中量級沖擊試驗機沖擊特性研究

閆寒　孫自強　吳家鑫

摘 要：中量級強沖擊試驗機是《軍用設備環(huán)境試驗方法 沖擊試驗》（GJB 150.18—1986）規(guī)定的標準考核設施之一。其沖擊環(huán)境特性的研究對沖擊機試驗具有十分重要的作用。我國的中型沖擊機仿照美國進行設計，考核標準也參照美國標準制定，導致我國對中型沖擊機的沖擊環(huán)境特征、影響沖擊環(huán)境的因素、現(xiàn)有標準本身及應用中存在的問題不是十分清楚。為了探索中型沖擊機沖擊環(huán)境特性，對中型沖擊機進行了多次試驗，對沖擊響應結果進行分類與對比研究，得出了沖擊環(huán)境特性，并通過結果進行擬合，預測不同工況下的沖擊環(huán)境。

關鍵詞：中型沖擊機;環(huán)境特性;沖擊環(huán)境

中圖分類號：U674文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）11-0036-04

Research on Impact Characteristics of Middleweight

Impact Testing Machine

YAN Han1，2 SUN Ziqiang1 WU Jiaxin1，2

（1.Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 100870;2. Naval Research Institute of PLA，Beijing 100161）

Abstract： The medium-sized strong impact testing machine is one of the standard assessment facilities specified in the Environmental Test Methods for Military Equipments Shock Test（GJB 150.18-1986）. It is very important to study the characteristics of impact environment for the experiment of impact machine. Chinas medium-sized impact machines were designed in imitation of the United States，and the assessment standards were also formulated with reference to American standards. As a result， ?it wasn't clearly for Chinese to the impact environment characteristics of medium-sized impact machine， the factors affecting the impact environment， the existing standards themselves and the problems existing in the application. In order to explore the impact environment characteristics of the medium-sized impact machine， the medium-sized impact machine had been tested for many times ， and the impact response results obtained were classified and compared， and the impact environment characteristics obtained were matched by the results to predict the difference Impact environment under working conditions.

Keywords： medium impact machine;environmental characteristics;impact environment

1 研究背景

我國海軍要求裝艦設備在上艦之前必須經(jīng)過沖擊試驗考核，考核合格后的設備方可安裝到艦艇上。試驗方法主要有三種，即艦艇水下爆炸試驗、虛擬沖擊試驗以及沖擊試驗機模擬沖擊試驗[1]。裝艦設備的破壞標準在不同國家有不同的要求，但所有海軍強國都要求裝艦設備必須通過沖擊考核方能上艦，并要求對首制艦進行實船水下爆炸試驗考核[2]。

我國的《軍用設備環(huán)境試驗方法 沖擊試驗》（GJB 150.18—1986）規(guī)定，不同重量的艦船設備必須在相應沖擊機上進行沖擊試驗考核。該標準沿用了美國MIL-S-901D的要求進行編制。

國內外的一些科學家對中量級強沖擊試驗機（以下簡稱中型沖擊機）的沖擊試驗進行了大量研究。何斌等人對中型沖擊機的沖擊環(huán)境特性進行了研究，得出了隨著質量增加，需要加大錘高來保證沖擊環(huán)境達標的結論[3]。王旭建立了擺錘優(yōu)化設計的數(shù)學模型，并分析了優(yōu)化結果的有效性[4]。王濤和鄭相周等人將中量級強沖擊試驗機擺錘部分進行結構簡化，得出擺錘部分若干個典型的參數(shù)，以轉動中心轉軸所受沖量為研究對象，列出各參數(shù)與轉動中心轉軸所受沖量之間的關系式。[5]。以上研究人員雖然得出了相應的研究成果，但是沒有對中型沖擊機沖擊試驗結果進行探索，沒能準確地找出標準中對于沖擊機沖擊環(huán)境的要求范圍，并不能指導試驗的具體實施。

本文進行了大量的中型沖擊機沖擊試驗，并進行了中型沖擊機的臺面與槽鋼沖擊環(huán)境特征對比與分析，得出標準中考核工況的沖擊環(huán)境范圍，為今后的試驗設計工況提供參考。

2 中型沖擊機沖擊試驗介紹

2.1 中型沖擊機簡介

中型沖擊機為擺錘式垂直沖擊試驗臺，可以進行垂直方向的沖擊試驗，主要用于質量為120～3 400 kg的艦船設備的沖擊環(huán)境試驗考核。

安裝好試驗所用試件之后，選擇砧板行程為0 mm、38 mm和76 mm。沖擊機如圖1所示，試驗布置方案如圖2所示。

2.2 測點布置

沖擊試驗的測量參數(shù)為擺錘臺面和槽鋼表面的加速度。為了保證試驗結果的有效性，分別在臺面與槽鋼上放置兩個測點，測點位置如圖3所示。

2.3 沖擊環(huán)境試驗工況

本文根據(jù)《軍用設備環(huán)境試驗方法 沖擊試驗》（GJB 150.18—1986）中的總體思路要求進行工況設置，試驗安裝如圖4所示。該試驗根據(jù)質量、錘高與砧板行程的不同，共進行了15個工況試驗，試驗工況如表1所示。根據(jù)試驗類型對工況進行分類，第一類工況為錘高較低且砧板行程為76 mm，第二類工況為錘高較高且砧板行程為76 mm，第三類工況為錘高較高且砧板行程為38 mm。例如，測量的設備質量為600 kg，砧板行程為76 mm的工況，進行了錘高為300 mm與錘高為600 mm的試驗，分別為第一類工況與第二類工況，而對于該質量的設備，也在砧板行程為38 mm且錘高為600 mm的工況進行試驗，則該工況為第三工況。試驗采用加速度傳感器與低頻振子測量了臺面與槽鋼的沖擊環(huán)境。

3 試驗結果分析

3.1 臺面與槽鋼時域分析

對加速度進行積分，得出速度時域曲線，并對結果進行分析。圖5是質量為1 000 kg的第二工況臺面與槽鋼速度響應曲線。根據(jù)相關試驗數(shù)據(jù)可知，對設備沖擊響應產(chǎn)生重要影響的頻率范圍為4～400 Hz，對濾波后的加速度曲線進行積分，得到槽鋼與臺面速度曲線后進行對比分析。

由圖5可以看出，槽鋼的最大速度響應高于臺面上的速度。為了保證驗證準確性，將所有的臺面速度與槽鋼速度進行對比，得到如圖6所示的曲線。

由圖6可以得知，槽鋼的最大響應速度均高于臺面的最大響應速度，約高出30%。

3.2 臺面與槽鋼的沖擊環(huán)境分析

中頻段沖擊譜速度是判斷沖擊環(huán)境的重要標準。因此，對試驗結果進行中頻段沖擊環(huán)境的對比分析，對沖擊加速度響應進行沖擊譜繪制，并繪制三折線規(guī)整譜。以工況5的結果為例，將其臺面與槽鋼的沖擊環(huán)境進行對比，結果如圖7所示。由圖可知，臺面上測點的譜速度為2 m/s，槽鋼上測點的譜速度為2.2 m/s。槽鋼的沖擊環(huán)境略高于臺面的沖擊環(huán)境。

將所有工況的譜速度進行對比，得出結果如圖8至圖12所示。

從3個工況對比圖可以得出：第一類工況由于錘高最低，所以譜速度最小，第二與第三類工況雖然砧板行程不同，但譜速度相差不大。可見，砧板行程對譜速度的影響并不大。

第一類工況的臺面譜速度范圍為0.5～1.5 m/s，而第二類工況與第三類工況的譜速度在1.4～2.7 m/s。第一類工況的槽鋼譜速度范圍為0.7～1.7 m/s，而第二類工況與第三類工況的譜速度在2.0～3.5 m/s。相同工況下，槽鋼的沖擊環(huán)境要強于臺面上的沖擊環(huán)境，譜速度平均高于臺面0.9 m/s左右。

3.3 工況預測

對質量[M]、譜速度[V]與錘高[H]進行擬合，得出譜速度擬合曲線如圖13所示，擬合方程如式（1）所示。該方程可以預測不同質量、不同錘高工況下，得出的沖擊環(huán)境是否符合預期標準。

[H=-328.594 57+0.572 9M+312.413 85V-1.280 13×10-5M2-6.699 61V2-0.062 6×MV] ? ?（1）

4 結論

本文通過試驗對中型沖擊機槽鋼與臺面上的沖擊環(huán)境特征進行了分析，得出如下結論。

①中型沖擊機的槽鋼最大加速度響應比臺面的最大加速度響應高30%;由試驗結果得出，相同工況下槽鋼的譜速度平均高于臺面0.9 m/s。

②隨著質量的增加，需要增加錘高來達到?jīng)_擊環(huán)境所需要的考核標準。而考核標準的范圍是第一類工況時，槽鋼譜速度范圍為0.7～1.7 m/s，而第二類工況與第三類工況的譜速度都在2.0～3.5 m/s。

通過對多次試驗數(shù)據(jù)進行總結分析，得出考核標準的范圍，并且對其沖擊環(huán)境結果進行分類與對比研究，得出沖擊環(huán)境特性，并對結果進行擬合，預測了不同工況下可能得出的沖擊環(huán)境。

參考文獻：

[1]王貢獻，褚德英，張磊，等.艦船設備沖擊試驗機研究進展[J].振動與沖擊，2007（2）：152-159，183.

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

[3]何斌，唐佳煒.強碰撞中型沖擊機沖擊環(huán)境特征[J].噪聲與振動，2012（6）：49-53.

[4]王旭，李天勻，鄭相周.中量級強沖擊試驗機擺錘的優(yōu)化設計[J].中國造船，2013（3）：29-35.

[5]王濤，鄭相周，孫維方.中量級級強沖擊試驗機擺錘部分的優(yōu)化設計[J].機械科學與技術，2016（1）：63-66.