雙波沖擊機在減振器沖擊試驗中應(yīng)用的可行性分析

陳 榮，劉山尖，孫偉星

（中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031）

雙波沖擊機在減振器沖擊試驗中應(yīng)用的可行性分析

陳 榮，劉山尖，孫偉星

（中國船舶重工集團公司 第704研究所，上海 200031）

簡單介紹了沖擊試驗機的發(fā)展概況，重點討論了雙波沖擊機的優(yōu)越性及其在橡膠減振器等船舶設(shè)備沖擊試驗中應(yīng)用的可行性。利用現(xiàn)有雙波沖擊機中正波和負波發(fā)生系統(tǒng)的數(shù)學模型，數(shù)值仿真了沖擊機的輸出波形特征。分析了雙波沖擊機的試驗條件，計算了沖擊機在空載工況下的沖擊響應(yīng)譜。仿真結(jié)果表明，雙波沖擊機的沖擊響應(yīng)譜在允許誤差范圍內(nèi)，沖擊機輸出波形符合標準，可以用于沖擊試驗。

橡膠減振器；雙波沖擊機；沖擊性能；沖擊響應(yīng)譜

0 引言

橡膠減振器廣泛應(yīng)用于船舶中，用來支撐動力機械、機電設(shè)備和精密儀器，同時也起到隔振和抗沖擊的作用。因此橡膠減振器沖擊性能的好壞將直接影響船舶及其設(shè)備的可靠性和戰(zhàn)斗力[1]。針對橡膠減振器等船舶設(shè)備，世界各海軍強國在抗沖擊能力考核辦法方面進行了深入的研究，歸納起來，沖擊試驗手段主要有爆炸試驗、虛擬沖擊試驗和沖擊試驗機模擬試驗[2]。鑒于爆炸試驗存在成本昂貴、試驗次數(shù)有限以及虛擬沖擊仿真存在可靠性、有效性不足等缺點，沖擊試驗逐步成為各國普遍采用的試驗方法。美國和德國針對沖擊試驗機試驗分別制定了軍用規(guī)范MIL-S-901D和BV043/85，用來考核艦船設(shè)備抗沖擊能力和作為艦船抗沖擊性能的驗收標準。我國主要依據(jù)這兩個軍標，制定了適合中國國情的GJB 150.18-86和GJB 1060.1-91等標準。國內(nèi)沖擊試驗機主要是仿制美國的輕型和中型沖擊機。

現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用沖擊試驗機來模擬船舶系統(tǒng)及機電設(shè)備的沖擊環(huán)境。自從1939年，英國研制出第一臺沖擊試驗機以來，各國開發(fā)了很多新型試驗沖擊機[3]。比較典型的沖擊機有WOX-7B大型沖擊試驗機、VESPA伺服沖擊試驗機、SSTS設(shè)備沖擊試驗系統(tǒng)、氣槍陣列裝置以及HFSA大輸出力沖擊作動器等[4]。然而，這些試驗機的輸入波形均為單波形式，不能模擬水下爆炸過程的氣泡脈動，導致沖擊速度峰值比實際水下爆炸的震蕩型沖擊速度峰值高[5]。因此試驗機的沖擊輸入逐漸發(fā)展為三折線沖擊輸入譜和正負雙向波的形式，使得沖擊機可以模擬水下爆炸的一次沖擊（正向波）以及沖擊后波的脈動（負向波）。目前，具有雙波沖擊或沖擊譜沖擊輸入的試驗機主要有TNO雙波沖擊試驗機、WTD71沖擊試驗機和FIS發(fā)射脈沖模擬器等。沖擊機也是仿制美國的輕型和中型沖擊機。國內(nèi)，海軍裝備研究院與上海交通大學聯(lián)合研制了世界上首臺能夠模擬水下非接觸爆炸的雙波沖擊機。為了建立適合我國船舶設(shè)備的抗沖擊考核方法，本文以雙波沖擊機為試驗對象，從沖擊機輸出波形以及沖擊譜等方面研究雙波沖擊機在沖擊試驗中應(yīng)用的可行性。

1 雙波沖擊機工作原理及試驗條件

1.1 雙波沖擊機工作原理

雙波沖擊試驗機系統(tǒng)的主要組成和原理如圖 1圖所示。雙波沖擊機采用高壓氣體作為動力源，通過活塞式蓄能器和沖擊缸系統(tǒng)（或稱正波液壓系統(tǒng)）將高壓氣體的壓力能轉(zhuǎn)化為液壓能，驅(qū)動沖擊錘撞擊沖擊臺，對被試設(shè)備實施高速沖擊，形成正脈沖。自適應(yīng)耗能式液壓緩沖缸（或稱負波液壓系統(tǒng)）對沖擊臺實施制動的過程中，在耗散正波沖擊能量的同時形成負脈沖。自適應(yīng)耗能式液壓阻尼器的耗能原理是流體流過節(jié)流孔時產(chǎn)生局部阻力損失，因此調(diào)節(jié)液壓阻尼器出口的通流面積，即可調(diào)節(jié)負波脈寬和加速度峰值。其中正波脈寬和正波加速度峰值和沖擊速度有一定的關(guān)系，調(diào)節(jié)正波波形時，需要綜合考慮三者間的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 雙沖擊試驗機工作原理示意圖

雙波沖擊機的沖擊速度取決于驅(qū)動沖擊錘的沖擊能量。由于沖擊錘的質(zhì)量、沖擊缸的結(jié)構(gòu)尺寸、沖擊錘的行程設(shè)計為定值，因此沖擊能量取決于儲存在活塞式蓄能器里的氣體壓力能。調(diào)節(jié)活塞式蓄能器的氣體壓力，可以調(diào)節(jié)沖擊能量，從而調(diào)節(jié)沖擊速度。當沖擊速度確定后，正波脈寬和加速度峰值取決于波形器材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)。通過合理設(shè)計波形器材料和結(jié)構(gòu)，可使波形器在滿足沖擊強度的前提下，實現(xiàn)需要的波形。

1.2 雙波沖擊機試驗條件

傳統(tǒng)沖擊試驗機能輸出如圖2(a)所示的正半正弦波波形——單波沖擊試驗機，主要用于模擬水下爆炸的沖擊波。而輸出波形為如圖2(b)所示的正半正弦+負半正弦波形的沖擊機稱為雙波沖擊試驗機，它除了模擬水下爆炸的沖擊波之外，還可以模擬爆炸之后水中的氣泡脈動。綜合美國、德國、英國艦用設(shè)備抗沖擊標準，同時為了和單波沖擊環(huán)境進行比較，將雙波沖擊機的實驗載荷暫定為0~500kg，沖擊速度范圍為2m/s~5m/s。單波、雙波沖擊試驗條件如下[6]：

1）單波沖擊：半正弦波，波形寬度t1=1ms~11ms，最大加速度峰值785g。

2）雙波沖擊：正半正弦波+負半正弦波，正半正弦波寬度t1為1ms~11ms，最大加速度峰值160g；負半正弦波寬度（t2-t1）為 13ms~36ms，最大加速度峰值60g。雙波沖擊時的試驗條件參照BV043-85標準規(guī)定。

3）上述波形參數(shù)可根據(jù)需要進行組合，但最大沖擊速度為5m/s。

4）根據(jù)艦載設(shè)備沖擊標準發(fā)展趨勢，設(shè)備的抗沖擊能力逐步提高，輕量級的沖擊環(huán)境已不再考核，因此雙波沖擊試驗暫不考慮速度低于 2m/s的沖擊速度。

按BV043/85的要求，沖擊速度分為3.3m/s、4.0m/s和4.67m/s三級，載荷分為0kg（空載）、250kg和500kg三級，按照仿真確定的試驗參數(shù)進行沖擊測試。

圖2 波形示意圖

2 雙波沖擊機波形發(fā)生系統(tǒng)

2.1 正波發(fā)生系統(tǒng)

雙波沖擊機利用高壓氣體瞬間釋放提供沖擊能量，驅(qū)動沖擊錘撞擊沖擊臺面，產(chǎn)生正波沖擊。沖擊臺速度達到最大時，利用液壓阻尼器產(chǎn)生阻尼，耗散沖擊臺的動能，產(chǎn)生負波沖擊。調(diào)節(jié)高壓氣體壓力和波形器，可以調(diào)節(jié)正波的脈寬和加速度峰值。調(diào)節(jié)液壓阻尼器出口面積，可以調(diào)節(jié)負波的脈寬和峰值。雙波沖擊機的正波和負波發(fā)生系統(tǒng)的力學模型及其數(shù)學建模在很多文獻[2,5]中已做過詳細研究。

雙波沖擊機系統(tǒng)的參數(shù)如表1所示，則蓄能器中氣體壓力p對沖擊機中沖擊錘速度的影響如圖3所示。由速度曲線的斜率可知，當p分別為8MPa、10MPa和 27MPa時，沖擊錘的加速度分別為250m/s2、125m/s2和80m/s2，即蓄能器壓力越大，沖擊錘所能產(chǎn)生的最大速度也越大。進一步研究表明，在蓄能器壓力為27MPa，沖擊錘行程為290mm時，沖擊錘速度可達到10.93m/s。由此可見，一旦正波液壓系統(tǒng)參數(shù)確定下來，沖擊機產(chǎn)生的正波加速度為一定常數(shù)。

表1 沖擊機系統(tǒng)參數(shù)

圖3 沖擊錘速度曲線

2.2 負波發(fā)生系統(tǒng)

以沖擊臺制動開始為坐標零點，建立阻尼缸數(shù)學模型 2。數(shù)學模型是建立在以下三個理想條件基礎(chǔ)上：1）由于液壓油質(zhì)量遠小于被試設(shè)備質(zhì)量，設(shè)計時液壓管道設(shè)計管徑足夠大，因此不考慮液壓介質(zhì)質(zhì)量引起的力；2）阻尼缸活塞與缸壁間的摩擦力遠小于撞擊時的撞擊力，因此忽略阻尼缸的摩擦力；3）對液壓系統(tǒng)溫升的研究測試表明，局部液壓溫升最高為40℃，而且時間很短，因此忽略液壓油溫度變化引起的粘度變化。

負波發(fā)生系統(tǒng)，即緩沖缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。假定沖擊機上被試載荷質(zhì)量為 500kg，緩沖前初始距離為0.5mm，沖擊錘的沖擊速度為4.67m/s時，負波液壓缸中阻尼孔直徑d3對負波加速度的影響如圖4所示。由圖可見，當負波液壓系統(tǒng)中阻尼孔的直徑為12mm時，可以產(chǎn)生最大56g的負波沖擊；當阻尼孔直徑為10mm時，負波脈沖的最大加速度值可達50g；當阻尼孔直徑為8mm時，負波脈沖的最大加速度值為45g。不同阻尼孔直徑工況下，負波沖擊波形的脈寬均為14ms左右。總之，改變阻尼孔直徑，會改變負波沖擊波形的形狀。

表2 緩沖缸系統(tǒng)參數(shù)

圖4 液壓缸阻尼孔對負波加速度的影響

圖5 被試載荷質(zhì)量不同時各級沖擊速度下沖擊臺波形曲線

2.3 正負雙波發(fā)生系統(tǒng)

當沖擊機的沖擊缸和緩沖缸同時起作用時，不同沖擊速度下沖擊臺所產(chǎn)生的波形曲線如圖 5所示，其中沖擊機結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示，被測設(shè)備質(zhì)量為500kg，沖擊速度分別為4.67m/s、4m/s、3.33m/s。說明雙波沖擊試驗機能夠滿足不同載荷對沖擊波形的要求。船舶系統(tǒng)中橡膠減振器所支撐的機電裝置或動力設(shè)備，其質(zhì)量均不會超過500kg很多，可以說雙波沖擊機所生產(chǎn)的沖擊波可應(yīng)用于橡膠減振器的沖擊性能研究當中。

3 雙波沖擊機的沖擊響應(yīng)譜

圖6是雙波沖擊機的測試圖，試驗所用測試儀器和被測設(shè)備，包括壓力和沖擊傳感器、BK電荷放大器、LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中壓力傳感器用于測量沖擊缸和阻尼缸內(nèi)的壓力變化，沖擊傳感器測量沖擊錘、沖擊臺的加速度信號。

圖6 沖擊試驗儀器和設(shè)備

下面利用沖擊響應(yīng)譜驗證雙波沖擊機的有效應(yīng)和可靠性，其中沖擊試驗條件按照德國BV043-85標準的規(guī)定來設(shè)置。如圖6系統(tǒng)中被試件載荷為500kg，沖擊機的沖擊速度為4.0m/s，則試驗得到?jīng)_擊臺的沖擊響應(yīng)譜結(jié)果如圖 7所示，其中上部三折線為沖擊譜誤差上限+3dB，下部三折線為誤差下限-3dB，中間三折線為標準譜，不規(guī)則的藍色曲線即為雙波沖擊機所取得的沖擊響應(yīng)譜。由圖7可知，在上述工況下，雙波沖擊機實現(xiàn)的沖擊響應(yīng)譜位于規(guī)定的誤差帶內(nèi)。類似地，標準BV 043/85所要求的其他沖擊速度下，沖擊機的沖擊譜均在允許的誤差內(nèi)。因此雙波沖擊機所產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)符合標準，可以用來試驗橡膠或者包含橡膠的隔振系統(tǒng)的沖擊性能。

圖7 空載下，沖擊速度為4.0m/s時的沖擊譜

4 結(jié)束語

利用雙波沖擊機的正波發(fā)生系統(tǒng)，可以產(chǎn)生符合各國船舶沖擊標準的波形，實現(xiàn)傳統(tǒng)試驗機的沖擊性能；而由緩沖液壓缸生成的負波波形，使得試驗條件與工程沖擊實際更接近（如模擬水下爆炸過程的氣泡脈動），從而提高試驗結(jié)果的精度。數(shù)值仿真結(jié)果表明，雙波沖擊試驗機能夠滿足不同載荷對沖擊的要求。搭建雙波沖擊機試驗裝置，實驗測試了雙波沖擊作用下，沖擊機的沖擊響應(yīng)譜。試驗結(jié)果表明，雙波沖擊機的沖擊響應(yīng)譜位于允許的誤差內(nèi)，因此可以用于橡膠減振器等艦船設(shè)備的沖擊試驗當中。

[1] 蔣學武, 朱石堅. 艦船管路橡膠減振器的應(yīng)用[J]. 海軍工程大學學報, 2000(4): 90-91.

[2] 褚德英, 王貢獻, 張志誼, 等. 艦載設(shè)備抗沖擊試驗系統(tǒng)建模與仿真[J]. 振動工程學報, 2007, 20(5): 507-511.

[3] 張磊, 汪玉, 沮肇東, 等. 艦載設(shè)備沖擊試驗系統(tǒng)研制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 科技導報, 2009, 27(1): 96-101.

[4] 劉建湖, 潘建強, 何斌. 各主要海軍國家設(shè)備抗沖擊標準之比較[J]. 應(yīng)用科技, 2010, 37(9): 17-25.

[5] 王貢獻, 張志誼, 褚德英, 等. 新型雙波沖擊試驗機的機理分析與動態(tài)特性研究[J]. 機械設(shè)計與研究, 2007, 23(5): 80-86.

[6] BV043/85 shock security, Naval vessel fabricate criterion of Germany’s national defense army[S]. 1985.

Feasibility Analysis of Applying Dual Wave Shock Machine in Absorbers Shock Test

Chen Rong, Liu Shan-jian, Sun Wei-xing

(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

A brief overview of the development of shock testing machine is introduced firstly. Superiority and feasibility of applying dual wave shock machine in shock test of shipboard equipment are discussed in detail. Output wave characteristics of the dual wave shock machines are simulated numerically by using of the mathematical models of positive and negative wave generating systems in the machines. Test conditions of the dual wave shock machine are analyzed and shock response spectrum of the shock machine with no-load are calculated. The numerical results show that shock response spectrum of the dual wave shock machine locates within the allowable error range, thus the output wave are correct and can be used in shock test in shipboard equipment.

ruber isolator; dual wave shock machine; shock characteristic; shock response spectrum

O381

A

1005-7560 (2014) 06-0046-05

陳榮（1985-），男，博士，研究方向：結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制。