高速沖擊缸的研究綜述

孫自強，朱小明，楊麗紅

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海豪高機電科技有限公司，上海 201614）

隨著世界形勢的發(fā)展，在相對穩(wěn)定的國際局勢下，一些不安定的因素日益凸顯，如世界各地頻發(fā)的汽車炸彈、人體炸彈等恐怖襲擊事件以及局部戰(zhàn)爭的爆發(fā)。這些事件對民用建筑、軍事防護及居民安全造成了極大威脅。在此背景下，研究相應(yīng)的加固措施和防護性能設(shè)計標準來提高結(jié)構(gòu)的抗爆和抗沖擊性能越來越重要[1]。加固措施及設(shè)計標準的制定通常需要經(jīng)過大量的實驗和數(shù)值驗證，對于實驗和數(shù)值模型的驗證，現(xiàn)場爆炸試驗是最可靠、最準確的方法，但成本高、數(shù)據(jù)獲取困難。并且，爆炸產(chǎn)生的火球阻礙了高速攝像對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)過程的捕捉，很難觀測爆炸過程中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[2]。因此，迫切需要開發(fā)一種簡單、經(jīng)濟、安全、高效的實驗室加載技術(shù)模擬爆炸沖擊波對結(jié)構(gòu)的動態(tài)加載，研究結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的響應(yīng)。

液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，作為能量的轉(zhuǎn)換裝置它將系統(tǒng)供給的壓力能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動工作設(shè)備做往復(fù)運動或者旋轉(zhuǎn)運動的機械能[3]。普通結(jié)構(gòu)的液壓缸其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)相當廣泛了，而且相當一部分已經(jīng)有了自己標準化、系列化的定型產(chǎn)品。然而特殊結(jié)構(gòu)的液壓缸由于其使用范圍的特殊性其應(yīng)用就沒有那么普遍了，即使這樣，但隨著人們對于新事物的不斷開發(fā)和探索，使得特殊結(jié)構(gòu)的液壓缸在液壓傳動系統(tǒng)中所占據(jù)的地位不斷得到提升。在某些特殊的工況中要實現(xiàn)特殊的工作目的，必須采用特殊結(jié)構(gòu)的液壓缸才能完成工作的進程。在模擬爆炸，實現(xiàn)可重復(fù)性的沖擊實驗，設(shè)計一款高速沖擊缸是理想的替代產(chǎn)品。

1 沖擊缸的國內(nèi)發(fā)展及研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對于沖擊缸的研究始于20 世紀70 年代，起步晚于國外。我國的一些科研院校如中南工業(yè)大學、長沙礦冶研究院、北京鋼鐵學院等，作為國內(nèi)先驅(qū)對于液壓式?jīng)_擊缸進行了大量的研究工作，但在那時我國的制造工藝水平有限，加上國外的技術(shù)封鎖，沖擊缸的研究大多止步于理論研究，一直未能收獲較為滿意的產(chǎn)品。我國開展高速沖擊缸是在1976 年，當時長沙建筑機械研究所和武漢橋梁機械廠合作研制利用氮氣緩沖的2 噸級液壓缸，1979 年完成樣機，最終未形成商品生產(chǎn)[4]。

到了80 年代后，隨著我國對于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求不斷增大，沖擊缸的研發(fā)制造迎來了黃金時代。1980年，長沙礦冶研究院和株洲東方工具廠的科研學者們在學習國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)實際情況，設(shè)計出了第一臺具有自己特色的沖擊缸設(shè)備YYG80 型液壓鑿巖機[5]；隨后，長沙礦山研究院研制的SYD-400 型液墊式高能液壓碎石器的問世，解決了礦巖大塊二次破碎的技術(shù)難題，代替了原有采用敷炮、掄大錘等傳統(tǒng)方式，有效提高了工作效率和安全性[6]；YSJ-1 型移動式液壓碎石機在SYD-400 的基礎(chǔ)上對液壓、控制和冷卻系統(tǒng)進行了改裝，增加了沖擊缸的靈活性，彌補了我國在移動式碎石沖擊缸上的空白；在此之后，SYD-2000、YS-5000 型液壓碎石器孕育而生，相繼通過了我國技術(shù)部門的鑒定。20 世紀90 年代后，中南工業(yè)大學的學者對氮爆式?jīng)_擊缸進行了研究，在沖擊缸的壓力反饋控制和無級調(diào)節(jié)深入探索，并且成功研制出樣機，后續(xù)用于投入實際生產(chǎn)，為氮爆式?jīng)_擊缸的國產(chǎn)化做出巨大貢獻。進入21 世紀后，我國有能力生產(chǎn)制造液壓沖擊器的企業(yè)達到數(shù)百家，其中不乏一些知名企業(yè)如：上海建筑廠、長治液壓廠、江蘇擊利樂機械股份有限公司、安徽驚天液壓智控股份有限公司等，其中驚天液壓產(chǎn)品的銷售量已經(jīng)排名世界前列[7]。

在理論研究領(lǐng)域中，大連理工大學的田樹軍采用了狀態(tài)分析法和鍵合圖的動態(tài)建模技術(shù)對沖擊缸進行了研究，為我國研究者們奠定了深遠的基礎(chǔ)[8]。在線性研究中，北京科技大學李大詒教授發(fā)現(xiàn)想要充分利用沖擊缸的內(nèi)部能量，蓄能器的容積變化需達到最小，此時瞬時流量達到最小值，在此基礎(chǔ)上，他提出了最優(yōu)行程的計算方法；同校的陳定遠教授將計算行程與最大行程之比定為設(shè)計變量C，在大量的對比實驗后發(fā)現(xiàn)當C 在0.75～0.85 之間為最佳效率區(qū)；中南大學綜合了沖擊缸各種影響因素，在原有基礎(chǔ)上增加了沖減加速比和回沖加速比兩個變量，利用該“三段法”對液壓沖擊缸建立全面的線性模型。在非線性研究中何清華教授又將沖擊運動分為13 個部分，采用“準勻加速計算法”，對各個部分之間的轉(zhuǎn)換進行了修正，更好地達到實際預(yù)期；鄒湘伏采用氣壓間接測試法，對于液壓控制閥和沖擊活塞之間的運動關(guān)系進行研究[9]。

雖然沖擊缸在我國已經(jīng)取得了十足的進步，產(chǎn)品相比國外價格更為親民，售后保障也更為便捷，但總體上與國外依舊存在一定差距，關(guān)鍵性零部件還需要大量依賴進口，國內(nèi)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和系列化產(chǎn)品的齊全性都是國內(nèi)學者們需要不斷去努力改善的方向。

2 沖擊缸的國外發(fā)展及研究現(xiàn)狀

沖擊缸作為液壓鑿巖機和破碎錘的核心，國外對于它的研究可以追溯到20 世紀20 年代的英國，學者多曼所設(shè)計出的第一臺鑿巖機的雛形就有采用到?jīng)_擊缸，就此拉開了沖擊缸發(fā)展的帷幕。但受限于當時工業(yè)制造水平的不對等，該創(chuàng)新未能投入實際制造。

直至20 世紀20 世紀50 年代后，國外工業(yè)得到飛速發(fā)展，1963 年德國Krupp 公司研發(fā)出了世界第一臺載有沖擊缸的破碎錘，4 年后便對外展出了首臺HM400 型液壓破碎錘并進行線下操作。在1970 年，法國Montabert 公司研制出的液壓鑿巖機可進行大量的生產(chǎn)制造，極大程度地降低了當時的人力成本，訂單一時供不應(yīng)求。至此，世界各國都開始紛紛效仿，投入大量科研成本對該類沖擊缸進行研制。其中，日本甲南公司設(shè)計制造出了MKB 型液壓破碎錘。Krupp公司在1985 年制造的Marathon 系類破碎錘在減震靜音方面做出了十足的改進[10]。1986 年后，意大利的Indeco 公司創(chuàng)下了智能型液壓沖擊缸設(shè)備的先河，所設(shè)計的沖擊缸可以根據(jù)被撞物件的硬度條件而調(diào)節(jié)自身的撞擊頻率和撞擊速度。近年來，國外智能型沖擊缸的設(shè)備系類主要歸類為日系、韓系和歐系，市場占有率較高的品牌有韓國水山公司、日本古河公司、芬蘭Rammer 公司、德國Krupp 公司等。

除了破碎錘和鑿巖機領(lǐng)域，沖擊缸的應(yīng)用領(lǐng)域還涉及液壓打樁錘等領(lǐng)域，其發(fā)展也是經(jīng)歷了從單作用逐漸向雙作用的方向進行演變。單作用沖擊錘類似于落錘式試驗機，主要依靠有桿腔的液壓力對將沖擊缸錘提升到一定高度后，再將上下兩腔相通，蓄能器對上腔進行補油，讓錘體部分依靠自身重力加速度向下?lián)舸颍湫偷漠a(chǎn)品有芬蘭永騰公司所設(shè)計的HHK、HHK-A 系類和英國BSP 公司的HH357-9。但該類沖擊式設(shè)備若想要達到高速度獲取較大能量的話，只能增加其沖擊行程，其設(shè)備高度需設(shè)計得非常高，成本也較大。而雙作用沖擊缸錘則在下落環(huán)節(jié)時，上腔與泵和高壓蓄能器相連，加快下落，使下落時的加速度大于重力加速度。因此，雙作用的液壓沖擊缸錘在相同行程下，比單作用具有更快的速度和沖擊能量，這也是國外主流的形式，典型產(chǎn)品有日本車輛公司所設(shè)計的NH 和荷蘭IHC 公司的SC 系類產(chǎn)品[11]。隨著對沖擊缸研究的越來越成熟化，沖擊缸的種類繁多，根據(jù)其沖程過程中動力源的不同，可以將現(xiàn)有的沖擊缸分為三類：①全液壓式；②氣液聯(lián)合式；③氮爆式[12]。全液壓式采用液體作為工作介質(zhì)，驅(qū)動活塞使得沖擊缸進行往復(fù)工作；氣液聯(lián)合式的主要工作介質(zhì)為液體和氣體兩種，高壓氣體和液壓油共同驅(qū)動沖擊活塞進行沖程工作；氮爆式在沖程過程中則依賴高壓氮氣腔室的瞬間壓力釋放，從而獲取高速運動，該方案所實現(xiàn)的沖擊運動更為可靠，速度快且有利于控制，是沖擊式機械設(shè)備研究的一大熱門。

在大型高速沖擊式模擬樣機方面，2005 年美國加州大學圣地亞哥分校和MTS 公司合作研制的一套名為UCSD 的沖擊模擬設(shè)備，由一臺或多臺爆炸發(fā)生器組成，利用高速液壓驅(qū)動裝置以速度和時間可精確控制的方式推動撞擊模塊撞擊試件，把撞擊模塊的動能傳遞到試件上，產(chǎn)生沖擊作用于試件。該裝置在鋼筋混凝土柱、砌體墻以及其他復(fù)雜撞擊非平面結(jié)構(gòu)方面進行了大量的空氣沖擊波毀傷效應(yīng)、防護技術(shù)研究等方面的工作[13,14,15]。后來，歐盟基于美國UCSD 裝置同樣的實驗?zāi)康?，?006 年開始研制世界上第2 臺大型高速沖擊模擬器，其組成示意圖如圖1.1 所示[16,17,18]。

圖1 歐盟大型高速沖擊模擬器

在對于沖擊缸的研究過程中，前蘇聯(lián)研究員О.Д.Алимов 和С.Абасов 在基于油壓為一定值的假說上對其進行了線性模型的研究，最后得出在確保沖擊缸的末端速度為給定值時，沖程壓力與回程壓力都相等可以達到最理想的控制。然而液壓沖擊缸想要得到理想狀態(tài)下的恒壓，需滿足配流閥開口量變化過程的時間s 接近0，蓄能器充氣容積V 接近＋∞，這在現(xiàn)實中無法實現(xiàn)。日本研究員正槌口正雄在綜合分析了沖擊缸運動過程中活塞、蓄能器、配流閥等影響因素后，提出了一種非線性數(shù)學模型，通過仿真與實驗數(shù)據(jù)的對比研究，將所建立的數(shù)學模型進行了修正。2000 年，Krzysztof krauze[19]所設(shè)計出的沖擊缸的測試系統(tǒng)，采用了現(xiàn)代化的測試技術(shù)，為沖擊缸的智能化能量采取提供了新的可能。2018 年，Song Changheon[20]把沖擊缸與巖石物體進行撞擊過程中傳播的應(yīng)力和卸荷常數(shù)納入考量范圍內(nèi)，在進行運動學仿真模擬后得出了最佳尺寸參數(shù)。英國Arrowhead 公司最新推出的“S”型沖擊器，利用其研發(fā)出的新型材料橡膠墊代替原有沖擊器上的金屬緊固件，在降噪和使用壽命的延長方面又有了新的突破。

3 總結(jié)

在大型精密沖擊試驗平臺領(lǐng)域，主要有落錘系統(tǒng)與氣動/液壓系統(tǒng)兩種，兩者都是利用高速撞擊產(chǎn)生沖擊。但是落錘系統(tǒng)受導軌長度、摩擦力和空氣阻力等限制，在重力作用下最高撞擊速度一般不超過20m/s；雖然小型落錘可采用簡單的彈性元件提高撞擊速度，但是大型落錘系統(tǒng)由于加載裝置推力作用線不可能與落錘中心線完全重合，因此易被導軌卡死而無法自由下落，所以目前未見采用加速裝置驅(qū)動大型落錘的設(shè)備。而全球現(xiàn)有的氣動/液壓系統(tǒng)最高撞擊速度可達32～66m/s，加載速率遠遠大于落錘系統(tǒng)。加強研究大型高速沖擊缸設(shè)備對于提升現(xiàn)有裝備的沖擊效應(yīng)評估具有重要的指導意義，解決國防領(lǐng)域“卡脖子”工程。

目前，國外高速沖擊缸的種類繁多，迭代更新較快，國外學者們對于沖擊式機構(gòu)的研究已經(jīng)相當深入，雖然研究水平依然領(lǐng)先于我國，但這也為我國提供了很好的借鑒榜樣。對于短板問題，應(yīng)該正視問題，虛心學習，相信在不遠的將來中國定能在工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域成為世界一流的現(xiàn)代化強國。