組合沖頭式力脈沖發(fā)生器沖擊特性研究

何 玲

HE Ling

（貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550007）

0 引言

在機(jī)械、航空等領(lǐng)域中存在著各種沖擊，產(chǎn)品的抗沖擊性能是反映其質(zhì)量和可靠性的重要指標(biāo)。隨著人們對(duì)產(chǎn)品精度可靠性要求的提高，以及航空航天等行業(yè)發(fā)展的需要，產(chǎn)品的抗沖擊性能越來越受到重視，與之相應(yīng)的沖擊機(jī)也在不斷發(fā)展。力脈沖發(fā)生器是沖擊機(jī)的關(guān)鍵部件，力脈沖發(fā)生器以沖擊脈沖力的形式向被沖擊體施加載荷，沖擊脈沖力的關(guān)鍵參數(shù)是沖擊脈沖峰值和沖擊脈寬。然而目前廣泛使用的力脈沖發(fā)生器所能提供的沖擊脈沖主要受其沖頭內(nèi)的填充材料決定。一般情況下，沖頭采用單一材料填充，如橡膠、氈墊、鉛等。由于沖頭材料的單一性，從而使沖擊脈沖峰值和脈寬調(diào)節(jié)范圍具有局限性。而在對(duì)沖擊脈沖峰值和脈寬調(diào)節(jié)范圍較大的情況，使用單一材料填充作為沖頭的力脈沖發(fā)生器很難滿足加載條件。本文以組合材料組成的沖頭為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)法確定組合材料沖頭對(duì)沖擊脈沖的調(diào)節(jié)能力，提出一種增大力脈沖發(fā)生器沖擊脈沖調(diào)節(jié)范圍的有效方法。

1 沖擊實(shí)驗(yàn)

在沖頭材料和形狀及其他加載參數(shù)不變的情況下，為實(shí)現(xiàn)減小沖擊脈沖峰值增大脈寬的要求，將由單一材料制成的沖頭更換為由金屬材料和高分子材料組成的組合式?jīng)_頭。為確定該方法的可行性和實(shí)現(xiàn)方法，以組合沖頭為試件進(jìn)行了沖擊實(shí)驗(yàn)。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟谘芯績(jī)煞N不同材料組合而成的組合沖頭試件所形成的沖擊脈沖，以脈沖力峰值、脈寬和沖量3個(gè)參數(shù)為目標(biāo)分析沖擊脈沖變化情況。沖擊實(shí)驗(yàn)中，改變高分子材料力學(xué)性能及其軸向尺寸，分析這2個(gè)因素對(duì)沖擊脈沖的影響。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備、測(cè)量?jī)x器包括SSH-5沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)、9683A力傳感器、GX-1高速攝像機(jī)、PXI4472B數(shù)據(jù)卡。實(shí)驗(yàn)中，組合沖頭與力傳感器的安裝如圖1所示。金屬材料與緊固螺釘通過螺紋聯(lián)接，而高分子材料中間為通孔，其被金屬材料壓緊在力傳感器上。實(shí)驗(yàn)時(shí)，金屬材料受沖擊錘作用向下壓迫高分子材料，沖擊過程中金屬材料的變形量極小，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高分子材料。實(shí)驗(yàn)中忽略金屬材料的變形量，認(rèn)為沖擊過程中的變形均發(fā)生在高分子材料上。

圖1 組合沖頭試件的裝夾

本實(shí)驗(yàn)中，金屬材料為45鋼，其形狀為頭部球狀底部圓柱形。高分子材料分別為3種聚氨酯橡膠，聚氨酯橡膠材料在工程上以標(biāo)準(zhǔn)尺寸條件下的HA硬度表示材料力學(xué)特性，文中也以HA硬度表示其材料特性。實(shí)驗(yàn)中的聚氨酯橡膠材料HA硬度分別為60、80、90。其形狀為圓環(huán)狀，高度分別為5和10mm。圖2所示為聚氨酯橡膠試件，圖中從左至右，聚氨酯HA硬度分別為60、80、90。

圖2 膠墊材料

1.2 實(shí)驗(yàn)

對(duì)組合沖頭試件進(jìn)行了不同沖擊速度條件下的沖擊實(shí)驗(yàn)，得到?jīng)_擊脈沖曲線如圖3所示。由圖可知，脈沖曲線為半正弦波，沖擊脈沖峰值與沖擊速度成正比。HA60組合試件沖擊脈寬與沖擊速度成反比。當(dāng)沖擊速度大于1m/s時(shí)，厚度10mm硬度HA80的組合試件上的沖擊脈寬基本相同，沖擊速度對(duì)脈寬的影響較小。對(duì)HA90組合試件，沖擊脈寬與沖擊速度成反比。高分子材料硬度增大，脈沖曲線的波動(dòng)性增大，隨高分子材料厚度增大曲線波動(dòng)性也增大。將組合試件視為一個(gè)由高分子材料和金屬材料組成的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)，高分子材料與金屬材料彈性模量相差越大，該系統(tǒng)的振動(dòng)幅度越小，表現(xiàn)為脈沖曲線的波動(dòng)性越小。隨著高分子材料硬度的增大其彈性模量增大，組合試件中兩元件的彈性模量愈加接近，系統(tǒng)振動(dòng)幅度增大。由于振幅較大，在沖擊過程的恢復(fù)階段，沖擊力峰值越小則脈寬也越小。此時(shí)，沖擊脈寬與沖擊脈沖力一樣隨沖擊速度增大而增大，如圖3(e)和3(f)。隨高分子材料硬度的增大，沖擊脈沖峰值增大，沖擊脈寬減小。同時(shí)，隨高分子材料厚度增大，沖擊過程中其變形量增加，脈沖峰值減小脈寬增大。

圖4給出了沖擊速度與沖擊沖量的關(guān)系，兩者間基本呈線性關(guān)系變化，沖擊沖量與沖擊速度成正比。該直線的斜率與高分子元件的材料、厚度有關(guān)。隨高分子元件厚度增大，其變形量增大沖擊作用時(shí)間延長(zhǎng)，沖擊沖量增大。高分子材料硬度從HA60增加到HA80，沖擊沖量-沖擊速度曲線斜率增長(zhǎng)幅度較大，兩種曲線較為離散。高分子材料硬度從HA80增大到HA90時(shí)，曲線斜率略為減小，HA90的曲線位于HA80曲線下方。其中，10mm的HA90高分子元件對(duì)應(yīng)的沖量-沖擊速度曲線與5mm的HA80曲線基本重合。沖擊沖量先隨高分子材料硬度增大而增大，隨后又隨其增大而略為減小。通過實(shí)驗(yàn)所得的沖量-沖擊速度直線，可方便地估算不同沖擊速度對(duì)應(yīng)的沖擊沖量。

圖3 沖擊脈沖曲線

圖4 沖擊沖量-沖擊速度曲線

2 沖擊脈沖的調(diào)節(jié)

如圖5所示，沖擊脈沖峰值-沖擊速度曲線近似于直線，脈沖峰值與沖擊速度成正比，隨高分子材料硬度增大該直線斜率增大。由圖6可知，沖擊脈寬-沖擊速度曲線也近似于直線，隨高分子材料硬度的增大脈寬減小，但曲線的變化規(guī)律有所不同。材料HA60和5mm的HA80對(duì)應(yīng)的脈寬-沖擊速度直線斜率小于零，按單調(diào)遞減規(guī)律變化。而當(dāng)材料硬度增大時(shí)，10mm的HA80和HA90對(duì)應(yīng)的脈寬-沖擊速度直線斜率變?yōu)槁源笥诹?。這與組合沖頭試件所形成的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)中材料的特性和尺寸、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。沖擊沖量隨材料硬度增大而略有減小。

圖5 沖擊力峰值-沖擊速度曲線

相同沖擊速度變化條件下，隨著高分子材料硬度的增大，沖擊脈沖峰值變化幅度增大?？傮w上，沖擊脈寬隨高分子材料硬度增大而減小，其隨沖擊速度變化的變化幅度相應(yīng)減小。隨高分子材料硬度的增大，由于沖量-速度曲線斜率減小，沖量隨速度的變化幅度略為減小。

高分子元件的厚度對(duì)沖擊脈沖也具有調(diào)節(jié)作用。隨著高分子元件厚度的增加，其在沖擊過程中的允許變形量增大，脈沖峰值-沖擊速度直線的斜率減小，峰值隨厚度的增加而減小。隨高分子元件厚度的增加沖擊脈寬減小，同時(shí)高分子材料硬度越低脈寬對(duì)厚度的變化越敏感，在圖6中表現(xiàn)為高分子材料相同的5mm和10mm兩條脈寬-沖擊速度直線相距越遠(yuǎn)。由圖5和圖6中脈沖峰值和脈寬的變化規(guī)律可認(rèn)為，相同材料的高分子元件隨其厚度的增加硬度減小，即材料相同的10mm高分子元件硬度小于5mm膠墊。隨高分子元件厚度增加，相同沖擊速度條件下產(chǎn)生的沖擊沖量增大。

高分子元件厚度增加，脈沖峰值減小的同時(shí)引起沖擊速度對(duì)沖擊脈沖峰值調(diào)節(jié)范圍減小。沖擊脈寬隨高分子元件厚度增加而增大，沖擊速度對(duì)其調(diào)節(jié)范圍也相應(yīng)增大。由沖擊沖量-速度曲線可知，高分子元件厚度增加直線斜率基本相等，則沖擊速度對(duì)沖擊沖量的調(diào)節(jié)范圍保持不變。

圖6 沖擊脈寬-沖擊速度曲線

由以上分析可知，在沖頭材料、沖擊速度和沖擊質(zhì)量確定的情況下，可通過在沖頭底部添加不同硬度和尺寸材料的方法實(shí)現(xiàn)沖擊脈沖峰值、脈寬和沖量的調(diào)節(jié)。作者通過其它實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已知，在沖擊速度為從1m/s增加到2m/s范圍時(shí)：使用本沖擊實(shí)驗(yàn)中的鋼制試件單獨(dú)進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，其所得沖擊脈沖峰值50-140kN，脈寬0.8-0.7ms；使用與本實(shí)驗(yàn)中的鋼制試件尺寸形狀完全相同的聚氨酯材料進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，其所得沖擊脈沖峰值約為3-9kN，脈寬約21-19ms。在使用單一材料作為沖頭時(shí)，沖擊脈沖峰值和脈寬的調(diào)節(jié)范圍較小，而通過使用組合式?jīng)_頭，可實(shí)現(xiàn)沖擊脈沖的調(diào)節(jié)范圍3-140 kN，脈寬21-0.7ms，調(diào)節(jié)范圍明顯增大。

3 組合沖頭式力脈沖發(fā)生器

在沖擊速度和質(zhì)量確定的情況下，沖擊脈沖力主要靠力脈沖發(fā)生器進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)組合沖頭試件的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在沖頭材料和沖擊速度和沖擊質(zhì)量等條件確定的情況下，為增大沖擊脈沖的調(diào)節(jié)范圍，可將力脈沖發(fā)生器中單一材料的沖頭更改為組合式?jīng)_頭。

在沖擊速度確定且較大的條件下，如要求沖擊脈沖峰值較小，脈寬較大時(shí)，可令組合式?jīng)_頭中的高分子材料硬度較小。相同條件下，如需脈沖峰值進(jìn)一步減小、脈寬繼續(xù)增大時(shí)，可使用厚度較大的相同高分子材料。當(dāng)要求脈沖峰值減小幅度較小，脈寬增長(zhǎng)幅度較小時(shí)，可使高分子材料硬度、厚度均取較小值。反之，當(dāng)沖擊速度較低，卻要求脈沖峰值較大、脈寬較小時(shí)，取高分子材料硬度大、厚度小，甚至可不使用高分子材料，直接使用金屬?zèng)_頭。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了組合式?jīng)_頭的沖擊實(shí)驗(yàn)，組合沖頭由金屬材料和高分子材料組成。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，通過在力脈沖發(fā)生器中使用由金屬和高分子材料構(gòu)成的組合式?jīng)_頭，可大幅度增大力脈沖發(fā)生器對(duì)沖擊脈沖力的調(diào)節(jié)范圍，為提高力脈沖發(fā)生器對(duì)沖擊脈沖的調(diào)節(jié)能力提出了一種切實(shí)可行的方法。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

1）高分子材料對(duì)沖擊脈沖的影響：高分子材料硬度（聚氨酯材料工程上一般以標(biāo)準(zhǔn)尺寸材料的硬度表征其力學(xué)特性）正比于沖擊脈沖力峰值，反比于沖擊脈沖寬度；沖擊脈沖力峰值-沖擊速度曲線近似于直線，其斜率正比于高分子材料硬度；沖擊沖量隨高分子材料硬度增大略為減小。

2）高分子元件厚度對(duì)沖擊脈沖的影響：高分子元件厚度增加，引起沖擊脈沖力峰值減小，沖擊脈寬和沖擊沖量增大。

3）金屬材料形狀對(duì)沖擊脈沖的影響：金屬材料形狀從球狀變?yōu)閳A柱狀，沖擊脈沖力峰值力增大，沖擊脈寬略為減小，沖擊沖量小幅增大。

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