組合沖頭式力脈沖發生器沖擊特性研究

何 玲

HE Ling

（貴州大學 現代制造技術重點實驗室，貴陽 550007）

0 引言

在機械、航空等領域中存在著各種沖擊，產品的抗沖擊性能是反映其質量和可靠性的重要指標。隨著人們對產品精度可靠性要求的提高，以及航空航天等行業發展的需要，產品的抗沖擊性能越來越受到重視，與之相應的沖擊機也在不斷發展。力脈沖發生器是沖擊機的關鍵部件，力脈沖發生器以沖擊脈沖力的形式向被沖擊體施加載荷，沖擊脈沖力的關鍵參數是沖擊脈沖峰值和沖擊脈寬。然而目前廣泛使用的力脈沖發生器所能提供的沖擊脈沖主要受其沖頭內的填充材料決定。一般情況下，沖頭采用單一材料填充，如橡膠、氈墊、鉛等。由于沖頭材料的單一性，從而使沖擊脈沖峰值和脈寬調節范圍具有局限性。而在對沖擊脈沖峰值和脈寬調節范圍較大的情況，使用單一材料填充作為沖頭的力脈沖發生器很難滿足加載條件。本文以組合材料組成的沖頭為研究對象，通過實驗法確定組合材料沖頭對沖擊脈沖的調節能力，提出一種增大力脈沖發生器沖擊脈沖調節范圍的有效方法。

1 沖擊實驗

在沖頭材料和形狀及其他加載參數不變的情況下，為實現減小沖擊脈沖峰值增大脈寬的要求，將由單一材料制成的沖頭更換為由金屬材料和高分子材料組成的組合式沖頭。為確定該方法的可行性和實現方法，以組合沖頭為試件進行了沖擊實驗。

1.1 實驗裝置和測量方法

實驗目的在于研究兩種不同材料組合而成的組合沖頭試件所形成的沖擊脈沖，以脈沖力峰值、脈寬和沖量3個參數為目標分析沖擊脈沖變化情況。沖擊實驗中，改變高分子材料力學性能及其軸向尺寸，分析這2個因素對沖擊脈沖的影響。

實驗設備、測量儀器包括SSH-5沖擊實驗機、9683A力傳感器、GX-1高速攝像機、PXI4472B數據卡。實驗中，組合沖頭與力傳感器的安裝如圖1所示。金屬材料與緊固螺釘通過螺紋聯接，而高分子材料中間為通孔，其被金屬材料壓緊在力傳感器上。實驗時，金屬材料受沖擊錘作用向下壓迫高分子材料，沖擊過程中金屬材料的變形量極小，且遠遠小于高分子材料。實驗中忽略金屬材料的變形量，認為沖擊過程中的變形均發生在高分子材料上。

圖1 組合沖頭試件的裝夾

本實驗中，金屬材料為45鋼，其形狀為頭部球狀底部圓柱形。高分子材料分別為3種聚氨酯橡膠，聚氨酯橡膠材料在工程上以標準尺寸條件下的HA硬度表示材料力學特性，文中也以HA硬度表示其材料特性。實驗中的聚氨酯橡膠材料HA硬度分別為60、80、90。其形狀為圓環狀，高度分別為5和10mm。圖2所示為聚氨酯橡膠試件，圖中從左至右，聚氨酯HA硬度分別為60、80、90。

圖2 膠墊材料

1.2 實驗

對組合沖頭試件進行了不同沖擊速度條件下的沖擊實驗，得到沖擊脈沖曲線如圖3所示。由圖可知，脈沖曲線為半正弦波，沖擊脈沖峰值與沖擊速度成正比。HA60組合試件沖擊脈寬與沖擊速度成反比。當沖擊速度大于1m/s時，厚度10mm硬度HA80的組合試件上的沖擊脈寬基本相同，沖擊速度對脈寬的影響較小。對HA90組合試件，沖擊脈寬與沖擊速度成反比。高分子材料硬度增大，脈沖曲線的波動性增大，隨高分子材料厚度增大曲線波動性也增大。將組合試件視為一個由高分子材料和金屬材料組成的二自由度振動系統，高分子材料與金屬材料彈性模量相差越大，該系統的振動幅度越小，表現為脈沖曲線的波動性越小。隨著高分子材料硬度的增大其彈性模量增大，組合試件中兩元件的彈性模量愈加接近，系統振動幅度增大。由于振幅較大，在沖擊過程的恢復階段，沖擊力峰值越小則脈寬也越小。此時，沖擊脈寬與沖擊脈沖力一樣隨沖擊速度增大而增大，如圖3(e)和3(f)。隨高分子材料硬度的增大，沖擊脈沖峰值增大，沖擊脈寬減小。同時，隨高分子材料厚度增大，沖擊過程中其變形量增加，脈沖峰值減小脈寬增大。

圖4給出了沖擊速度與沖擊沖量的關系，兩者間基本呈線性關系變化，沖擊沖量與沖擊速度成正比。該直線的斜率與高分子元件的材料、厚度有關。隨高分子元件厚度增大，其變形量增大沖擊作用時間延長，沖擊沖量增大。高分子材料硬度從HA60增加到HA80，沖擊沖量-沖擊速度曲線斜率增長幅度較大，兩種曲線較為離散。高分子材料硬度從HA80增大到HA90時，曲線斜率略為減小，HA90的曲線位于HA80曲線下方。其中，10mm的HA90高分子元件對應的沖量-沖擊速度曲線與5mm的HA80曲線基本重合。沖擊沖量先隨高分子材料硬度增大而增大，隨后又隨其增大而略為減小。通過實驗所得的沖量-沖擊速度直線，可方便地估算不同沖擊速度對應的沖擊沖量。

圖3 沖擊脈沖曲線

圖4 沖擊沖量-沖擊速度曲線

2 沖擊脈沖的調節

如圖5所示，沖擊脈沖峰值-沖擊速度曲線近似于直線，脈沖峰值與沖擊速度成正比，隨高分子材料硬度增大該直線斜率增大。由圖6可知，沖擊脈寬-沖擊速度曲線也近似于直線，隨高分子材料硬度的增大脈寬減小，但曲線的變化規律有所不同。材料HA60和5mm的HA80對應的脈寬-沖擊速度直線斜率小于零，按單調遞減規律變化。而當材料硬度增大時，10mm的HA80和HA90對應的脈寬-沖擊速度直線斜率變為略大于零。這與組合沖頭試件所形成的二自由度振動系統中材料的特性和尺寸、結構等因素有關。沖擊沖量隨材料硬度增大而略有減小。

圖5 沖擊力峰值-沖擊速度曲線

相同沖擊速度變化條件下，隨著高分子材料硬度的增大，沖擊脈沖峰值變化幅度增大。總體上，沖擊脈寬隨高分子材料硬度增大而減小，其隨沖擊速度變化的變化幅度相應減小。隨高分子材料硬度的增大，由于沖量-速度曲線斜率減小，沖量隨速度的變化幅度略為減小。

高分子元件的厚度對沖擊脈沖也具有調節作用。隨著高分子元件厚度的增加，其在沖擊過程中的允許變形量增大，脈沖峰值-沖擊速度直線的斜率減小，峰值隨厚度的增加而減小。隨高分子元件厚度的增加沖擊脈寬減小，同時高分子材料硬度越低脈寬對厚度的變化越敏感，在圖6中表現為高分子材料相同的5mm和10mm兩條脈寬-沖擊速度直線相距越遠。由圖5和圖6中脈沖峰值和脈寬的變化規律可認為，相同材料的高分子元件隨其厚度的增加硬度減小，即材料相同的10mm高分子元件硬度小于5mm膠墊。隨高分子元件厚度增加，相同沖擊速度條件下產生的沖擊沖量增大。

高分子元件厚度增加，脈沖峰值減小的同時引起沖擊速度對沖擊脈沖峰值調節范圍減小。沖擊脈寬隨高分子元件厚度增加而增大，沖擊速度對其調節范圍也相應增大。由沖擊沖量-速度曲線可知，高分子元件厚度增加直線斜率基本相等，則沖擊速度對沖擊沖量的調節范圍保持不變。

圖6 沖擊脈寬-沖擊速度曲線

由以上分析可知，在沖頭材料、沖擊速度和沖擊質量確定的情況下，可通過在沖頭底部添加不同硬度和尺寸材料的方法實現沖擊脈沖峰值、脈寬和沖量的調節。作者通過其它實驗數據已知，在沖擊速度為從1m/s增加到2m/s范圍時：使用本沖擊實驗中的鋼制試件單獨進行沖擊實驗時，其所得沖擊脈沖峰值50-140kN，脈寬0.8-0.7ms；使用與本實驗中的鋼制試件尺寸形狀完全相同的聚氨酯材料進行沖擊實驗時，其所得沖擊脈沖峰值約為3-9kN，脈寬約21-19ms。在使用單一材料作為沖頭時，沖擊脈沖峰值和脈寬的調節范圍較小，而通過使用組合式沖頭，可實現沖擊脈沖的調節范圍3-140 kN，脈寬21-0.7ms，調節范圍明顯增大。

3 組合沖頭式力脈沖發生器

在沖擊速度和質量確定的情況下，沖擊脈沖力主要靠力脈沖發生器進行調節。根據組合沖頭試件的沖擊實驗結果，在沖頭材料和沖擊速度和沖擊質量等條件確定的情況下，為增大沖擊脈沖的調節范圍，可將力脈沖發生器中單一材料的沖頭更改為組合式沖頭。

在沖擊速度確定且較大的條件下，如要求沖擊脈沖峰值較小，脈寬較大時，可令組合式沖頭中的高分子材料硬度較小。相同條件下，如需脈沖峰值進一步減小、脈寬繼續增大時，可使用厚度較大的相同高分子材料。當要求脈沖峰值減小幅度較小，脈寬增長幅度較小時，可使高分子材料硬度、厚度均取較小值。反之，當沖擊速度較低，卻要求脈沖峰值較大、脈寬較小時，取高分子材料硬度大、厚度小，甚至可不使用高分子材料，直接使用金屬沖頭。

4 結論

本文進行了組合式沖頭的沖擊實驗，組合沖頭由金屬材料和高分子材料組成。由實驗結果可知，通過在力脈沖發生器中使用由金屬和高分子材料構成的組合式沖頭，可大幅度增大力脈沖發生器對沖擊脈沖力的調節范圍，為提高力脈沖發生器對沖擊脈沖的調節能力提出了一種切實可行的方法。實驗發現：

1）高分子材料對沖擊脈沖的影響：高分子材料硬度（聚氨酯材料工程上一般以標準尺寸材料的硬度表征其力學特性）正比于沖擊脈沖力峰值，反比于沖擊脈沖寬度；沖擊脈沖力峰值-沖擊速度曲線近似于直線，其斜率正比于高分子材料硬度；沖擊沖量隨高分子材料硬度增大略為減小。

2）高分子元件厚度對沖擊脈沖的影響：高分子元件厚度增加，引起沖擊脈沖力峰值減小，沖擊脈寬和沖擊沖量增大。

3）金屬材料形狀對沖擊脈沖的影響：金屬材料形狀從球狀變為圓柱狀，沖擊脈沖力峰值力增大，沖擊脈寬略為減小，沖擊沖量小幅增大。

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