孫海，徐海明，李晶，黃波，李曉強(qiáng)，龍弢，張曉娜

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇九研究所，武漢 430205；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所，武漢 430205）

緒論

隨著數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化設(shè)備結(jié)合計(jì)算機(jī)采集技術(shù)，用于分析不同彈簧壓縮量作用于傳統(tǒng)艦船輕量級(jí)沖擊試驗(yàn)時(shí)的影響程度的需求，已經(jīng)日趨明顯。論文以輕量級(jí)沖擊試驗(yàn)機(jī)臺(tái)為研究對(duì)象，論述了落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的彈簧系統(tǒng)的壓縮量級(jí)的選用對(duì)試驗(yàn)樣品的減震影響程度，從而為更科學(xué)地規(guī)范試驗(yàn)流程提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 問(wèn)題的提出

輕量級(jí)沖擊試驗(yàn)臺(tái)作為對(duì)試驗(yàn)樣品的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的重要設(shè)備，可以得到材料和結(jié)構(gòu)的沖擊性能。依據(jù)材料和結(jié)構(gòu)的沖擊性能，可以在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，采用更加合理的方式，對(duì)處于可能發(fā)生碰撞的環(huán)境中的人員進(jìn)行保護(hù)，或者對(duì)一些結(jié)構(gòu)中的昂貴或重要部分進(jìn)行保護(hù)[1]；所以，利用現(xiàn)代化數(shù)字儀表結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，對(duì)不同壓縮量級(jí)的輕量級(jí)沖擊機(jī)臺(tái)減震彈簧的數(shù)據(jù)測(cè)量與分析，最終選取適合的彈簧壓縮量級(jí)安裝進(jìn)行試驗(yàn)，使得被試品的性能數(shù)據(jù)分析更加準(zhǔn)確，同時(shí)也對(duì)試驗(yàn)樣品的保護(hù)更加完善，從而影響試驗(yàn)室其它試驗(yàn)的數(shù)據(jù)科學(xué)決策度，并提升試驗(yàn)室試驗(yàn)的科學(xué)化有一定的理論探究意義[2]。

2 試驗(yàn)條件概述

2.1 試驗(yàn)要求

依據(jù)輕量級(jí)沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，輕量級(jí)沖擊試驗(yàn)方法應(yīng)參考GJB 150.18-86軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法的試驗(yàn)十，輕量級(jí)試驗(yàn)通常適用于質(zhì)量不超過(guò)120 kg的試驗(yàn)樣品，若有規(guī)定也可適用于120~200 kg的試驗(yàn)樣品。試驗(yàn)等級(jí)如下：

擺錘高度：0.3 m、0.9 m、1.5 m；

擺錘角度：37 °、66 °、90 °。

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)沿試驗(yàn)樣品3個(gè)相互垂直的主軸方向各施加3次沖擊，合計(jì)沖擊次數(shù)為9次。

實(shí)船安裝時(shí)不帶減震器的試驗(yàn)樣品，應(yīng)剛性地固定在沖擊機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)船安裝時(shí)帶減震器的試驗(yàn)樣品，應(yīng)連同減震器一起固定在沖擊機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備及樣品工裝示意圖如圖1所示。

圖1 輕型沖擊試驗(yàn)機(jī)

2.2 沖擊機(jī)狀態(tài)及指標(biāo)

2.2.1 沖擊機(jī)狀態(tài)

中國(guó)船舶工業(yè)微電子產(chǎn)品檢測(cè)中心環(huán)境與可靠性試驗(yàn)檢測(cè)中心的輕量級(jí)沖擊臺(tái)狀態(tài)為整個(gè)沖擊機(jī)主要由沖擊支架、傳動(dòng)裝置、落錘、擺錘和試驗(yàn)平板組成。當(dāng)被試產(chǎn)品固定于試驗(yàn)平板后，由液壓油缸帶動(dòng)落錘升起（垂向）或液壓油泵通過(guò)離合器控制擺錘升起（背向和側(cè)向）。然后通過(guò)落錘與擺錘的自由降落對(duì)試驗(yàn)平板的沖擊，即能考驗(yàn)出被試產(chǎn)品產(chǎn)生耐沖擊的穩(wěn)定性，本試驗(yàn)室的輕量級(jí)沖擊臺(tái)信息如表1。

表1 輕量級(jí)沖擊臺(tái)信息

2.2.2 試驗(yàn)平板

試驗(yàn)平板是沖擊機(jī)中的主要部件，為1 340 mm×864 mm的鋼板。當(dāng)垂直沖擊時(shí)，將正面彈簧松開(kāi)，平板沿著正面沖擊彈簧桿的長(zhǎng)孔移動(dòng)，使垂直沖擊板彈簧受到?jīng)_擊而產(chǎn)生變形。正面沖擊時(shí)，擺錘沖擊于平板，使平板與桿一起向前移動(dòng)，這時(shí)正面沖擊彈簧被壓縮。在壓縮彈簧作用下，平板達(dá)到某一位移，然后朝相反方向移動(dòng)，使后彈簧變形。這樣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以致產(chǎn)生平板的震動(dòng)。

2.2.3 彈簧的各項(xiàng)指標(biāo)

垂直沖擊彈簧：18.6 kg/mm；

正面沖擊彈簧：

外彈簧：14 kg/mm，

內(nèi)彈簧：6.53 kg/mm，

后彈簧：94 kg/mm，

落錘重量：200 kg，

擺錘重量：200 kg，

試驗(yàn)平板重量：292 kg。

2.2.4 正面沖擊試驗(yàn)的要求

擰緊平板上四個(gè)正面沖擊彈簧，使彈簧變形值為3 mm，并保持四個(gè)彈簧壓縮距離一致（見(jiàn)說(shuō)明書(shū)）。彈簧實(shí)物圖如圖2所示。

圖2 彈簧

2.3 不同彈簧壓縮量對(duì)輕量級(jí)沖擊試驗(yàn)臺(tái)的影響

2.3.1 彈簧的長(zhǎng)度與壓縮長(zhǎng)度

圖3 百分尺測(cè)量示意圖

彈簧原長(zhǎng)度（游標(biāo)卡尺測(cè)量所得）：左上：102.5 mm 、右上：98.5 mm（加4個(gè)墊片，修正后的距離為102.5 mm）、左下：97.5 mm（加4個(gè)墊片，修正后的距離為101.5 mm）、右下：98 mm（加4個(gè)墊片，修正后的距離為102 mm）；備注：加墊片的原因是保證背板與臺(tái)架水平，從而確保垂直度。彈簧的壓縮量采用百分表控制，詳見(jiàn)圖片3。

不同壓縮量級(jí)下，不同位置的彈簧長(zhǎng)度數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同壓縮量級(jí)下彈簧長(zhǎng)度數(shù)據(jù)

2.3.2 產(chǎn)品的安裝方式與傳感器的布置

采用配重塊模擬產(chǎn)品安裝于臺(tái)面進(jìn)行沖擊試驗(yàn)考核，配重塊總質(zhì)量為20.4 kg，通過(guò)螺釘與臺(tái)體剛性連接，安裝方式見(jiàn)圖4。

圖4 傳感器與配重塊的安裝圖

傳感器布置位置及靈敏度（生產(chǎn)廠家Brüel &Kj?r，型號(hào)8339，量程20 000 g）：

1#傳感器：臺(tái)面右方 靈敏度0.027 39 mV/ms-2

2#傳感器：臺(tái)面左方 靈敏度 0.025 30 mV/ms-2

傳感器與基座、基座與臺(tái)面均采用螺紋連接。

2.3.3 數(shù)據(jù)的采集與分析

由于高量級(jí)沖擊時(shí)候，傳感器與線的螺紋連接容易松動(dòng)，由于該傳感器為電壓式（CCLD），傳感器與線的連接處松動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生階躍變化的電壓信號(hào)，從而導(dǎo)致傳感器采集數(shù)據(jù)時(shí)，報(bào)警過(guò)載（overload），例如以圖5波形。

圖5 信號(hào)過(guò)載報(bào)警時(shí)的波形

所以，為確保數(shù)據(jù)采集可靠，將1#傳感器和相應(yīng)的傳感器連接線的螺紋連接處用502膠水固定，2#傳感器仍采用正常的螺紋連接。彈簧壓縮量分別為3 mm、4.5 mm、1.5 mm時(shí)，采集不同角度擺錘高度的沖擊作用數(shù)據(jù)（擺錘高度為37度、66度、90度）。

測(cè)量數(shù)據(jù)整理如表3~5。

表3 彈簧壓縮量為3 mm

表格中的“/”表示：因沖擊量級(jí)偏大時(shí)，2#傳感器與傳感器連接線無(wú)法有效固定（1#傳感器與傳感器連接線由于采取了502膠固定，數(shù)據(jù)采集較為完整），從而導(dǎo)致采集到的信號(hào)報(bào)警過(guò)載，如圖5所示的波形，故不予統(tǒng)計(jì)。

2.3.4 沖擊臺(tái)采集的部分圖譜展示

當(dāng)彈簧壓縮量為4.5 mm時(shí)，沖擊臺(tái)部分角度的沖擊譜圖數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 擺錘角度37 °第一組數(shù)據(jù)時(shí)的波形

由于篇幅所限，數(shù)據(jù)的采集譜圖譜圖就不逐一展示，經(jīng)過(guò)以上分析可以初步得出的結(jié)論是：在選用三種不同的彈簧壓縮量級(jí)的情況下，測(cè)試的數(shù)據(jù)和頻譜圖均顯示在選用符合標(biāo)準(zhǔn)的彈簧壓縮量3 mm時(shí)，臺(tái)面的減震效果最佳，此時(shí)試驗(yàn)樣品性能測(cè)試的數(shù)據(jù)較為真實(shí)可靠，且對(duì)試驗(yàn)品的保護(hù)最佳。

3 試驗(yàn)結(jié)論

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

將以上的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出，當(dāng)在固定的角度下，沖擊角度37 °時(shí)彈簧壓縮量3 mm、4.5 mm、1.5 mm的最大值的均值E 分別為：905.12、1 671.67、1 938.33；沖擊角度66 °時(shí)彈簧壓縮量3 mm、4.5 mm、1.5 mm的最大值的均值分別為：2 548.33、2 915.00、2 494.00；沖擊角度37 °時(shí)彈簧壓縮量3 mm、4.5 mm、1.5 mm的第一個(gè)波峰值的均值分別為：905.12、1 261.33、983.86；沖擊角度66 °時(shí)彈簧壓縮量3 mm、4.5 mm、1.5 mm的第一個(gè)波峰值的均值分別為：2 232.67、2 340.00、2 236.67；沖擊角度90 °時(shí)均值接近，由以上統(tǒng)計(jì)分析可知彈簧壓縮量在3 mm時(shí)候減震效果最佳，如圖7中也可以看出彈簧壓縮量在3 mm時(shí)的影響度較其它兩種壓縮量時(shí)較小,另外結(jié)合計(jì)算機(jī)統(tǒng)計(jì)軟件分析得出圖8所示的95 %的置信區(qū)間的各彈簧壓縮量的均值沖擊響應(yīng)圖，也可知壓縮量在3 mm時(shí)候，沖擊對(duì)臺(tái)面造成的響應(yīng)最小，避震效果最佳（圖8中橫坐標(biāo)的數(shù)據(jù)1、2、3分別代表壓縮量級(jí)3mm、4.5 mm與1.5 mm）。

圖7 數(shù)據(jù)采集量值比較

圖8 數(shù)據(jù)采集量值比較（第一個(gè)波峰值）

3.2 結(jié)論

本次數(shù)據(jù)采集以動(dòng)態(tài)分析儀為數(shù)字分析設(shè)備結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件對(duì)三種不同彈簧壓縮量級(jí)的沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出在37 °、66 °時(shí)3 mm的壓縮量級(jí)明顯較其它兩個(gè)壓縮量級(jí)的數(shù)據(jù)對(duì)被試品的影響程度較小，在90 °時(shí)，由于除3 mm以外的其它兩個(gè)量級(jí)彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)、變形系數(shù)更接近于減震器的極限值，所以影響較接近于3 mm時(shí)的彈簧壓縮量級(jí)的影響值，甚至較之更好，但此時(shí)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備以及彈簧的損耗率更大，本文的不足之處也正在于此，綜合分析，應(yīng)當(dāng)在后續(xù)試驗(yàn)中收集更多的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以彌補(bǔ)本次測(cè)量的不足。在傳統(tǒng)的環(huán)境試驗(yàn)中結(jié)合現(xiàn)代化的數(shù)字設(shè)備以及數(shù)據(jù)分析手段，對(duì)輕量級(jí)沖擊試驗(yàn)彈簧壓縮量的科學(xué)選取與驗(yàn)證，能大大提高產(chǎn)品強(qiáng)度測(cè)試的精度與準(zhǔn)確性[3]，同時(shí)也在一定意義上使得環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)范化流程更加科學(xué)。