高速對撞沖擊試驗機彈射裝置動態特性研究

趙 玉，張明遠

艦船在實戰中不可避免要遇到非接觸爆炸沖擊。由于水介質的不可壓縮性，這種爆炸攻擊會對艦船產生沖擊波、氣泡脈動、空穴、氣泡射流等復雜載荷作用，并從艦船結構傳遞到內部系統設備上，對設備造成各種沖擊損傷[1～2]。因此，為檢測艦船及其精密設備的抗沖擊能力，必須進行抗沖擊性能試驗[3]。

沖擊試驗系統是模擬設備沖擊試驗環境的主要手段。第一、二代沖擊試驗系統均為擺錘式，只能對被測設備進行半正弦波的沖擊試驗。上世紀90 年代末，美國、德國和荷蘭研制出第三代雙波沖擊試驗機，可以對被測設備產生正、負半正弦波來模擬真實環境下的水下爆炸沖擊波和爆炸產生的氣泡脈動作用[4～5]。國內CMA （科瑞迪機電設備有限公司） 研制的KRD 系列沖擊試驗機、蘇州東菱振動實驗儀器有限公司研制的SY11 系列沖擊試驗機等均屬于第一、二代沖擊試驗系統，沖擊速度低（＜3 m/s），最大沖擊峰值小（＜1 000 g），無法對艦艇上廣泛使用的精密電子設備進行精確的高沖擊載荷（＞1 000 g） 試驗考核[6]。對此，本文提出一種高速對撞沖擊試驗機系統的實現方案，并對其高速（最高速度變化量為20 m/s）、高加速度峰值（峰值最高達1 400 g） 沖擊試驗過程和液壓彈射系統彈射過程進行建模仿真，分析該沖擊試驗系統的主要性能。

1 高速對撞沖擊試驗機系統方案

高速對撞沖擊試驗機機械系統由沖擊臺、試驗臺、彈射裝置及其關聯件組成，主要作用是安裝被試設備并將沖擊能量傳遞至設備上（見圖1）。液壓系統包括彈射液壓分系統（包括蓄能器氮氣瓶組件、彈射液壓缸、液壓推桿及相應的控制閥等）、剎車系統（包括4 個液壓剎車鉗、蓄能器組件及相應的控制閥等）、提升釋放液壓分系統（包括提升液壓缸、釋放液壓缸、蓄能器組件及相應的控制閥等），主要作用是控制沖擊試驗機運行，產生正、負波。測控系統包括測試傳感器、測控計算機及各種執行元件，主要作用是采集及處理測試過程中的監控數據。

圖1 高速對撞沖擊試驗及系統方案

高速對撞沖擊試驗機主要由試驗臺、沖擊臺、彈射裝置、脈沖發生器和試驗臺提升裝置等幾個部分組成（見圖2）。被測樣品固定在沖擊試驗機臺面上，試驗臺和沖擊臺由導柱導向，由提升裝置將試驗臺提升至預定高度后通過彈力繩加速下落，同時，由彈射裝置驅動的沖擊臺以預定速度向上彈射，使試驗臺和沖擊臺在空中高速撞擊，產生標準的半正弦加速度波形。發生碰撞后，由液壓剎車系統快速制動試驗臺，通過調節剎車片與剎車鉗之間的摩擦系數及剎車鉗的剎車力即可產生理想的負波。

圖2 高速對撞沖擊試驗機簡圖

2 彈射裝置數學模型

高速對撞沖擊試驗機彈射裝置主要作用是驅動沖擊臺作高速運動，使沖擊臺在200 ms 加速時間內以高速撞擊試驗臺[7]。蓄能器為沖擊彈射沖擊缸提供儲存能量，通過控制閥開啟，可以在彈射沖擊缸產生較大的瞬時能量。蓄能器由一個80 L 的活塞蓄能器和與其相連的，等效容量為400 L 的4 個80 L 高壓氮氣瓶組成。改變開啟氮氣瓶的數量和蓄能壓力可以控制蓄能器儲存能量大小，進而可以改變彈射液壓缸推動沖擊臺的彈射速度。液壓控制系統以液壓油作為傳遞動力和信號的介質，通過蓄能器組儲存能量，短時間釋放能量，使得運動物體在較短的時間里獲得較高的速度[8]。液壓彈射裝置是高速對撞沖擊試驗機設計過程中最關鍵的技術之一，彈射系統性能的好壞直接影響沖擊試驗機的測試效果和測試精確性。因此，需要對沖擊試驗機彈射裝置進行動力學建模與仿真，分析該沖擊試驗系統的動態特性。

控制閥是高速對撞沖擊試驗機彈射裝置液壓回路中的核心元件，用于完成彈射裝置的啟動、停止和反向回縮功能（見圖3）。

圖3 控制閥原理圖

圖中Ps為控制閥系統的供油壓力；P0為控制閥系統的回油壓力；PL為彈射液壓缸液壓推桿兩側的壓力差；xv為控制閥閥芯位移；y 為液壓推桿的位移；K 為液壓推桿與沖擊臺之間的彈性系數；FL為沖擊臺等外部負載力；A 為液壓推桿有效作用面積；BP為液壓推桿與沖擊臺之間的粘性阻力系數。

（1） 控制閥的流量方程

當閥芯向右移動時，閥控缸的流量方程為:

式中：qL—負載流量（l/min）；Kqm—流量增益系數；Kcm—流量壓強增益系數。

（2） 流量連續性方程

彈射液壓缸的流量連續性方程為

式中：ξh—液壓系統阻尼比，在實際應用中通常取0.1～0.2。

彈射液壓缸固有頻率ωh和控制閥的固有頻率ωv是影響液壓系統動態性能的主要原因；而流量增益Kq直接影響控制閥回路的控制性能，回路控制精度隨著Kq的增大而變高[11]。

3 仿真結果

應用AMESim 軟件建立高速對撞沖擊試驗機彈射裝置模型（見圖4）。

圖4 液壓彈射系統AMESim 仿真模型

采用表1 的參數對高速對撞沖擊試驗機液壓彈射系統彈射過程進行仿真分析。

表1 仿真參數

由蓄能器氮氣瓶不同的充氣壓力下，液壓推桿與沖擊臺的速度和位移與對應關系（見圖5～圖6） 可知，蓄能壓力pg0分別為15 MPa、13.2 MPa 和11.8 MPa 的情況下，液壓推桿的速度在150 ms 內分別到達到6 m/s、5 m/s和4 m/s，相應的位移約為0.6 m、0.5 m 和0.4 m。隨后液壓推桿開始減速并回縮，沖擊臺與液壓推桿分離，沖擊臺約在200 ms 的時刻與以10 m/s 向下運動的試驗臺相撞。相撞時刻沖擊臺的速度分別是5 m/s、4 m/s 和3 m/s。

圖5 液壓推桿與沖擊臺的速度曲線

圖6 液壓推桿與沖擊臺的位移曲線

由加速腔內的壓力曲線可知，液壓推桿以不同的速度推動試驗臺向上彈射過程中會引起彈射液壓缸腔內壓力的變化，液壓缸內最大壓力分別是19 MPa、16 MPa 和14 MPa（見圖7）；在與沖擊臺相撞時試驗臺的加速度脈沖分別是1 050 g、900 g 和790 g（見圖8） ,對應的脈寬分別是3 ms、4 ms 和5 ms。

圖7 加速腔的壓強

圖8 試驗臺加速度脈沖

4 結 語

仿真結果表明：采用液壓彈射系統驅動沖擊臺與試驗臺在空中對撞的沖擊方式，在保證沖擊試驗機穩定性的前提下，可以提高試驗機的最大峰值加速度。沖擊試驗機彈射裝置由液壓系統驅動，使沖擊臺迅速獲得動能，通過改變蓄能器氮氣瓶的開啟數量和調節蓄能壓力，有效調節沖擊臺的碰撞速度，使其在給定的行程內加速到預定速度。該裝置采用彈射裝置和沖擊臺分離的結構，避免碰撞對液壓系統及周圍環境帶來的波動效應。

目前，實驗需求對沖擊試驗機的脈沖強度越來越高，新型高脈沖沖擊試驗機已被推廣應用。因此，本文提出的新型高速對撞沖擊試驗機，以及對其進行的動力學建模及彈射系統仿真分析，為以后沖擊試驗機研究提供一定的參考。