水平沖擊性加速度模擬裝置的設計

王 洵 ,曹 文,丁江舟

水平沖擊性加速度模擬裝置的設計

王 洵 ,曹 文,丁江舟

目的 探討水平沖擊性加速度模擬裝置的設計方案。方法 在對沖擊性加速度模擬現狀和水平沖擊性加速度性能指標分析的基礎上,闡述了模擬裝置的設計。結果 各組成部分的設計,可以滿足水平沖擊性加速度模擬的要求。結論在實驗室條件下進行水平沖擊性加速度模擬是切實可行的。

加速度;直線電機;模擬裝置

沖擊性加速度是指突然猛烈的加速或減速運動,其特點是加速度變化率高、峰值高而作用時間很短(通常小于 1 s),如飛機迫降或墜毀、高速飛行中彈射救生及開傘、航母艦載機飛行員彈射起飛和阻攔著艦、汽車碰撞等過程,均涉及單個軸向或復合軸向上的沖擊性加速度[1]。與沖擊性加速度相關的人員頸部損傷與防護、提高作業功效、維護職業健康、延長職業壽命等相關的醫學研究正逐步引起重視。由于沖擊性加速度產生的實際工況具有特殊性和偶然性,不可能多次重復出現來滿足相關研究,這就需要在實驗室內模擬沖擊性加速度。

1 沖擊性加速度模擬裝置現狀

長期以來,國外對沖擊性加速度的研究非常廣泛,在模擬飛機座艙彈射救生的研究方面,建設有彈射塔;在模擬艦載機彈射起飛的研究方面,建設有蒸汽或電磁彈射試驗裝置;在模擬飛行器制動著陸和迫降方面,建設有火箭滑車設備,這些大型設備造價昂貴、占地廣,能模擬實際狀態速度和加速度的產生和變化過程[2]。這些實驗裝備主要是為研究武器裝備的性能和安全系數指標而建,運行成本很高,對于研究沖擊性加速度對人體長期性的累積效應影響而言,不太適合。

此外,在水平碰撞研究方面還有Ⅱ型生物撞擊機、揮鞭傷仿真發生裝置、汽車碰撞實驗裝置、軌道式水沖碰撞試驗臺等,這些實驗裝置適合高 G值、短作用時間 (一般在 200 ms以內)的碰撞研究。美國空軍研究所建有滑橇軌道式的水平沖擊性加速器 (H I A),可以模擬水平方向 ±40×g、持續 300 ms以內的水平沖擊性加速度,利用此裝置可以測量頭頸部的受力以及位移情況,該裝置只模擬人 -椅瞬間沖擊加速度,而不模擬整個加減速度的全過程[1]。目前,還未見到專用于醫學研究的模擬水平沖擊性加速度變化,峰值加速度值較低 (小于 10×g)、持續時間長 (800 ms)的實驗裝置。

2 水平沖擊性加速度性能指標分析

在水平沖擊性加速度的研究方面,針對飛機彈射起飛和阻攔著艦的工況,為方便飛機和相關設備的結構強度設計,美軍在 1999年公開頒布了標準M I L-HDBK-2066(AS)。該標準是目前研究飛機起飛和著艦時水平沖擊性加速度的主要依據。

從該標準的 FIGURE 14.6(如圖 1所示)可知,如果一架質量為 50 000 lb(約合 22 680 kg,1 lb≈0.453 kg)的飛機,以130 Kn的速度 (約合 241 km/h)降落,滑行距離為 230 ft(約合 70 m,1 ft=30.48 cm)時,它所承受的水平加速度峰值約為 5.2×g。再分析該標準中 FIGURE 16.6(如圖 2所示)和FIGURE 18.6(如圖 3所示),可知：同樣的飛機在以 135 Kn降落,滑行距離為 310 ft(約合 95 m)時,它所承受的水平加速度峰值約為 4.2×g;在以 145 Kn降落,滑行距離為 340 ft(約合 104 m)時,它所承受的水平加速度峰值約為 4.3×g。

圖1 美軍標M I L-HDBK-2066(AS)中的FIGURE 14.6

3 模擬裝置的設計

3.1 模擬裝置的主要性能指標

通過對水平沖擊性加速度性能指標的分析,得到峰值加速度以及加速度由 0變化到峰值所需的時間,再通過積分運算可以計算出實驗對象從靜止運動到加速度峰值時的行程。

經過計算可以初步確定,在假定加速度峰值為 5×g,加速時間歷時 0.8 s的情況下,實驗對象的運動距離在 5 m左右,運動末端的速度接近 20 m/s;在加速度峰值為 10×g,加速時間歷時 0.8 s時,試驗對象的運動距離將長達 10 m左右,并且運動末端的速度可達 39 m/s。這對實驗室條件下實驗對象的減速提出了很高的要求。

3.2 動力方式的選擇

對實驗對象施加沖擊載荷,滿足其加速度值按設定的曲線變化,這對模擬裝置的驅動系統提出了 3條基本要求：一是動力輸出范圍大、精確度高、可方便調節控制;二是在長達數米的運動行程中,始終穩定地推動實驗對象加速;三是重復性好,多次實驗時,同等條件下,實現的加速度變化曲線良好吻合。

根據以上要求,對比分析液壓傳動、高壓氣動、直線電機驅動等方式后認為：一是液壓傳動難以在長達數米的范圍內持續對實驗對象施加作用力;二是高壓氣動的方式在動力輸出上難以精確控制,多次實驗重復的精確性難以保證;三是直線電機驅動可以滿足要求。

之所以說直線電機可以滿足要求,主要是因為直線電機可實現精確的控制,通過控制供電電壓或頻率可方便地調節驅動力,可實現 10×g的加速度;可調整初級和次級的長度,按需要實現較長距離、高速運動條件下持續的驅動力;同等條件下,直線電機的重復性好,可實現百分之一以內的誤差。3.3 裝置組成及實現方案

參考國內外撞擊實驗裝置的現狀,水平沖擊性加速度模擬裝置應由驅動系統、控制系統、實驗對象承載平臺、軌道、制動系統等主要部分組成。

3.3.1 驅動系統 從直線電機的形式看,它分為扁平型、圓筒型或盤型等多種形式[3]。水平沖擊性加速度模擬裝置中,應選用扁平型的形式。扁平型的直線電機由初級和次級兩大部分組成,其中初級是由旋轉電機的定子演變而來,次級由旋轉電機的轉子演變而來[3]。初級由鐵心和繞組等組成,質量明顯大于次級?？紤]到實驗運動平臺的質量越輕,實現同樣加速度所需的推力越小,直線電機越容易滿足要求,因此將次級安裝在實驗運動平臺上,以盡量減輕實驗運動平臺的質量。所以,應采用長初級短次級的結構形式,即初級按照實驗對象的加速運動范圍,設置在實驗運動平臺的軌道內側下方,并鋪滿整個加速段,而次級設置于實驗運動平臺的底部,如圖 4所示。

圖4 直線電機安裝示意圖

3.3.2 控制系統 控制系統由計算機、控制柜、運動傳感器、運動平臺負載自動測量系統等組成,采用電壓控制或頻率控制來調節直線電機的驅動力變化,滿足實驗對象的加速度按預定曲線變化?？刂葡到y在每次運動平臺負載變化時,可實時調整驅動力大小,滿足實驗運動要求。同時,實驗運動平臺的運動參數可通過傳感器實時得到記錄。

3.3.3 實驗對象承載平臺 該平臺主要由可固定實驗對象的平臺面板、平臺承載框架、滑輪或滑塊、剎車系統、直線電機次級等部件組成。其承載框架結構可采用輕量化的設計,在滿足安裝固定實驗對象和測試設備的條件下,盡量減輕質量。因為負載大小直接關系到直線電機的推力大小,同等推力下,平臺的質量越輕,可實現的加速度值越大。

3.3.4 軌道和制動系統 軌道可采用滑動軌道或滾動軌道,其結構形式和長度要根據實驗平臺的沖擊載荷、運動速度、運動精度、制動方式等綜合考慮。制動系統可采用多種方式組合構成,如長距離的均勻制動可采取對滾輪或滑塊增加剎車裝置,使整個制動過程的摩擦力保持平穩,減少對實驗對象的影響。在軌道的末端要設置緊急緩沖區,可設置多聚乙稀泡沫柱群。此外,還可考慮設置應急阻攔索。

3.3.5 其他 多數碰撞實驗室都會安置高速攝像機,用來記錄實驗對象在沖擊載荷下的響應過程,這時應配套設置燈光系統,滿足高速攝像的需求。此外,還要考慮實驗過程中的各種數據傳輸、記錄等問題。由于直線電機在工作中,瞬間產生的電磁場強度較大,應在加速度模擬裝置的整體設計中考慮實驗現場人員的防電磁輻射問題,以及設備間的電磁兼容問題,防止實驗、監測設備工作異常。

4 結論

通過對水平沖擊性加速度性能指標分析和整體設計方案的討論,在實驗室條件下進行水平沖擊性加速度模擬是切實可行的,它所采用的均為成熟技術,更利用了目前技術先進的大推力直線電機驅動技術,可很好地滿足實驗需求。

[1] 朱偉,張慧,汪家春,等.沖擊性加速度對飛行員頸部的損傷與防護研究[ J ] . 中華航空航天醫學雜志, 2009, 20 (3) ： 228 -232.

[2] 吳興裕.航空航天生物動力學[M ].西安：陜西科學技術出版社, 1999： 1 - 2.

[3] 葉云岳.直線電機原理與應用[M ] .北京：機械工業出版社,2000： 1 - 4.

R852.21

A

1009-0754(2010)02-0132-03

200433 上海,海軍醫學研究所

通過進一步對圖形分析得知,水平沖擊性加速度的峰值一般出現在飛機滑行行程的中點附近。圖形中橫坐標為滑行行程,縱坐標為飛機受到的沖擊載荷。由于在實驗室模擬加速度變化的過程中,實驗對象是從靜止狀態按預定的加速度變化曲線運動,而上述圖形中飛機是從運動狀態受到沖擊載荷后逐漸停止的過程。兩者的縱坐標相同,橫坐標需要統一轉換為時間,這樣才能做到實驗環境與真實環境的統一。通過對圖 1、圖 2、圖 3的曲線進行積分運算,可知在以上 3種情況中,飛機達到峰值的時間在 0.6～0.8 s之間。此外,再進一步分析美軍標M I L-HDBK-2066(AS)中其他條件下的加速度變化曲線 ,如重量為 10 000、15 000、20 000、30 000、40 000、60 000 lb等情況下 ,滑行距離分別在 230、310、340 ft的圖表分析,加速度峰值情況與重量為 50 000 lb時相仿。

2010-03-13)

(本文編輯：彭潤松)