閆寒　孫自強(qiáng)　吳家鑫

摘 要：中量級(jí)強(qiáng)沖擊試驗(yàn)機(jī)是《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 沖擊試驗(yàn)》（GJB 150.18—1986）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)考核設(shè)施之一。其沖擊環(huán)境特性的研究對(duì)沖擊機(jī)試驗(yàn)具有十分重要的作用。我國(guó)的中型沖擊機(jī)仿照美國(guó)進(jìn)行設(shè)計(jì)，考核標(biāo)準(zhǔn)也參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)制定，導(dǎo)致我國(guó)對(duì)中型沖擊機(jī)的沖擊環(huán)境特征、影響沖擊環(huán)境的因素、現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)本身及應(yīng)用中存在的問(wèn)題不是十分清楚。為了探索中型沖擊機(jī)沖擊環(huán)境特性，對(duì)中型沖擊機(jī)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，對(duì)沖擊響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)與對(duì)比研究，得出了沖擊環(huán)境特性，并通過(guò)結(jié)果進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)不同工況下的沖擊環(huán)境。

關(guān)鍵詞：中型沖擊機(jī);環(huán)境特性;沖擊環(huán)境

中圖分類(lèi)號(hào)：U674文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(guó)海軍要求裝艦設(shè)備在上艦之前必須經(jīng)過(guò)沖擊試驗(yàn)考核，考核合格后的設(shè)備方可安裝到艦艇上。試驗(yàn)方法主要有三種，即艦艇水下爆炸試驗(yàn)、虛擬沖擊試驗(yàn)以及沖擊試驗(yàn)機(jī)模擬沖擊試驗(yàn)[1]。裝艦設(shè)備的破壞標(biāo)準(zhǔn)在不同國(guó)家有不同的要求，但所有海軍強(qiáng)國(guó)都要求裝艦設(shè)備必須通過(guò)沖擊考核方能上艦，并要求對(duì)首制艦進(jìn)行實(shí)船水下爆炸試驗(yàn)考核[2]。

我國(guó)的《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 沖擊試驗(yàn)》（GJB 150.18—1986）規(guī)定，不同重量的艦船設(shè)備必須在相應(yīng)沖擊機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)考核。該標(biāo)準(zhǔn)沿用了美國(guó)MIL-S-901D的要求進(jìn)行編制。

國(guó)內(nèi)外的一些科學(xué)家對(duì)中量級(jí)強(qiáng)沖擊試驗(yàn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中型沖擊機(jī)）的沖擊試驗(yàn)進(jìn)行了大量研究。何斌等人對(duì)中型沖擊機(jī)的沖擊環(huán)境特性進(jìn)行了研究，得出了隨著質(zhì)量增加，需要加大錘高來(lái)保證沖擊環(huán)境達(dá)標(biāo)的結(jié)論[3]。王旭建立了擺錘優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并分析了優(yōu)化結(jié)果的有效性[4]。王濤和鄭相周等人將中量級(jí)強(qiáng)沖擊試驗(yàn)機(jī)擺錘部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，得出擺錘部分若干個(gè)典型的參數(shù)，以轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)軸所受沖量為研究對(duì)象，列出各參數(shù)與轉(zhuǎn)動(dòng)中心轉(zhuǎn)軸所受沖量之間的關(guān)系式。[5]。以上研究人員雖然得出了相應(yīng)的研究成果，但是沒(méi)有對(duì)中型沖擊機(jī)沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行探索，沒(méi)能準(zhǔn)確地找出標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于沖擊機(jī)沖擊環(huán)境的要求范圍，并不能指導(dǎo)試驗(yàn)的具體實(shí)施。

本文進(jìn)行了大量的中型沖擊機(jī)沖擊試驗(yàn)，并進(jìn)行了中型沖擊機(jī)的臺(tái)面與槽鋼沖擊環(huán)境特征對(duì)比與分析，得出標(biāo)準(zhǔn)中考核工況的沖擊環(huán)境范圍，為今后的試驗(yàn)設(shè)計(jì)工況提供參考。

2 中型沖擊機(jī)沖擊試驗(yàn)介紹

2.1 中型沖擊機(jī)簡(jiǎn)介

中型沖擊機(jī)為擺錘式垂直沖擊試驗(yàn)臺(tái)，可以進(jìn)行垂直方向的沖擊試驗(yàn)，主要用于質(zhì)量為120～3 400 kg的艦船設(shè)備的沖擊環(huán)境試驗(yàn)考核。

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

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

沖擊試驗(yàn)的測(cè)量參數(shù)為擺錘臺(tái)面和槽鋼表面的加速度。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性，分別在臺(tái)面與槽鋼上放置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置如圖3所示。

2.3 沖擊環(huán)境試驗(yàn)工況

本文根據(jù)《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法 沖擊試驗(yàn)》（GJB 150.18—1986）中的總體思路要求進(jìn)行工況設(shè)置，試驗(yàn)安裝如圖4所示。該試驗(yàn)根據(jù)質(zhì)量、錘高與砧板行程的不同，共進(jìn)行了15個(gè)工況試驗(yàn)，試驗(yàn)工況如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)類(lèi)型對(duì)工況進(jìn)行分類(lèi)，第一類(lèi)工況為錘高較低且砧板行程為76 mm，第二類(lèi)工況為錘高較高且砧板行程為76 mm，第三類(lèi)工況為錘高較高且砧板行程為38 mm。例如，測(cè)量的設(shè)備質(zhì)量為600 kg，砧板行程為76 mm的工況，進(jìn)行了錘高為300 mm與錘高為600 mm的試驗(yàn)，分別為第一類(lèi)工況與第二類(lèi)工況，而對(duì)于該質(zhì)量的設(shè)備，也在砧板行程為38 mm且錘高為600 mm的工況進(jìn)行試驗(yàn)，則該工況為第三工況。試驗(yàn)采用加速度傳感器與低頻振子測(cè)量了臺(tái)面與槽鋼的沖擊環(huán)境。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 臺(tái)面與槽鋼時(shí)域分析

對(duì)加速度進(jìn)行積分，得出速度時(shí)域曲線，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。圖5是質(zhì)量為1 000 kg的第二工況臺(tái)面與槽鋼速度響應(yīng)曲線。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，對(duì)設(shè)備沖擊響應(yīng)產(chǎn)生重要影響的頻率范圍為4～400 Hz，對(duì)濾波后的加速度曲線進(jìn)行積分，得到槽鋼與臺(tái)面速度曲線后進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖5可以看出，槽鋼的最大速度響應(yīng)高于臺(tái)面上的速度。為了保證驗(yàn)證準(zhǔn)確性，將所有的臺(tái)面速度與槽鋼速度進(jìn)行對(duì)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(yīng)速度均高于臺(tái)面的最大響應(yīng)速度，約高出30%。

3.2 臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行中頻段沖擊環(huán)境的對(duì)比分析，對(duì)沖擊加速度響應(yīng)進(jìn)行沖擊譜繪制，并繪制三折線規(guī)整譜。以工況5的結(jié)果為例，將其臺(tái)面與槽鋼的沖擊環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。由圖可知，臺(tái)面上測(cè)點(diǎn)的譜速度為2 m/s，槽鋼上測(cè)點(diǎn)的譜速度為2.2 m/s。槽鋼的沖擊環(huán)境略高于臺(tái)面的沖擊環(huán)境。

將所有工況的譜速度進(jìn)行對(duì)比，得出結(jié)果如圖8至圖12所示。

從3個(gè)工況對(duì)比圖可以得出：第一類(lèi)工況由于錘高最低，所以譜速度最小，第二與第三類(lèi)工況雖然砧板行程不同，但譜速度相差不大?？梢?jiàn)，砧板行程對(duì)譜速度的影響并不大。

第一類(lèi)工況的臺(tái)面譜速度范圍為0.5～1.5 m/s，而第二類(lèi)工況與第三類(lèi)工況的譜速度在1.4～2.7 m/s。第一類(lèi)工況的槽鋼譜速度范圍為0.7～1.7 m/s，而第二類(lèi)工況與第三類(lèi)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(qiáng)于臺(tái)面上的沖擊環(huán)境，譜速度平均高于臺(tái)面0.9 m/s左右。

3.3 工況預(yù)測(cè)

對(duì)質(zhì)量[M]、譜速度[V]與錘高[H]進(jìn)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(yù)測(cè)不同質(zhì)量、不同錘高工況下，得出的沖擊環(huán)境是否符合預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。

[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(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)中型沖擊機(jī)槽鋼與臺(tái)面上的沖擊環(huán)境特征進(jìn)行了分析，得出如下結(jié)論。

①中型沖擊機(jī)的槽鋼最大加速度響應(yīng)比臺(tái)面的最大加速度響應(yīng)高30%;由試驗(yàn)結(jié)果得出，相同工況下槽鋼的譜速度平均高于臺(tái)面0.9 m/s。

②隨著質(zhì)量的增加，需要增加錘高來(lái)達(dá)到?jīng)_擊環(huán)境所需要的考核標(biāo)準(zhǔn)。而考核標(biāo)準(zhǔn)的范圍是第一類(lèi)工況時(shí)，槽鋼譜速度范圍為0.7～1.7 m/s，而第二類(lèi)工況與第三類(lèi)工況的譜速度都在2.0～3.5 m/s。

通過(guò)對(duì)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，得出考核標(biāo)準(zhǔn)的范圍，并且對(duì)其沖擊環(huán)境結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)與對(duì)比研究，得出沖擊環(huán)境特性，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)了不同工況下可能得出的沖擊環(huán)境。

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