陳 榮，劉山尖，孫偉星

（中國船舶重工集團(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

雙波沖擊機(jī)在減振器沖擊試驗(yàn)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(tuán)公司 第704研究所，上海 200031）

簡單介紹了沖擊試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展概況，重點(diǎn)討論了雙波沖擊機(jī)的優(yōu)越性及其在橡膠減振器等船舶設(shè)備沖擊試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性。利用現(xiàn)有雙波沖擊機(jī)中正波和負(fù)波發(fā)生系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值仿真了沖擊機(jī)的輸出波形特征。分析了雙波沖擊機(jī)的試驗(yàn)條件，計(jì)算了沖擊機(jī)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(jī)的沖擊響應(yīng)譜在允許誤差范圍內(nèi)，沖擊機(jī)輸出波形符合標(biāo)準(zhǔn)，可以用于沖擊試驗(yàn)。

橡膠減振器；雙波沖擊機(jī)；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(dòng)力機(jī)械、機(jī)電設(shè)備和精密儀器，同時(shí)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(qiáng)國在抗沖擊能力考核辦法方面進(jìn)行了深入的研究，歸納起來，沖擊試驗(yàn)手段主要有爆炸試驗(yàn)、虛擬沖擊試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)機(jī)模擬試驗(yàn)[2]。鑒于爆炸試驗(yàn)存在成本昂貴、試驗(yàn)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(diǎn)，沖擊試驗(yàn)逐步成為各國普遍采用的試驗(yàn)方法。美國和德國針對沖擊試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)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(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。我國主要依據(jù)這兩個(gè)軍標(biāo)，制定了適合中國國情的GJB 150.18-86和GJB 1060.1-91等標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)沖擊試驗(yàn)機(jī)主要是仿制美國的輕型和中型沖擊機(jī)。

現(xiàn)在國內(nèi)外普遍采用沖擊試驗(yàn)機(jī)來模擬船舶系統(tǒng)及機(jī)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(yàn)機(jī)以來，各國開發(fā)了很多新型試驗(yàn)沖擊機(jī)[3]。比較典型的沖擊機(jī)有WOX-7B大型沖擊試驗(yàn)機(jī)、VESPA伺服沖擊試驗(yàn)機(jī)、SSTS設(shè)備沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)、氣槍陣列裝置以及HFSA大輸出力沖擊作動(dòng)器等[4]。然而，這些試驗(yàn)機(jī)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(dòng)，導(dǎo)致沖擊速度峰值比實(shí)際水下爆炸的震蕩型沖擊速度峰值高[5]。因此試驗(yàn)機(jī)的沖擊輸入逐漸發(fā)展為三折線沖擊輸入譜和正負(fù)雙向波的形式，使得沖擊機(jī)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(dòng)（負(fù)向波）。目前，具有雙波沖擊或沖擊譜沖擊輸入的試驗(yàn)機(jī)主要有TNO雙波沖擊試驗(yàn)機(jī)、WTD71沖擊試驗(yàn)機(jī)和FIS發(fā)射脈沖模擬器等。沖擊機(jī)也是仿制美國的輕型和中型沖擊機(jī)。國內(nèi)，海軍裝備研究院與上海交通大學(xué)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(jī)。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(jī)為試驗(yàn)對象，從沖擊機(jī)輸出波形以及沖擊譜等方面研究雙波沖擊機(jī)在沖擊試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性。

1 雙波沖擊機(jī)工作原理及試驗(yàn)條件

1.1 雙波沖擊機(jī)工作原理

雙波沖擊試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)的主要組成和原理如圖 1圖所示。雙波沖擊機(jī)采用高壓氣體作為動(dòng)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(dòng)沖擊錘撞擊沖擊臺，對被試設(shè)備實(shí)施高速?zèng)_擊，形成正脈沖。自適應(yīng)耗能式液壓緩沖缸（或稱負(fù)波液壓系統(tǒng)）對沖擊臺實(shí)施制動(dòng)的過程中，在耗散正波沖擊能量的同時(shí)形成負(fù)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(shí)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(fù)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(shí)，需要綜合考慮三者間的對應(yīng)關(guān)系。

圖1 雙沖擊試驗(yàn)機(jī)工作原理示意圖

雙波沖擊機(jī)的沖擊速度取決于驅(qū)動(dòng)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(jì)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(dāng)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(jì)波形器材料和結(jié)構(gòu)，可使波形器在滿足沖擊強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)需要的波形。

1.2 雙波沖擊機(jī)試驗(yàn)條件

傳統(tǒng)沖擊試驗(yàn)機(jī)能輸出如圖2(a)所示的正半正弦波波形——單波沖擊試驗(yàn)機(jī)，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(fù)半正弦波形的沖擊機(jī)稱為雙波沖擊試驗(yàn)機(jī)，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(dòng)。綜合美國、德國、英國艦用設(shè)備抗沖擊標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為了和單波沖擊環(huán)境進(jìn)行比較，將雙波沖擊機(jī)的實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(fù)半正弦波，正半正弦波寬度t1為1ms~11ms，最大加速度峰值160g；負(fù)半正弦波寬度（t2-t1）為 13ms~36ms，最大加速度峰值60g。雙波沖擊時(shí)的試驗(yàn)條件參照BV043-85標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3）上述波形參數(shù)可根據(jù)需要進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(yàn)參數(shù)進(jìn)行沖擊測試。

圖2 波形示意圖

2 雙波沖擊機(jī)波形發(fā)生系統(tǒng)

2.1 正波發(fā)生系統(tǒng)

雙波沖擊機(jī)利用高壓氣體瞬間釋放提供沖擊能量，驅(qū)動(dòng)沖擊錘撞擊沖擊臺面，產(chǎn)生正波沖擊。沖擊臺速度達(dá)到最大時(shí)，利用液壓阻尼器產(chǎn)生阻尼，耗散沖擊臺的動(dòng)能，產(chǎn)生負(fù)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(fù)波的脈寬和峰值。雙波沖擊機(jī)的正波和負(fù)波發(fā)生系統(tǒng)的力學(xué)模型及其數(shù)學(xué)建模在很多文獻(xiàn)[2,5]中已做過詳細(xì)研究。

雙波沖擊機(jī)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(jī)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(dāng)p分別為8MPa、10MPa和 27MPa時(shí)，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(jìn)一步研究表明，在蓄能器壓力為27MPa，沖擊錘行程為290mm時(shí)，沖擊錘速度可達(dá)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(jī)產(chǎn)生的正波加速度為一定常數(shù)。

表1 沖擊機(jī)系統(tǒng)參數(shù)

圖3 沖擊錘速度曲線

2.2 負(fù)波發(fā)生系統(tǒng)

以沖擊臺制動(dòng)開始為坐標(biāo)零點(diǎn)，建立阻尼缸數(shù)學(xué)模型 2。數(shù)學(xué)模型是建立在以下三個(gè)理想條件基礎(chǔ)上：1）由于液壓油質(zhì)量遠(yuǎn)小于被試設(shè)備質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)液壓管道設(shè)計(jì)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(yuǎn)小于撞擊時(shí)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(shí)間很短，因此忽略液壓油溫度變化引起的粘度變化。

負(fù)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(jī)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(shí)，負(fù)波液壓缸中阻尼孔直徑d3對負(fù)波加速度的影響如圖4所示。由圖可見，當(dāng)負(fù)波液壓系統(tǒng)中阻尼孔的直徑為12mm時(shí)，可以產(chǎn)生最大56g的負(fù)波沖擊；當(dāng)阻尼孔直徑為10mm時(shí)，負(fù)波脈沖的最大加速度值可達(dá)50g；當(dāng)阻尼孔直徑為8mm時(shí)，負(fù)波脈沖的最大加速度值為45g。不同阻尼孔直徑工況下，負(fù)波沖擊波形的脈寬均為14ms左右?？傊?，改變阻尼孔直徑，會改變負(fù)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(fù)波加速度的影響

圖5 被試載荷質(zhì)量不同時(shí)各級沖擊速度下沖擊臺波形曲線

2.3 正負(fù)雙波發(fā)生系統(tǒng)

當(dāng)沖擊機(jī)的沖擊缸和緩沖缸同時(shí)起作用時(shí)，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(jī)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(yàn)機(jī)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(jī)電裝置或動(dòng)力設(shè)備，其質(zhì)量均不會超過500kg很多，可以說雙波沖擊機(jī)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(dāng)中。

3 雙波沖擊機(jī)的沖擊響應(yīng)譜

圖6是雙波沖擊機(jī)的測試圖，試驗(yàn)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(yàn)儀器和設(shè)備

下面利用沖擊響應(yīng)譜驗(yàn)證雙波沖擊機(jī)的有效應(yīng)和可靠性，其中沖擊試驗(yàn)條件按照德國BV043-85標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的沖擊速度為4.0m/s，則試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)譜，不規(guī)則的藍(lán)色曲線即為雙波沖擊機(jī)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(jī)實(shí)現(xiàn)的沖擊響應(yīng)譜位于規(guī)定的誤差帶內(nèi)。類似地，標(biāo)準(zhǔn)BV 043/85所要求的其他沖擊速度下，沖擊機(jī)的沖擊譜均在允許的誤差內(nèi)。因此雙波沖擊機(jī)所產(chǎn)生的沖擊響應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，可以用來試驗(yàn)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(shí)的沖擊譜

4 結(jié)束語

利用雙波沖擊機(jī)的正波發(fā)生系統(tǒng)，可以產(chǎn)生符合各國船舶沖擊標(biāo)準(zhǔn)的波形，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的沖擊性能；而由緩沖液壓缸生成的負(fù)波波形，使得試驗(yàn)條件與工程沖擊實(shí)際更接近（如模擬水下爆炸過程的氣泡脈動(dòng)），從而提高試驗(yàn)結(jié)果的精度。數(shù)值仿真結(jié)果表明，雙波沖擊試驗(yàn)機(jī)能夠滿足不同載荷對沖擊的要求。搭建雙波沖擊機(jī)試驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)測試了雙波沖擊作用下，沖擊機(jī)的沖擊響應(yīng)譜。試驗(yàn)結(jié)果表明，雙波沖擊機(jī)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(yàn)當(dāng)中。

[1] 蔣學(xué)武, 朱石堅(jiān). 艦船管路橡膠減振器的應(yīng)用[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2000(4): 90-91.

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

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[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(dòng)與噪聲控制。