位移。黏彈性膠體緩沖器和彈簧緩沖器在不同沖擊高度下力與位移的曲線對比如圖12所示，其能量吸收率、最大阻抗力及最大位移如表5所示。對比圖12中黏彈性膠體緩沖器和彈簧緩沖器的滯回曲線，發現在不同沖擊高度下，黏彈性膠體緩沖器滯回曲線所圍繞面積明顯大于彈簧緩沖器，表明黏彈性膠體緩沖器的耗能能力大于彈簧緩沖器。彈簧緩沖器的彈簧采用矩形簧形式，材料為60Si2Mn鋼，這使得彈簧緩沖器在不同沖擊高度下力與位移曲線呈非線性，且具有一定能量吸收率。然而當落錘高度超過200 mm時，彈簧緩沖器滯回曲線出現線性增加的趨勢，能量吸收率明顯降低，最大力和最大位移增長較大。當超過250 mm時彈簧進入屈服狀態，這是導致彈簧緩沖器能量吸收率明顯下降的主要原因。遙控武器站在實際射擊工況下作用于緩沖器的沖擊速度大約為2 m/s，由此可見在遙控武器站射擊時彈簧緩沖器工作臨界于屈服邊緣，長此以往彈簧緩沖器容易變性，降低其使用壽命，使遙控武器站存在射擊密集度降低、可靠性變差的風險。

表5 兩種緩沖器落錘試驗結果對比

Tab.5 Drop weight test results of two dampers

高度/mm落錘最大速度/(m·s-1)能量損耗率/%最大力/N最大位移/mm黏彈性膠體緩沖器彈簧緩沖器黏彈性膠體緩沖器彈簧緩沖器黏彈性膠體緩沖器彈簧緩沖器501.0083.4865.46108810035.215.481001.4079.5764.80173415056.036.631501.7184.2462.89204318647.638.032001.9887.4367.58215021378.919.462502.2184.6144.682325246110.9512.823002.4286.7739.392692282711.5513.49

由表5可知，在不同沖擊高度下黏彈性膠體緩沖器能量吸收率差別不大，均在80%左右，其平均值為84.35%，遠大于彈簧緩沖器的57.47%. 對比最大位移發現，黏彈性膠體緩沖器最大位移均小于彈簧緩沖器，且小于最大設計行程(12 mm)。當沖擊高度超過200 mm時，由于彈簧進入屈服狀態，彈簧緩沖器的能量吸收率明顯下降，最大位移超過了最大設計行程，而黏彈性膠體緩沖器不存在屈服范圍，即使沖擊載荷較大也能保持良好的能量吸收率，且最大位移均在設計范圍內。

5 新黏彈性膠體緩沖器靜壓、射擊頻率模擬試驗

5.1 試驗方法及設備

圖13 MTS 809 疲勞試驗機Fig.13 MTS 809 electro-hydraulic servo fatigue testing machine

為檢驗黏彈性膠體緩沖器在遙控武器站連發射擊載荷下的適應能力，采用美國MTS公司生產的MTS 809電液伺服疲勞試驗機(見圖13)加載2 Hz、5 Hz、10 Hz正弦波頻率激勵模擬遙控武器站120發/min、300發/min和600發/min時的射擊工況。采集不同頻率下緩沖器的滯回曲線，分析黏彈性膠體緩沖器的頻響性能。將熱電偶粘貼于黏彈性膠體緩沖器外壁表面，測量不同頻率下連續加載300次時緩沖器的溫度情況，待溫度不再發生變化時讀取數據，并觀察膠體泄漏情況，以研究黏彈性膠體緩沖器在連發射擊載荷下的適應性。

5.2 試驗結果及分析

在遙控武器站原彈簧緩沖器設計要求的基礎上提出新黏彈性膠體緩沖器的設計指標，即：預緊力為1 200 N，最大力為5 kN，最大行程小于8 mm，能量吸收率不小于65.00%. 新黏彈性膠體緩沖器設計值與實測值對比如表6所示，表中能量吸收率為不同頻率下射擊頻率模擬試驗能量吸收率的平均值。圖14為根據新指標設計的新黏彈性膠體緩沖器靜壓試驗力與位移曲線，從圖中可以看出其預緊力為1 350 N，最大行程為7 mm，最大力為5 475 N，均滿足設計要求。

表6 遙控武器站新黏彈性膠體緩沖器

設計值與實測值對比

Tab.6 Design and measured values of viscoelastic elastomer damper for a remote weapon station

數據類別預緊力/N最大行程/mm最大承力/N能量吸收率/%設計值12008500065.00實測值13507547577.28

圖14 新黏彈性膠體緩沖器靜壓試驗力- 位移曲線Fig.14 Force-displacement curve of new viscoelastic elastomer damper in static pressure test

實際上，遙控武器站射擊過程中提供給緩沖器的最大力并未達到5 kN. 通過上述彈簧緩沖器試驗結果可知，當彈簧緩沖器達到最大位移時，其最大受力約為3 kN左右，可見設計的最大力明顯大于實際承受的最大力。但采用5 kN的最大設計力不僅有利于保證緩沖器有較寬的安全工作范圍，提高緩沖器的安全系數，而且可以間接減小遙控武器站上機槍的后坐行程。其原因在于，黏彈性膠體緩沖器的能量吸收率只與自身結構相關[23]，與所受外界載荷無關，不論沖擊力多大，其能量吸收率基本保持不變，上述落錘試驗也證明了這一特點。因此，當沖擊力較小時，黏彈性膠體緩沖器工作行程也隨之減小。在受力不變情況下，增大最大設計力相當于間接地減小黏彈性膠體緩沖器的工作行程。例如新黏彈性膠體緩沖器受到2.5 kN力時，壓縮行程僅為1.53 mm，而遙控武器站彈簧緩沖器在此壓力下行程大約為10 mm，減小了一個數量級，明顯降低了后坐行程。

遙控武器站上機槍的后坐行程與遙控武器站供彈鏈有一定關系，當后坐行程較大時，供彈鏈會出現扭轉、卡彈等現象，降低后坐行程可以保證供彈過程的舒暢性，從而提高遙控武器站的可靠性。但黏彈性膠體緩沖器最大設計力并不是越大越好。緩沖器的外部結構尺寸限制了黏彈性膠體緩沖器中膠體材料的最大填充量，使得黏彈性膠體緩沖器的最大力存在最大邊界。而且隨著最大設計力的增加，黏彈性膠體緩沖器剛度逐漸增大、阻尼逐漸減小，導致能量吸收率隨之降低。因此，只有在滿足能量吸收率的前提下提高最大設計力，才能達到既保持良好儲能、耗能性能，又起到降低后坐行程的效果。

圖15為疲勞試驗機分別加載2 Hz、5 Hz、10 Hz正弦波頻率模擬遙控武器站120發/min、300發/min和600發/min射擊工況下新黏彈性膠體緩沖器的滯回曲線。表7為不同頻率下新黏彈性膠體緩沖器性能參數。結合圖15和表7可以看出在不同頻率下新黏彈性膠體緩沖器滯回曲線均呈梭形，形狀較為飽滿，且各頻率下緩沖器平均能量吸收率為77.28 %，遠大于65.00%的設計要求，反映了新黏彈性膠體緩沖器具有良好的抗振能力和耗能能力。采用熱電偶測量了不同頻率下連續加載300次時新黏彈性膠體緩沖器的溫度，結果如表7所示。隨著頻率的升高，溫度呈現上升趨勢，在10 Hz時緩沖器溫度為61.8 ℃，該溫度屬于新黏彈性膠體材料的正常工作溫度范圍(-50～80 ℃)。溫度是影響黏彈性膠體緩沖器性能的主要因素之一，當膠體材料的工作溫度升高或降低至適用溫度范圍以外時，黏彈性膠體緩沖器將失效，而設計的新黏彈性膠體緩沖器在不同頻率下連續加載300次溫度始終在正常工作范圍內，遠小于最高工作溫度值，且膠體無泄漏發生，其力學特性和緩沖效果始終保持良好?？梢?，新黏彈性膠體緩沖器可適用于高射頻長時間射擊工況，具有良好的射頻適應性。

圖15 不同振動頻率下新黏彈性膠體緩沖器滯回曲線Fig.15 Hysteresis loop curves of new viscoelastic elastomer damper at different vibration frequencies

6 結論

本文針對遙控武器站彈簧緩沖器剛度較大、阻尼較小導致射擊密集度低、可靠性差等問題，研發了一種適用于遙控武器站的黏彈性膠體緩沖器。通過試驗對比現有黏彈性膠體材料，配制了一種適用于遙控武器站具有良好黏溫特性的黏彈性膠體材料。

表7 不同頻率下新黏彈性膠體緩沖器性能參數

Tab.7 Performance parameters of new viscoelastic elastomer damper at different frequencies

頻率/Hz最大位移/mm最大承力/mm能量吸收率/%加載300次后溫度/℃26.01489874.6742.755.83508477.2452.5105.22527179.9361.8

根據遙控武器站原彈簧緩沖器性能和結構等參數，設計了黏彈性膠體緩沖器樣機，通過靜壓試驗和落錘試驗，對比分析了黏彈性膠體緩沖器和彈簧緩沖器的力學特性。在不改變外部尺寸結構的基礎下，為滿足減小后坐行程的要求，設計了新黏彈性膠體緩沖器，通過靜壓試驗和射擊頻率模擬試驗分析了新黏彈性膠體緩沖器力學特性及射擊頻率適應性。

試驗結果表明：

1) 配制的黏彈性膠體材料低溫與高溫動力黏度比為6.38，較現有黏彈性膠體材料下降了4.21倍，具有良好的黏溫特性。

2) 彈簧緩沖器在12.5 mm處出現屈服現象，而黏彈性膠體緩沖器沒有，且二者的最大阻抗力相差不大。

3) 彈簧緩沖器存在二次沖擊現象，而黏彈性膠體緩沖器樣機沒有；黏彈性膠體緩沖器樣機落錘試驗平均能量吸收率為84.35%，是彈簧緩沖器的1.47倍。

4) 新黏彈性膠體緩沖器預緊力為1 350 N，最大行程為7 mm，最大力為5 475 N，能量吸收率為77.28%，滿足設計要求；不同頻率下新黏彈性膠體緩沖器滯回曲線均呈梭形，形狀較為飽滿，10 Hz加載300次時緩沖器溫度最高，為61.8 ℃，具有良好的射擊頻率適應性。

因此，黏彈性膠體緩沖器不僅具有良好的能量吸收率，可有效減小后坐行程、消耗多余能量，而且可適應遙控武器站不同射擊頻率的射擊工況，起到提高遙控武器站射擊密集度和可靠性的目的，為提高遙控武器站性能奠定基礎。