民航座椅水平沖擊試驗中工裝碰撞的研究

王 銳，洪 濤

(航宇救生裝備有限公司 綜合試驗技術研究室，湖北 襄陽 441003)

0 引言

動態水平沖擊試驗是在試驗室環境下模擬再現產品在真實碰撞時的工況，為產品研發改進提供有力的參考及為性能鑒定提供保障，具有成本低、效率高的優點。利用液壓緩沖缸來實現不同產品所需的沖擊波形的試驗臺更是具有結構簡單、成本低、可靠性高等優點。民航座椅的水平沖擊試驗能模擬飛機失事時座椅的實際工況及乘客的過載情況。在座椅的沖擊試驗過程中，若因工裝滑動而與其他部件發生碰撞會造成部分能量被吸收與釋放，導致試驗波形的上下震蕩超出容差范圍，使試驗失敗。為此，本文研究了水平沖擊試驗中因工裝滑動產生的碰撞對輸出波形的影響。

1 工作原理

液壓緩沖缸的結構簡圖如圖1所示，試驗件裝在臺車上，臺車前端有一個沖桿，液壓緩沖缸的四周開有小孔，這些小孔可以任意被堵死或與外界連通，從而調節液壓緩沖缸與外界的開口大小。臺車在橡皮繩的作用下以一定的速度沖向液壓緩沖缸，沖桿插入液壓緩沖缸后缸內的液體受擠壓從四周小孔流出從而形成小孔節流現象，因此液壓緩沖缸內外會有一定的壓力差，臺車因沖桿的受力而產生一個加速度。試驗件的加速度與臺車一致，根據試驗波形的要求計算出液壓緩沖缸內任一位置所需開啟孔的面積從而滿足試驗波形要求。

圖1 液壓緩沖缸原理簡圖

2 數學模型與仿真模型

2.1 工裝未滑動的數學模型

民航座椅14g沖擊試驗波形如圖2所示,T為沖擊脈寬，ms；a為臺車加速度，m/s2；t為時間，ms。

圖2 14g波形圖

液壓緩沖缸液體流量方程為：

(1)

其中：Q為流量，L/min；Cd為節流系數；Av為緩沖缸剩余小孔總面積(沖桿前端面與液壓緩沖缸底面距離間缸內所有小孔的總面積)，cm2；ρ為緩沖液密度，kg/m3；Δp為液壓緩沖缸內外壓差，Pa；v為臺車速度，m/s；A桿為沖桿的截面積，cm2。

從流量方程中推導出剩余總面積方程為：

(2)

沖桿受力方程為：

(3)

其中：M為臺車質量，kg。

前80 ms臺車運動方程為：

(4)

其中：v0為臺車初速度，m/s；l為臺車減速運動的位移，m。

后80 ms臺車運動方程為：

(5)

其中：lT/2為臺車前80 ms位移，m。

2.2 工裝滑動發生碰撞的數學模型

當臺車上某一工裝未固定緊時，沖擊過程中該工裝會在臺車上滑動而與相鄰部件發生碰撞。設松動工裝的質量為m，與臺車摩擦力為f，與其相碰撞部件的距離為s，工裝在開始滑動的時刻為t1。則相對運動時工裝的運動方程為：

(6)

其中：a1為工裝加速度，m/s2；v工為工裝速度，m/s；v1為工裝開始相對臺車滑移時速度，m/s；l1為開始相對運動時工裝位移，m；l工為工裝位移，m。

相對運動時臺車的運動方程為：

(7)

當l工-l=s時工裝與其他部件發生碰撞，且為完全彈性碰撞。碰撞方程為：

(8)

其中：v2為碰撞后工裝速度，m/s；v3為碰撞后臺車速度，m/s。

碰撞后工裝相對臺車向后滑動，摩擦力方向與之前相反，臺車受到的摩擦力也反向；當工裝回到臺車的初始位置時再次與臺車發生碰撞，如此往復下去。

2.3 仿真模型

工裝未滑動的仿真模型如圖3所示。圖3中，1為臺車整體質量，2為位移傳感器，3為臺車位移與液壓緩沖缸剩余小孔的總面積的函數關系式，4為液壓緩沖缸，5為開度可變的節流閥。

圖3 工裝松動AMESim仿真模型

工裝滑動發生碰撞的仿真模型如圖4所示。圖4中，1為可滑動工裝質量，2為帶有間隙的彈簧阻尼器，3為臺車除去工裝之外的質量，4為位移傳感器，5為臺車位移與液壓緩沖缸剩余小孔的總面積的函數關系式，6為液壓緩沖缸，7為開度可變的節流閥。

圖4 工裝碰撞AMESim仿真模型

3 動態仿真結果與試驗結果

3.1 工裝未滑動的動態仿真

根據民航座椅14g水平動態沖擊試驗的波形要求計算出臺車動態水平沖擊過程中任意時刻的位移、速度、加速度值，再結合沖桿的截面積，臺車、試驗件、工裝的質量再加上合適質量的配重質量計算出臺車在任意位移值液壓緩沖缸內剩余孔總面積。輸入所有的參數進行動態仿真，得到臺車動態水平沖擊的加速度仿真波形如圖5所示。

圖5 正常臺車加速度仿真波形

由圖5可以看出：臺車的最大加速度峰值為-15g，峰值點對應的時間為75 ms，脈寬180 ms，滿足試驗波形要求，仿真可行。

3.2 工裝滑動的動態仿真

在試驗現場測量出可滑動工裝的質量、與臺車的摩擦力以及可滑動工裝與臺車上固定工裝的距離，輸入所有的參數進行動態仿真，得到臺車動態水平沖擊的加速度仿真波形如圖6所示。

由圖6可以看出：仿真結果與理論分析結果基本一致；可滑動工裝與臺車在沖擊過程中反復發生碰撞，且每次碰撞都會導致臺車加速度值有一定的跳躍，有些次碰撞甚至會引起臺車發生震蕩，跳躍更大。整個加速度波形曲線不光滑，可能會導致波形不合格，試驗失敗。

圖6 工裝滑動時臺車加速度仿真波形

3.3 工裝滑動的真實試驗結果

根據民航座椅14g水平動態沖擊試驗的波形要求，計算出臺車動態水平沖擊過程中任意時刻的位移、速度、加速度值；結合沖桿的截面積、臺車整體質量計算液壓緩沖缸的孔位分布。液壓緩沖缸四周的小孔是一排排地布滿整個缸的，孔的分布并不是任意位置都有的，在實際的排孔中是先計算出每一排孔的總面積再合適分布到每一個孔。具體計算方法是：先計算出前一排最后一個孔位位置所對應的加速度值及剩余所有排的孔總面積，然后計算出當前排最后一個孔位位置所對應的加速度值及其剩余所有排的孔總面積，這兩個總面積之差就是當前排孔的總面積，再根據實際調試的情況對孔面積進行相對修正以滿足試驗要求。此次試驗時由于試驗人員疏忽，臺車上一個工裝螺栓未擰緊，試驗的波形圖如圖7所示。

圖7 工裝滑動時臺車加速度波形

由圖7可以看出：由于實際排孔不是連續的，試驗波形并不是十分平滑；當臺車沖桿正在封閉液壓緩沖缸內的一個個孔的瞬間時，缸內剩余孔總面積突然減小即液壓緩沖缸節流口變小，而由缸內排出液體的流量基本沒有變化，所以缸內外此刻的壓力差變化率會大于這一段位移值所要求的壓差變化率，臺車加速度會有一個階躍的跳動；同樣當沖桿在液壓緩沖缸內某一段位移內沒有封閉任何孔時即節流口沒有變化，但液體流量變小，因此缸內外壓力差變化率會小于此位移段所要求的壓力差變化率，臺車此刻加速度值會變得平緩。

臺車加速度的峰值為15.16g，峰值點對應的時間為82 ms，脈寬為200 ms。從圖7可以看出臺車加速度值存在上下震蕩，超出了試驗要求波形的容差范圍，試驗波形不合格。對整個波形進行分析計算，試驗波形的總的積分面積滿足要求，上下震蕩的部分存在能量的吸收與釋放，導致試驗波形局部超出容差范圍。能量的吸收與釋放是由彈性元件產生，反復檢查發現臺車上有一工裝松動，固定擰緊后再次試驗，所得的試驗波形如圖8所示。

圖8 工裝未滑動時臺車加速度波形

由圖8可以看出：同樣由于排孔的不連續性，試驗波形依然不是十分平滑。臺車加速度的峰值為15.21g，峰值點對應的時間為78 ms，脈寬為200 ms。工裝固定緊后沒有了能量的吸收釋放及部分損失，試驗波形恢復正常，滿足試驗要求。

4 結論

本文計算了民航座椅14g水平沖擊試驗中臺車在任意時刻的位移、速度、加速度值及液壓緩沖缸內孔的分布；建立了臺車因工裝滑動發生碰撞的數學模型并進行了分析；在AMESim中建立相應的仿真模型，研究了水平沖擊試驗中因工裝滑動與其他部件碰撞時對輸出波形的影響；最后結合實際的試驗結果可知動態沖擊過程中因工裝滑動發生碰撞引起的能量吸收與釋放會導致波形的上下震蕩，嚴重時波形會超出容差范圍，導致試驗失敗。