擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的調(diào)試方法

王招霞，宋 超

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的調(diào)試方法

王招霞，宋 超

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

文章對擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的調(diào)試方法進(jìn)行了實(shí)踐總結(jié)。介紹了擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理?；诖罅康恼{(diào)試試驗(yàn)和對調(diào)試結(jié)果的分析研究，總結(jié)了擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)和沖擊試驗(yàn)譜形的調(diào)試方法、調(diào)試規(guī)律等，為今后擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)的研究和應(yīng)用提供一定的技術(shù)參考。

擺錘式?jīng)_擊機(jī)；沖擊響應(yīng)譜；時(shí)域譜

0 前言

航天器在運(yùn)輸、發(fā)射、在軌運(yùn)行或返回期間受到的各種瞬態(tài)載荷稱為沖擊載荷。沖擊環(huán)境可能引起產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及性能損壞甚至失效，因此沖擊試驗(yàn)成為檢驗(yàn)和暴露航天器研制過程中存在的設(shè)計(jì)問題和加工缺陷的環(huán)境模擬試驗(yàn)項(xiàng)目之一。沖擊是一種非穩(wěn)態(tài)的瞬態(tài)過程，是比一般振動(dòng)更為復(fù)雜的一種現(xiàn)象。隨著大量火工品的應(yīng)用，爆炸沖擊環(huán)境逐漸被人們所重視，航天工作者也越來越關(guān)注能更真實(shí)地模擬航天器產(chǎn)品承受實(shí)際沖擊環(huán)境的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)。

沖擊響應(yīng)譜（以下簡稱沖擊譜）是對受到機(jī)械沖擊作用的一系列單自由度系統(tǒng)的最大響應(yīng)（位移、速度、加速度）作為各個(gè)系統(tǒng)固有頻率的函數(shù)的描述，其加速度時(shí)間歷程為振蕩衰減形式，持續(xù)時(shí)間可達(dá) 10～20 ms，它的特點(diǎn)一般來說加速度幅值較高，可達(dá)103～104g，能量分布在較寬的頻率范圍內(nèi)，而且幅值有正有負(fù)。由于最初沖擊試驗(yàn)?zāi)M設(shè)備的能力有限，模擬這種復(fù)雜的振蕩衰減波形是很不容易的，但隨著沖擊譜模擬裝置的不斷改進(jìn)和發(fā)展，現(xiàn)已經(jīng)能夠很好地模擬這種沖擊環(huán)境。目前，由于擺錘式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)機(jī)（以下簡稱擺沖試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)系統(tǒng)簡稱為擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)簡單緊湊、操作方便、價(jià)格便宜，并具有一定的模擬性和重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，因此在國內(nèi)外被廣泛使用。

1 擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理

擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1所示）主要包括：

1）擺沖試驗(yàn)機(jī)——帶有擺錘的自動(dòng)提升裝置、釋放和制動(dòng)裝置；

2）沖擊試驗(yàn)控制器——用于擺錘提升角度和擺錘釋放的控制；

3）沖擊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)——沖擊數(shù)據(jù)采集和沖擊譜分析功能（用于沖擊試驗(yàn)條件控制和沖擊響應(yīng)測量）；

4）沖擊采集系統(tǒng)的其他輔助裝置——沖擊傳感器、信號(hào)調(diào)節(jié)器等；

5）彈性緩沖器——大多采用橡膠材料，用于調(diào)整復(fù)雜沖擊波形的幅值和持續(xù)時(shí)間，通過改變其剛度可以改變臺(tái)面的運(yùn)動(dòng)，以最終滿足沖擊譜的要求；

6）基座——用于支撐臺(tái)面和支架，有足夠的質(zhì)量并固定在地基上，在沖擊試驗(yàn)過程中不允許產(chǎn)生位移。

圖1 擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖Fig.1 Principle of a Balance Hammer SRS test system

試驗(yàn)時(shí)，擺沖試驗(yàn)機(jī)的起吊臂牽引擺錘上升到預(yù)定位置后，釋放鉤張開，擺錘自由落下，錘頭擊打安裝試驗(yàn)件的水平臺(tái)面。平臺(tái)受到擺錘沖擊，反復(fù)撞擊試驗(yàn)臺(tái)基座上的彈性緩沖器，從而產(chǎn)生衰減的復(fù)雜振蕩沖擊波形。測量系統(tǒng)通過傳感器和電荷放大器等記錄臺(tái)面運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程響應(yīng)，沖擊采集系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)的時(shí)間歷程處理成為沖擊譜，得到?jīng)_擊譜試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。

2 擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)及其調(diào)試方法

擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)在啟用前，需要測試和了解擺沖試驗(yàn)機(jī)的性能和指標(biāo)，以確保其滿足沖擊試驗(yàn)要求。下面就擺沖試驗(yàn)機(jī)的幾個(gè)主要性能指標(biāo)及其調(diào)試方法分別進(jìn)行說明。

2.1 最大激勵(lì)能力

這里的最大激勵(lì)能力指的是沖擊譜及其對應(yīng)的時(shí)域譜在滿足試驗(yàn)要求的情況下，沖擊試驗(yàn)機(jī)滿載和空載時(shí)所能達(dá)到的最大沖擊量級(jí)。

通常情況下，當(dāng)緩沖器剛度不變時(shí)，擺錘提升角度越大沖擊量級(jí)也越大；當(dāng)緩沖器剛度減小時(shí)，試驗(yàn)量級(jí)會(huì)有小幅度的減小。因此我們在研究擺沖試驗(yàn)機(jī)的最大激勵(lì)能力時(shí)，應(yīng)取擺錘提升的最大極限位置（一般擺角在 90°時(shí)）和剛度較大的緩沖器，分別進(jìn)行空載和滿載時(shí)激勵(lì)的極限調(diào)試，研究試驗(yàn)機(jī)極限激勵(lì)時(shí)達(dá)到的最大沖擊量級(jí)。圖2為擺沖試驗(yàn)機(jī)在空載最大激勵(lì)試驗(yàn)時(shí)的頻域圖和時(shí)域圖，沖擊譜圖中的最大量級(jí)為7 860 g，時(shí)域譜圖中的最大量級(jí)為2 500 g。

圖2 擺沖試驗(yàn)機(jī)最大激勵(lì)試驗(yàn)曲線Fig.2 The spectrum under the max force

2.2 重復(fù)性

重復(fù)性是指在相同條件下，擺沖試驗(yàn)機(jī)做兩次以上的沖擊所獲得的沖擊譜的一致程度，測試擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)重復(fù)性的目的是保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

調(diào)試時(shí)，任選一種緩沖器，在緩沖器不變的情況下，分別選取大、中、小3種擺錘提升角度，進(jìn)行多次沖擊，比較同一角度下采集到的沖擊譜波形，如果獲得的沖擊譜均在容差帶內(nèi)（容差帶一般取±6 dB），則認(rèn)為擺錘在這個(gè)角度下的重復(fù)性較好。如圖3為擺錘角度在40o時(shí)，連續(xù)沖擊4次所獲得的沖擊譜曲線均在容差帶內(nèi)，所以此擺沖試驗(yàn)機(jī)擺錘角度在 40o時(shí)有較好的重復(fù)性。若大、中、小3種角度下的重復(fù)性均滿足要求，即可認(rèn)為這臺(tái)擺沖試驗(yàn)機(jī)的重復(fù)性滿足使用要求。

圖3 擺錘在偏角40o時(shí)的沖擊譜形Fig.3 The spectrums at the hammer angle of 40o

2.3 臺(tái)面均勻度

臺(tái)面均勻度是指以臺(tái)面中心點(diǎn)響應(yīng)為基準(zhǔn)，測量臺(tái)面邊緣某些有代表性的點(diǎn)的沖擊譜響應(yīng)（如圖4所示），將其與中心點(diǎn)的沖擊譜響應(yīng)進(jìn)行比較，一般要求偏差在±6 dB以內(nèi)。測試臺(tái)面均勻度是用來檢驗(yàn)臺(tái)面設(shè)計(jì)的合理性，以保證臺(tái)面各點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確有效。如圖5所示，某擺沖試驗(yàn)機(jī)各測點(diǎn)的沖擊譜均在±6 dB的容差帶內(nèi)，則認(rèn)為此擺沖試驗(yàn)機(jī)的臺(tái)面均勻度滿足使用要求。

圖4 測點(diǎn)位置分布示意圖Fig.4 The schematic diagram of the measurement positions

圖5 各測點(diǎn)響應(yīng)譜曲線圖Fig.5 The spectrums of the measurement points

2.4 譜形調(diào)試

目前的擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)僅限于模擬在雙對數(shù)坐標(biāo)系中由上升段和平直段組成的沖擊譜，譜形如圖6所示。

圖6 沖擊譜形Fig.6 The form of a shock response spectrum

根據(jù)沖擊譜試驗(yàn)規(guī)范，可篩選出幾個(gè)典型的沖擊譜形，分別對其進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試的目的是研究沖擊譜形的影響因素及其影響規(guī)律，為擺沖試驗(yàn)系統(tǒng)的投入使用建立沖擊調(diào)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。沖擊譜形的變化主要包括3個(gè)方面（圖6）：1）沖擊量級(jí)G（平直段部分）；2）拐點(diǎn)頻率f1（平直段與上升段的交點(diǎn)）；3）斜率S（上升段部分）。

一般情況下，當(dāng)緩沖器的剛度不變時(shí)，擺錘的提升角度增大，產(chǎn)生的沖擊量級(jí)G也增大；反之，擺錘的提升角度減小，產(chǎn)生的沖擊量級(jí)G也減小。擺錘提升角度對沖擊譜上升段的斜率 S和拐點(diǎn)頻率 f1的影響較小。當(dāng)擺錘提升角度不變時(shí)，緩沖器的剛度減小，則拐點(diǎn)的頻率f1減小，斜率S也相應(yīng)變小，試驗(yàn)量級(jí)G也會(huì)有小幅度的減小?？傊?，沖擊量級(jí)G的調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)擺錘提升角度為主，拐點(diǎn)頻率f1和斜率S的調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)緩沖器剛度為主。實(shí)際上，調(diào)節(jié)任一沖擊譜形都需同時(shí)調(diào)整提升角度和緩沖器剛度。

當(dāng)用橡皮作為緩沖器時(shí)，一般情況下，橡皮硬則剛度大，橡皮軟則剛度小。幾塊同樣軟硬的橡皮疊加起來使用時(shí)，其總性能是變軟，剛度比其中任一塊橡皮的剛度都要??；同樣軟硬的橡皮，厚的剛度比薄的剛度要小。所以沖擊譜拐點(diǎn)和斜率的調(diào)節(jié)過程主要是各種軟、硬、薄、厚橡皮的拼湊過程。

除了擺錘提升角度和緩沖器的剛度對沖擊譜形有較大的影響外，試驗(yàn)件的動(dòng)態(tài)特性和裝夾方式（包括裝夾位置、裝夾螺釘數(shù)量、螺釘擰緊力矩等等）對沖擊譜形也有一定的影響。這些影響因素之間錯(cuò)綜復(fù)雜，沒有一定規(guī)律，因此為了保證試驗(yàn)結(jié)果滿足試驗(yàn)要求，沖擊譜試驗(yàn)前應(yīng)對試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)調(diào)。

預(yù)調(diào)時(shí)，一般選用結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性相似的模擬件或質(zhì)量模擬塊來代替真實(shí)產(chǎn)品，其質(zhì)量以及與沖擊臺(tái)臺(tái)面的質(zhì)心相對位置應(yīng)盡量與真實(shí)產(chǎn)品一致。試驗(yàn)前先將模擬件或質(zhì)量模擬塊與夾具的組合體安裝在擺沖試驗(yàn)機(jī)臺(tái)面上，進(jìn)行沖擊譜預(yù)調(diào)試驗(yàn)，通過控制傳感器進(jìn)行沖擊譜的測量，得到一個(gè)控制譜。假如這個(gè)控制譜不理想，可通過調(diào)整擺錘提升角度、緩沖器的剛度、組合體的裝夾方式等影響因素來反復(fù)調(diào)試，直到連續(xù)兩次測得的控制譜滿足試驗(yàn)要求為止，就可以進(jìn)行正式的沖擊譜試驗(yàn)。

當(dāng)成功調(diào)試出一種譜形后，要記錄下擺錘提升的角度和所用緩沖器的剛度等信息，作為數(shù)據(jù)庫中一種譜形的數(shù)據(jù)信息。依此類推，每次調(diào)試完成后，都要對有關(guān)重要信息進(jìn)行登記記錄，日積月累就會(huì)形成一套有較高參考價(jià)值的擺沖試驗(yàn)機(jī)調(diào)試數(shù)據(jù)資料。

3 結(jié)束語

通過大量的調(diào)試研究，本文總結(jié)出了擺沖試驗(yàn)機(jī)主要性能指標(biāo)的調(diào)試方法和調(diào)試規(guī)律。研究結(jié)果表明，對一個(gè)確定的擺沖試驗(yàn)機(jī)來說，影響其性能的因素主要有3個(gè)：擺錘提升角度；緩沖器的剛度；試驗(yàn)件與夾具組合體的裝夾方式。其中前兩者對沖擊譜形的影響具有一定的規(guī)律性。本文介紹的調(diào)試方法也可推廣應(yīng)用于其他類似的機(jī)械式?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)備，這將有助于更好地開展沖擊試驗(yàn)研究工作。

（References）

[1]《力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)》編著委員會(huì).力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2003-09

Abstract:Based on the structure and principle of a Balance Hammer SRS test system and numerous tests,this paper reviews the applications of the Balance Hammer SRS test system,as well as its main technical specifications and debugging methods for impact test spectrum,which would serve a help for study and application of the Balance Hammer SRS test system.

Key words:balance hammer SRS test system; shock response spectrum; time domain spectrum

Debugging of a balance hammer SRS test system

Wang Zhaoxia,Song Chao (Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering,Beijing 100094,China)

V416.2

B

1673-1379(2010)03-0336-03

10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.013

2009-09-24；

2009-10-14

王招霞（1974—），女，高級(jí)工程師，主要從事航天器動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)的研究工作。聯(lián)系電話：（010）68116406。

Article ID:1673-1379(2010)03-0336-03

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.013