高速運動零件的碰撞特性實驗研究

張 林，劉建斌，郭競堯，張永濤

(西北機電工程研究所, 陜西 咸陽 712099)

高速運動零件的碰撞特性實驗研究

張 林，劉建斌，郭競堯，張永濤

(西北機電工程研究所, 陜西 咸陽 712099)

常規的自動武器結構動力學計算所引用的恢復系數為定值且取值范圍較大，從而導致理論計算和樣機測試結果常有差距。為了研究自動武器零件在射擊過程中的碰撞行為，組建了一套實驗裝置，模擬了自動武器常用的高強度材料在單自由度、面接觸仿真條件下的碰撞，通過激光測振儀測試模擬零件的速度變化，從而獲取恢復系數和接觸時間等參數，分析了該條件下的動力學相應規律。研究結果表明，碰撞的恢復系數和接觸時間受多參數影響。

工程力學；高速碰撞；單自由度；面接觸；恢復系數；接觸時間

自動武器中各個機構動作的實現，絕大部分是依靠零件之間的碰撞進行能量傳遞，而在自動武器的設計中，結構動力學的大部分計算又是零件之間碰撞的計算，其中恢復系數是重要的輸入參數。而利用現有計算手段對零件之間碰撞進行計算時，一般取碰撞恢復系數為定值且取值范圍較大(0.3～0.5)[1]，在理論計算和樣機實驗的對比之下發現，計算值與實測值往往有一定的差距，影響了對火炮動力學研究的精度和可靠性。由于自動武器中的零件受力極其惡劣，所有依靠撞擊進行傳遞能量的撞擊形式均為面接觸，并且碰撞速度的范圍較大，常用的對碰撞及其恢復系數的研究方法在一定程度上均無法準確測定其碰撞恢復系數。

在本研究中，模擬了一種自動武器中零件的工作狀況，通過兩臺激光測振儀測試參碰試件的碰撞過程，直接測量參碰試件的速度變化，得到碰撞速度變化曲線，從而求得該種高強度材料的恢復系數及碰撞接觸時間的變化特征和規律。

1 碰撞實驗與測試方法

1.1 實驗裝置介紹

為了模擬自動武器中零件的真實碰撞運動規律，組建了一套實驗測試系統，系統組成簡圖如圖1所示。主、被動參碰試件直接安裝在導軌中，形成單自由度，參碰試件與導軌之間的間隙小于0.05 mm，該間隙尺寸通過修配來保證。主動參碰試件的一側與氣缸桿接觸，通過氣缸的推動提供初始速度，且與被動參碰試件碰撞前，已和氣缸脫離，保證處于自由運動狀態時參加碰撞。參碰試件的速度變化通過兩臺激光測振儀進行監測，主動參碰試件由1#激光測振儀經過反射鏡監測其非碰撞面的速度變化，被動參碰試件由2#激光測振儀直接監測其非碰撞面的速度變化。

本次研究選用某自動武器常用的高強度材料30CrNi2MoVA，主、被動參碰試件的硬度分別為33HRC和55HRC，按照常用的外形尺寸簡化后制成參碰試件，試件的制作工藝、材料與實際使用狀態相同。主動參碰試件尺寸為46 mm×45 mm×108 mm，質量為1.5 kg；被動參碰試件尺寸為78 mm×45 mm×78 mm，質量為2.0 kg。被動參碰試件上有兩種碰撞接觸面積，分別為46 mm×9 mm和46 mm×27 mm，如圖2所示。

1.2 碰撞參數分析

恢復系數和碰撞接觸時間是碰撞實驗中測量的基礎性參數。恢復系數的大小表征碰撞前后動能變化的大小，即從能量的角度來看，恢復系數的實質在于表征碰撞過程中的動能損失。兩物體在單自由度下的正碰撞如圖3所示。

對于圖3中的碰撞過程[1]，恢復系數e定義為兩物體碰撞前的初始速度之差和碰撞后的分離速度之差的比[2]，即

(1)

式中：vA0和vB0分別是主、被動參碰體碰撞接觸時的速度，m/s；vA和vB分別是主、被動參碰體碰撞分離時的速度，m/s。

碰撞接觸時間為

t=tA-tA0=tB-tB0

(2)

式中：tA=tB為碰撞分離的時刻;tA0=tB0為兩物體碰撞接觸的時刻，s。

1.3 測試方法與步驟

在自動武器零件的高速碰撞實驗中，通過氣缸的運動給主動參碰試件提供一個初始速度，速度方向沿導軌朝向被動參碰試件。導軌上均勻地涂抹上潤滑劑，保證在碰撞試件運動過程中的摩擦條件沒有波動性變化。在主動參碰試件運動一段距離后，氣缸運動行程結束，主動參碰試件與氣缸桿脫離并沿導軌自由運動，直至與被動參碰試件發生碰撞。參碰試件的測試面上貼有激光測振儀指定的反射貼膜，兩臺激光測振儀分別全程監測參碰試件測試面的速度變化量。

根據兩臺激光測振儀所記錄的主、被動參碰試件的碰撞接觸時的速度以及碰撞分離時的速度，按照碰撞恢復系數的計算公式計算得出不同碰撞速度和不同碰撞接觸面積下的恢復系數；再根據激光測振儀記錄的時間，按照碰撞接觸時間的計算公式得出碰撞接觸時間。在分析碰撞問題時，可將碰撞等效為一個彈簧阻尼系統，如圖4所示。在得到碰撞恢復系數和碰撞接觸時間這兩個重要的參數后，即可用相關模型得到彈簧阻尼系統的等效剛度系數和阻尼系數，進而可對碰撞過程進行數值模擬[3-6]。

實驗的具體實施步驟如下：

1)氣缸桿收回，主動參碰試件與氣缸桿接觸，系統處于準備狀態。

2)輸入主動參碰試件需要達到的碰撞速度及質量參數，計算出氣缸需要的氣體壓力，并控制氣路系統達到該壓力值。

3)通過控制系統控制氣缸進氣通路上的電磁閥打開，主動參碰試件在氣缸桿的推動下開始加速；數據采集系統開始記錄1#、2#激光測振儀的測試數據。

4)氣缸桿運動行程結束，主動參碰試件達到最大直線運動速度。

5)主動參碰試件繼續沿導軌運動，直至與被動參碰試件發生碰撞。

6)主動參碰試件和被動參碰試件完成相互碰撞后的運動，數據采集系統記錄結束，單次實驗過程結束。

2 實驗數據分析與結果討論

2.1 實驗數據分析

通過上述實驗步驟得到實驗測試曲線，如圖5所示。實驗測試曲線的y軸為測試電壓值，測試電壓與速度的換算關系為v=kU,k=2 m/(s·V)。

在圖5中，上方曲線表示被動參碰試件的電壓隨時間的變化，下方曲線表示主動參碰試件的電壓隨時間的變化。碰撞過程可以分為碰撞壓縮階段和碰撞恢復階段[7-8]。取被動參碰試件的運動速度發生突變的時間點tB0=107.38 ms作為碰撞壓縮階段開始的時間點；主動參碰試件的運動速度發生突變時的速度設為vA0；由于激光測振儀測試的是電壓變化量，由測試電壓與速度的換算關系v=kU就可得到參碰試件的速度變化量，故取被動參碰試件碰撞后被測試面速度變化前4次振蕩的平均值為其碰撞分離速度vB，且第1次達到該速度的時間點tvB為碰撞恢復階段結束的時間點；取主動參碰試件碰撞后被測試面速度變化前4次振蕩的平均值為其碰撞分離速度vA；根據實驗條件，被動參碰試件的初始速度vB0=0 m/s。由該曲線圖可知，發生碰撞時，被動參碰件的速度由vB0=0 m/s迅速增加到8 m/s左右，后在此速度上下波動。主動參碰件的速在碰撞后急劇減小，最后基本穩定在2 m/s左右。

根據式(1)即可算得碰撞恢復系數e，根據式(2)即可算得碰撞接觸時間t。

在碰撞接觸面積為46 mm×9 mm的情況下，于4～11.2 m/s的速度范圍內進行了34個速度點的碰撞實驗；在接觸面積為46 mm×27 mm的情況下，于3.2～11 m/s的速度范圍內進行了36個速度點的碰撞實驗。根據實驗數據得到恢復系數和碰撞接觸時間隨碰撞速度變化的對比曲線如圖6、7所示。

2．2 實驗結果討論

從圖6和圖7中的各個實驗數據點的分散程度來看，實驗狀態的一致性較好，可信度較高。

由圖6可得以下結論：

1)恢復系數在單自由度、面接觸的碰撞條件下并不是一個常數。

2)總體上說，恢復系數隨著碰撞速度的增大而呈一定規律性的增大，但對于碰撞接觸面積為46 mm×9 mm的情況，恢復系數在碰撞速度達到11 m/s后還有一個下降的趨勢，這個特征還需根據材料特性進一步實驗來驗證。

3)同時還可以看出，恢復系數不僅和碰撞速度有關，與碰撞接觸面積也有關。定性上看，在相同碰撞速度下較小的碰撞接觸面積相比較大的接觸面積的恢復系數要高，若要從定量上給出碰撞接觸面積對恢復系數大小影響的規律還需大量的實驗數據作支撐。

由圖7可得以下結論：

1)碰撞接觸時間隨著碰撞速度的增大而減小。

2)同時還可以看出，碰撞接觸時間也與碰撞接觸面積有關。定性上看，在相同的碰撞速度下較小的碰撞接觸面積相比較大的接觸面積的碰撞接觸時間要短。

文獻[9]通過測量不同高度彈性體下落時所需時間，得到的結果顯示恢復系數與物體碰撞時的速度無關；文獻[10]借助聲音傳感器采集鋼珠與玻璃板間彈跳碰撞產生的脈沖聲信號，測得恢復系數隨碰撞初速度增大而略微減小，并且與文獻[11]結論吻合；文獻[6]采用高速光學采集系統拍攝石墨磚的碰撞過程，通過圖像處理算法獲得碰撞前后的速度等參數，得到恢復系數和隨碰撞速度的增大而增大，同時隨著碰撞速度的增大，恢復系數的增大趨勢越來越小，逐漸趨于平緩，而碰撞接觸時間隨碰撞速度的增大而減小，與文獻[12]中的數據變化趨勢基本一致。

以上文獻中的研究結果的不同結論結合本文的研究結果說明，物體的絕對恢復系數以及碰撞接觸時間和碰撞的外部條件有關[13]，即與物體的材料及材料的機械性能(如鋼材的熱處理硬度)、碰撞接觸面形勢(點接觸、線接觸、面接觸)、碰撞速度等因素有較大關系，而與物體的外形、環境溫度、環境濕度等其他因素是否有不可忽略的關系尚待驗證。

故物體絕對恢復系數的函數可以表示為

e=f(C,S,v)

(3)

式中：C為材料及其機械性能的輸入參數(可能包含材料的彈性模量E及泊松比ν)；S為碰撞接觸面形勢的輸入參數(可能包含點接觸、線接觸和面接觸的判斷，面接觸中包含面積)；v為碰撞速度。

物體的碰撞接觸時間的函數可以表示為

t=g(C,S,v)

(4)

兩個絕對恢復系數不同的物體發生碰撞的共同恢復系數可根據文獻[13]的推導進行實驗驗證。

3 結束語

筆者采用直接測量碰撞速度變化的方法，對某自動武器常用的高強度材料，在單自由度面接觸碰撞的條件下進行了研究。實驗結果表明，在仿真零件實際使用的條件下，碰撞恢復系數并不是一個常數，并且它不僅與碰撞速度有一個相對應的關系，同時還與碰撞接觸面積有關，即較小的碰撞接觸面積相比較大的碰撞接觸面積,在相同碰撞速度下的恢復系數高；碰撞接觸時間隨著碰撞速度的增大而減小，同時碰撞接觸面積對它的影響與對恢復系數的影響相反。

筆者采用的實驗方法直觀、可重復性好，并且直接測試參碰試件的速度變化，避免將直接物理量測量轉變為間接物理量測量帶來的誤差，可信度高。所得的實驗結論，可以對自動武器的動力學分析提供新的輸入參數。

)

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Experimental Study on the Impact Property of High Speed Moving Parts

ZHANG Lin, LIU Jianbin, GUO Jingyao, ZHANG Yongtao

(Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

Recovery coefficients cited for conventional automatic weapons structural dynamics calculations are a fixed value with a large range of possible values, leading to the gap between theoretical calculations and prototype test results. In order to study the collision behavior of automatic weapon’s parts in the shooting process, we establish a set of experimental devices to simulate commonly used high-strength material of the automatic weapon’s impact in simulation conditions of single degree of freedom and surface contact, through which we use laser vibrometer testing for the simulation of the speed change of parts, thereby obtaining restitution coefficient and the contact time parameters for the analysis of the corresponding law of dynamics under the conditions. The research results show that the restitution coefficient and the contact time of the collision are affected by multiple parameters.

engineering mechanics; high speed crash; single degree of freedom; surface contact; restitution coefficients; contact time

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.01.016

2016-06-31

張林(1992—)，男，碩士研究生，主要從事火炮自動機技術研究。E-mail：919310356@qq.com

TJ35

A

1673-6524(2017)01-0079-05