大幅值脈沖力激勵(lì)裝置研究

何旋，曹亦慶，李善明，商一奇，趙巍宇

（航空工業(yè)北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京100095）

0 引言

JJG 632-1989《動(dòng)態(tài)力傳感器檢定規(guī)程》規(guī)定力值傳感器的檢定既包括靜態(tài)標(biāo)定，也包括動(dòng)態(tài)標(biāo)定，而其中的動(dòng)態(tài)標(biāo)定是采用正弦信號(hào)、瞬變信號(hào)兩種激勵(lì)源。正弦信號(hào)激勵(lì)源采用振動(dòng)臺(tái)來(lái)產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)；瞬變信號(hào)激勵(lì)源通過(guò)落錘式?jīng)_擊力裝置、快速卸荷裝置或激波管裝置產(chǎn)生鐘形脈沖、截平的斜變信號(hào)或階躍信號(hào)［1］。盡管我國(guó)在1989年就頒布了動(dòng)態(tài)力的檢定規(guī)程，但國(guó)內(nèi)卻始終沒(méi)有基于絕對(duì)法加速度測(cè)量的脈沖式動(dòng)態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)裝置。因此，本文研制了覆蓋1～200 kN范圍的脈沖力激勵(lì)裝置。

1 裝置設(shè)計(jì)

脈沖力是在短促時(shí)間間隔內(nèi)因力參量急劇變化而激起系統(tǒng)瞬態(tài)脈沖運(yùn)動(dòng)，并引起系統(tǒng)產(chǎn)生明顯動(dòng)量變化的一種動(dòng)態(tài)壓力作用，是一種瞬間的能量交換［2］。脈沖力校準(zhǔn)基于牛頓第二定律，脈沖力發(fā)生器驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊產(chǎn)生瞬態(tài)變化的加速度，通過(guò)質(zhì)量塊這一傳遞媒介轉(zhuǎn)換為瞬態(tài)變化的力值脈沖信號(hào)［3］。因此脈沖力校準(zhǔn)中，力值溯源至加速度和質(zhì)量，再通過(guò)加速度溯源至長(zhǎng)度、時(shí)間，實(shí)現(xiàn)力值間接溯源至計(jì)量學(xué)的基本量。用于脈沖力測(cè)量的動(dòng)態(tài)力傳感器工作頻率范圍較寬，最高頻率能夠達(dá)到幾萬(wàn)赫茲。

中國(guó)計(jì)量院在上世紀(jì)80年代采用自由下落的重錘與力傳感器碰撞進(jìn)行動(dòng)態(tài)力傳感器校準(zhǔn)技術(shù)的研究；北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所在“七五”“八五”期間采用負(fù)階躍力實(shí)現(xiàn)力傳感器動(dòng)態(tài)特性研究，在“十一五”期間研制了基于激光干涉法的10 kN正弦力校準(zhǔn)裝置［4-9］。俄羅斯、英國(guó)、德國(guó)、美國(guó)均在從事動(dòng)態(tài)力校準(zhǔn)技術(shù)研究工作，其中，德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）建有兩套不同量程的激勵(lì)裝置，最大力值分別為20 kN和250 kN。

綜合考慮國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀［10-16］，本文將研究的大幅值脈沖力激勵(lì)裝置指標(biāo)定為：脈沖力幅值范圍1～200 kN，脈沖持續(xù)時(shí)間1～6 ms。目前，該指標(biāo)在國(guó)內(nèi)處于先進(jìn)水平。

1.1 脈沖力發(fā)生方式

常見的脈沖力發(fā)生方式有落錘式（工作原理如圖1所示）、水平對(duì)撞式（工作原理如圖2所示）。目前，國(guó)內(nèi)脈沖力發(fā)生器均采用落錘式發(fā)生方式，德國(guó)PTB則采用水平對(duì)撞式發(fā)生方式。落錘式發(fā)生裝置基于能量守恒，利用驅(qū)動(dòng)裝置將錘體提升至一定高度后釋放，錘體達(dá)到一定速度后，撞擊被校力傳感器施加脈沖力激勵(lì)［4］。這類裝置結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、較易實(shí)現(xiàn)，非常適于產(chǎn)生較大幅值的脈沖力激勵(lì)。水平對(duì)撞式發(fā)生裝置需要采用空氣軸承將運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量塊和力傳感器進(jìn)行水平支撐，抵消重力影響。在初始加速和撞擊的整個(gè)過(guò)程中，空氣軸承產(chǎn)生的氣隙導(dǎo)軌被用來(lái)作為質(zhì)量塊移動(dòng)導(dǎo)向并減小摩擦。這是一種較為新型的發(fā)生裝置，造價(jià)非常昂貴，且維護(hù)成本高，并且需要兩套激光干涉測(cè)量系統(tǒng)復(fù)現(xiàn)脈沖力作用下的加速度過(guò)程。綜合考慮成本及易實(shí)現(xiàn)性等因素，本文采用落錘式發(fā)生方式作為大幅值脈沖力發(fā)生器的激勵(lì)方式。

圖1 落錘式脈沖力發(fā)生器工作原理圖

圖2 水平對(duì)撞式工作原理

大幅值脈沖力發(fā)生器基于錘體自由下落的沖擊方法，設(shè)計(jì)方案如圖3所示，主要包括提升機(jī)構(gòu)、扶正機(jī)構(gòu)、錘體與力傳感器安裝底座。提升機(jī)構(gòu)用于控制錘體及扶正機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與提升高度，扶正機(jī)構(gòu)用于保持錘體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)，錘體為脈沖力的傳遞媒介，將自身的加速度運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為脈沖力作用于被校力傳感器上，力傳感器安裝底座則起到固定被校力傳感器的作用。

圖3 落錘式大幅值脈沖力發(fā)生器設(shè)計(jì)方案

落錘式發(fā)生器的錘體能夠產(chǎn)生的最大加速度峰值A(chǔ)約為7000 m／s2，持續(xù)時(shí)間T不小于1 ms，產(chǎn)生的加速度波形比較平滑，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大諧振影響測(cè)量結(jié)果。沖擊過(guò)程產(chǎn)生近似半正弦波形，按照標(biāo)準(zhǔn)半正弦波形計(jì)算，沖擊過(guò)程中的速度改變量為

根據(jù)式（1）計(jì)算得出：在忽略能量損耗的情況下，要想獲得4.41 m／s的速度，跌落高度約為1 m。實(shí)際沖擊過(guò)程中，速度變化量是標(biāo)準(zhǔn)半正弦波形的速度變化量的80%～100%，再賦予一定的裕度，最大跌落高度設(shè)計(jì)為1.5 m，將可以滿足最大力值校準(zhǔn)需要。

1.2 錘體和托架設(shè)計(jì)

考慮力傳感器的形狀和錘體在沖擊過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等因素，將錘體設(shè)計(jì)為如圖4所示的形狀。在同一測(cè)量力值范圍內(nèi)傳感器的外形尺寸相差較大，同一外形尺寸的動(dòng)態(tài)力傳感器也會(huì)存在不同的動(dòng)態(tài)力測(cè)量范圍，因此采用單一外形尺寸及重量的錘體顯然不能滿足不同動(dòng)態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)要求。基于以上考慮，本文設(shè)計(jì)了不同尺寸、材料的錘體質(zhì)量塊以滿足不同動(dòng)態(tài)力傳感器的校準(zhǔn)需求，如表1所示。

為了便于錘體質(zhì)量塊與波形發(fā)生器聯(lián)接，在錘體下端面設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為10 mm的螺紋孔；為了便于限位機(jī)構(gòu)在錘體沖擊回彈過(guò)程中發(fā)揮限位作用，在錘體的上端面設(shè)計(jì)了兩條楔形槽，楔形槽頂部直徑為8 mm，底部直徑為12 mm，如圖5所示。將直徑8 mm的彈性橡膠繩牢固安裝入楔形槽中起到限位作用。

圖4 錘體外形

表1 錘體外形尺寸設(shè)計(jì)及材料選用方案

圖5 錘體限位設(shè)計(jì)方案

在錘體撞擊力傳感器及回彈的過(guò)程中，錘體及托架間會(huì)發(fā)生一定的碰撞，若錘體及托架的材料選取不當(dāng)，則可能會(huì)對(duì)裝置本身造成損壞，導(dǎo)致錘體及托架的幾何外形發(fā)生改變，破壞錘體自身的對(duì)稱性及錘體和力傳感器軸線的對(duì)中性。基于以上考慮，提出以下三種扶正托架設(shè)計(jì)方案。

1）鋁合金扶正托架

鋁合金材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、易加工等特點(diǎn)，采用鋁合金材料制造錘體扶正托架，具有重量輕、方便搬運(yùn)，易于儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)提升及碰撞過(guò)程中錘頭與托架的配合要求，加工一個(gè)鋁合金托架，進(jìn)行不同高度的錘體跌落試驗(yàn)。經(jīng)多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在沖擊回彈過(guò)程中，錘頭與托架的碰撞導(dǎo)致襯套的對(duì)中環(huán)部位變形較大。此方案無(wú)法長(zhǎng)期保證錘體與扶正托架之間間隙配合的準(zhǔn)確度，不能滿足錘體與動(dòng)態(tài)力傳感器軸線同軸度的要求。鋁合金襯套的失效形式如圖6所示。

圖6 鋁合金扶正托架的失效形式

2）呢絨扶正托架

呢絨材料密度低、質(zhì)地柔軟、搬運(yùn)方便，但與鋁合金材料存在同樣的問(wèn)題——多次沖擊后極易產(chǎn)生塑性變形，無(wú)法保證錘體與力傳感器的同軸度。并且，呢絨材料的變形受溫度影響較大，無(wú)法保證對(duì)中環(huán)的加工精度。進(jìn)行多次跌落試驗(yàn)后，呢絨扶正托架的失效形式與鋁合金類似，如圖7所示。

圖7 呢絨扶正托架的失效形式

3）鋁合金-油浸膠木扶正托架

油浸膠木材料在強(qiáng)沖擊下不易產(chǎn)生塑性形變，與金屬材料相比，油浸膠木的硬度更小，其材料特性可以滿足制造扶正托架的要求。但油浸膠木的加工工藝較為復(fù)雜，且大直徑的油浸膠木在市面上并不多見，考慮到導(dǎo)致托架結(jié)構(gòu)失效的主要因素是沖擊回彈時(shí)托架與錘體質(zhì)量塊的碰撞，主要碰撞位置是托架與錘體相接處的對(duì)中環(huán)處，因此，托架的主體部分仍采用鋁合金，托架對(duì)中環(huán)處采用油浸膠木圓環(huán)制造，油浸膠木與鋁合金托架之間采用過(guò)盈配合加工，結(jié)構(gòu)如圖8所示。經(jīng)多次沖擊實(shí)驗(yàn)證明，此托架設(shè)計(jì)方案抗撞擊能力較好，不易產(chǎn)生失效變形，明顯優(yōu)于前兩個(gè)方案，因此本文最終選用該方案。

圖8 鋁合金襯套主體與油浸膠木對(duì)中環(huán)裝配結(jié)構(gòu)圖

1.3 力傳感器的安裝設(shè)計(jì)

力傳感器安裝底座與發(fā)生器底座剛性連接，由于發(fā)生器底座質(zhì)量不小于500 kg（質(zhì)量較大），且與底座剛性連接，因此在撞擊過(guò)程中，不會(huì)產(chǎn)生影響測(cè)量的運(yùn)動(dòng)位移，力傳感器自身的等效質(zhì)量在撞擊過(guò)程中不會(huì)影響測(cè)量值。同時(shí)由于底座質(zhì)量較大，不易在校準(zhǔn)過(guò)程中被激發(fā)產(chǎn)生自激振蕩，影響力傳感器的輸出電壓峰值。

1.4 波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

波形發(fā)生器需滿足在撞擊時(shí)產(chǎn)生近似半正弦激勵(lì)的要求。聚氨酯材料彈性較好，壓縮行程較長(zhǎng)，具有一定的機(jī)械濾波作用，產(chǎn)生的激勵(lì)波形較為平滑，因此本文選用聚氨酯材料制造波形發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)1～80 kN范圍內(nèi)的力值脈沖。加工時(shí)，采用硫化成型法，將聚氨酯硫化于一個(gè)鋁合金底座上，在鋁合金底座上設(shè)計(jì)一個(gè)直徑為10 mm的螺紋孔，以便與錘體質(zhì)量塊聯(lián)接，如圖9所示。

圖9 聚氨酯波形發(fā)生器設(shè)計(jì)方案

若采用聚氨酯材料的波形發(fā)生器進(jìn)行80 kN以上的大幅值脈沖力激勵(lì)，波形發(fā)生器的壓縮行程過(guò)大，將產(chǎn)生較大的塑性變形，長(zhǎng)期使用易導(dǎo)致波形發(fā)生器的損壞，導(dǎo)致位于波形發(fā)生器低端的鋁合金底座直接與被校傳感器接觸，使激勵(lì)波形質(zhì)量變差，對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果造成影響。80 kN激勵(lì)波形如圖10所示。為避免以上問(wèn)題，選用油浸膠木壓頭與不銹鋼壓頭，并在壓頭與被校傳感器間加墊毛氈等材料，實(shí)現(xiàn)80 kN以上大幅值力值脈沖。由于油浸膠木材料具有一定的彈性，在試驗(yàn)時(shí)優(yōu)先采用油浸膠木。但油浸膠木材料較脆，加工螺紋的難度較大，與錘頭間只能采用粘接的方式連接，在大于120 kN的力值沖擊下，該粘接方式容易脫開，因此，在幅值為60～120 kN時(shí)，采用油浸膠木壓頭；在幅值為120～200 kN時(shí)，采用不銹鋼壓頭。

圖10 采用聚氨酯波形發(fā)生器進(jìn)行80 kN沖擊的激勵(lì)波形

1.5 緩沖裝置設(shè)計(jì)

進(jìn)行校準(zhǔn)工作時(shí)，提升托架與錘體同時(shí)自由下落，下落至最低點(diǎn)時(shí)，提升托架產(chǎn)生較大的跌落速度，因此，需要合理設(shè)計(jì)提升托架的緩沖裝置。緩沖裝置與大幅值脈沖力發(fā)生器底座間采用螺紋連接方式，本文提出三種緩沖裝置設(shè)計(jì)方案：

1）將緩沖裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)帶平臺(tái)的螺柱，并采用細(xì)牙螺紋技術(shù)，以便微調(diào)緩沖裝置的高度。將一個(gè)硬橡膠塊粘合于平臺(tái)上，提升托架跌落至最低點(diǎn)時(shí)與橡膠塊相互作用，通過(guò)橡膠塊的沖擊變形實(shí)現(xiàn)緩沖。這種方案加工簡(jiǎn)單，機(jī)構(gòu)升降操作方便，如圖11所示。

使用該機(jī)構(gòu)進(jìn)行跌落試驗(yàn)，對(duì)提升托架的緩沖作用明顯，但多次實(shí)驗(yàn)后，粘合于平臺(tái)上的橡膠塊損壞較為嚴(yán)重（如圖12所示），需經(jīng)常更換。在校準(zhǔn)時(shí)若沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)橡膠塊損壞，則容易造成平臺(tái)與橡膠塊的粘合處脫離，發(fā)生危險(xiǎn)。

圖11 硬橡膠塊緩沖機(jī)構(gòu)

圖12 緩沖裝置橡膠塊失效形式

2）將緩沖裝置設(shè)計(jì)為活塞-彈簧系統(tǒng)，如圖13所示。該設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)密封安全，機(jī)構(gòu)升降操作方便。跌落時(shí)，提升托架壓縮彈簧，液壓系統(tǒng)中的液體受到壓縮后產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提升托架的緩沖。但是經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，提升托架會(huì)將彈簧壓縮至最低點(diǎn)，彈簧-液壓系統(tǒng)無(wú)法提供足夠的反彈力，臺(tái)面的回彈主要還是由于彈簧的長(zhǎng)度達(dá)到最小值后壓頭與密封腔的碰撞，長(zhǎng)期使用會(huì)造成緩沖機(jī)構(gòu)的損壞。

圖13 液壓式緩沖機(jī)構(gòu)

3）將緩沖裝置設(shè)計(jì)為聚氨酯緩沖墊—活塞—彈簧—橡膠墊系統(tǒng)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖14所示。經(jīng)多次試驗(yàn)證明，此方案緩沖性能好、安全性高，符合裝置緩沖保護(hù)要求，與前兩個(gè)方案相比優(yōu)勢(shì)明顯，因此本文最終采用此方案設(shè)計(jì)加工提升托架的緩沖裝置。

圖14 緩沖裝置結(jié)構(gòu)圖

2 裝置實(shí)際性能

大幅值脈沖力發(fā)生器基于錘體自由下落的沖擊方法，如圖15所示，力值范圍為1～200 kN。通過(guò)提升托架控制錘體的運(yùn)動(dòng)與提升高度，采用砧塊固定被校力傳感器，利用波形發(fā)生器控制激勵(lì)波形的幅值、持續(xù)時(shí)間和形態(tài)，通過(guò)光學(xué)平臺(tái)隔離撞擊時(shí)脈沖力對(duì)激光干涉儀的影響，下落的錘體起到產(chǎn)生并傳遞脈沖力的作用，通過(guò)緩沖裝置吸收提升托架的下落動(dòng)能。

圖15 大幅值脈沖力發(fā)生器示意圖

提升托架的厚度為150 mm，兩根導(dǎo)向立柱的直徑均為80 mm。為了保證提升托架沿導(dǎo)向立柱下落過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，減少因傾斜增加的側(cè)向力和橫向運(yùn)動(dòng)分量對(duì)脈沖力校準(zhǔn)結(jié)果的影響，需通過(guò)精密機(jī)械加工工藝保證導(dǎo)向立柱的圓柱度小于0.054，與底面的垂直度小于0.03。提升裝置由油缸驅(qū)動(dòng)，油缸的行程為950 mm，經(jīng)動(dòng)滑輪傳動(dòng)后，錘體的沖擊高度為1500 mm，留出背壓行程，可確保錘體的沖擊高度大于1200 mm。提升托架安裝面可安裝錘體質(zhì)量塊的最大直徑為180 mm，小于此直徑的錘體可通過(guò)不同尺寸的扶正托架安裝。為確保定位精準(zhǔn)，在錘體質(zhì)量塊的底部加工內(nèi)螺紋來(lái)固定波形發(fā)生器。為保證動(dòng)態(tài)力傳感器測(cè)量力值的準(zhǔn)確性，通過(guò)機(jī)械加工工藝確保被校動(dòng)態(tài)力傳感器安裝底座砧體上表面與底面的平行度小于0.03。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)試采用的儀器設(shè)備見表2。

表2 測(cè)試用儀器設(shè)備

對(duì)大幅值脈沖力發(fā)生器的脈沖力幅值和持續(xù)時(shí)間范圍進(jìn)行驗(yàn)證，采用激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量的試驗(yàn)如圖16所示，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖16 大幅值脈沖力發(fā)生器幅值驗(yàn)證試驗(yàn)

表3 量程范圍

對(duì)脈沖力發(fā)生器的橫向運(yùn)動(dòng)比進(jìn)行驗(yàn)證。在錘體／質(zhì)量塊上表面中心位置安裝三向沖擊加速度傳感器，對(duì)錘體上表面（即加速度測(cè)量表面）橫向運(yùn)動(dòng)程度進(jìn)行測(cè)量，如圖17所示。

圖17 大幅值脈沖力發(fā)生器橫向運(yùn)動(dòng)比驗(yàn)證試驗(yàn)安裝方式

臺(tái)面橫向運(yùn)動(dòng)比的計(jì)算公式為

式中：T為橫向沖擊加速度比；az為主沖擊方向的加速度峰值，m／s2；ax，ay分別為垂直于主沖擊方向的兩個(gè)互相垂直的加速度峰值，m／s2。

脈沖力發(fā)生器的橫向運(yùn)動(dòng)比試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 橫向運(yùn)動(dòng)比

對(duì)大幅值脈沖力發(fā)生裝置的臺(tái)面沖擊峰值加速度幅值不均勻度進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)方法為在錘體上表面的中心和四周安裝多只單向沖擊加速度傳感器，對(duì)錘體上表面不同位置的沖擊加速度進(jìn)行測(cè)量，如圖18所示。

圖18 幅值不均勻度驗(yàn)證試驗(yàn)中沖擊加速度傳感器安裝方式

臺(tái)面幅值不均勻度的計(jì)算公式為

式中：N為臺(tái)面幅值不均勻度；a0為同次測(cè)量時(shí)中心點(diǎn)的沖擊加速度峰值，m／s2；為同次測(cè)量時(shí)各點(diǎn)與中心點(diǎn)加速度峰值的最大偏差（絕對(duì)值），m／s2。

臺(tái)面幅值不均勻度如表5所示。

從表3、表4和表5結(jié)果可以看出，本文研究的脈沖力激勵(lì)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)力值范圍1～200 kN，脈沖持續(xù)時(shí)間滿足1～6 ms的要求，且具有較好的橫向運(yùn)動(dòng)比和臺(tái)面幅值不均勻度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的脈沖力激勵(lì)裝置可以用于進(jìn)行動(dòng)態(tài)力傳感器的絕對(duì)校準(zhǔn)，產(chǎn)生的力值及脈沖持續(xù)時(shí)間范圍較寬。該激勵(lì)裝置能夠?yàn)槲淦餮b備、航空航天、工業(yè)制造等領(lǐng)域中大量應(yīng)用的力傳感器（特別是各種脈沖力測(cè)試中大量使用的壓電式傳感器）提供動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)服務(wù)，解決了國(guó)內(nèi)始終沒(méi)有基于絕對(duì)法進(jìn)行加速度測(cè)量的脈沖式動(dòng)態(tài)力標(biāo)準(zhǔn)裝置的問(wèn)題。該激勵(lì)裝置在國(guó)防科技領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用前景，并具有產(chǎn)業(yè)化推廣價(jià)值。

表5 臺(tái)面幅值不均勻度