吸能拉桿動態(tài)拉伸沖擊試驗技術(shù)研究

劉 黎，廖良全

(中航工業(yè)直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

某特種吸能拉桿作為關(guān)鍵部件，通過拉伸變形阻力做功吸收能量，有效減少某登陸裝置受到的沖擊載荷。拉桿細(xì)長，拉伸率達50%以上，具有很大的拉伸強度，不能承受壓縮載荷，因此傳統(tǒng)的Hopkingson拉桿試驗方法及在其基礎(chǔ)上的改進方法都不能滿足本試驗要求［1-2］。同時，國內(nèi)一些學(xué)者研發(fā)的拉伸沖擊試驗方法［3］，試驗件在靜止?fàn)顟B(tài)下獲得沖擊載荷，不能模擬試驗件工況環(huán)境。

因此，本文提出一種新的試驗方法，對試驗件模擬運動環(huán)境的實現(xiàn)以及試驗的原理和重要參數(shù)設(shè)計進行了說明，并對吸能拉桿進行了實測，試驗獲得了成功。

1 試驗方法設(shè)計

吸能拉桿動態(tài)拉伸沖擊試驗方法的設(shè)計，是在構(gòu)建動態(tài)運動環(huán)境模擬實際工作狀態(tài)的基礎(chǔ)上，結(jié)合材料的性能特點，滿足質(zhì)量為m=68kg的配重吊籃在速度v0=4.38m/s時拉桿受到一定沖擊載荷(要求沖擊加速度波形為三角波，峰值22±2g，脈寬65±5ms，參見圖2)下進行塑性拉伸并至拉斷要求提出的。試驗對拉桿設(shè)計目標(biāo)參數(shù)(a拉桿塑性拉伸沖擊載荷峰值小于5.5KN;b拉伸率大于等于50%)進行實測。試驗裝置如圖1所示。該試驗裝置由運動環(huán)境部分，、加載部分、緩沖部分和測量記錄部分組成。運動環(huán)境部分包括外部吊籃、運動導(dǎo)軌、起吊裝置，加載部分包括試驗件和配重吊籃，緩沖部分指橡膠板和液壓吸能裝置，測量記錄部分包括加速度傳感器、力傳感器、位移傳感器、調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。

圖1 拉桿沖擊試驗示意圖

試驗時，首先環(huán)境吊籃由起吊裝置(主要包括可移動式掛耳、炸彈掛鉤和電動葫蘆)起吊并控制投放高度，通過將可移動式掛耳移到吊籃重心處，調(diào)整投放姿態(tài)，可以保證試驗件在投放前處于垂直安裝狀態(tài);然后起吊裝置瞬時投放，實現(xiàn)試驗件瞬間墜落，環(huán)境吊籃沿導(dǎo)軌運動到一定速度后觸及液壓吸能裝置進行緩沖，此時內(nèi)部配重吊籃給試驗件一個拉伸沖擊載荷;最后試驗件拉斷，環(huán)境吊籃速度降至0，并通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄試驗數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，動態(tài)試驗環(huán)境通過環(huán)境吊籃的投放實現(xiàn)，配重吊籃以及液壓吸能裝置的調(diào)節(jié)則可實現(xiàn)施加于試驗件的垂直徑向載荷控制，滿足動態(tài)環(huán)境要求的同時，施加一維拉伸沖擊載荷，因而試驗結(jié)果是可靠的［4］。

1.1 環(huán)境吊籃投放高度設(shè)計

環(huán)境吊籃的投放高度是該試驗的重要參數(shù)之一，影響試驗件在沖擊環(huán)境下配重吊籃的瞬時速度和施加于試驗件上的沖擊載荷的大小。由于拉桿是經(jīng)歷了短暫的彈性變形，對配重吊籃的速度產(chǎn)生影響，因此4.38m/s的環(huán)境速度不能簡單地從投放高度H換算出。

考慮到節(jié)省試驗件以及配重吊籃占整體試驗裝置總重量比率，可在未裝配試驗件和配重吊籃的情況下，預(yù)先進行沖擊載荷估算和測量，由此產(chǎn)生的誤差在實際試驗時可通過調(diào)整投放高度和環(huán)境吊籃總重量進行修正。同時為了減小拉斷后配重吊籃對環(huán)境吊籃的沖擊，且配重吊籃質(zhì)量一定，投放高度H的范圍隨之限定。

根據(jù)試驗沖擊載荷的需要，通過活塞桿頭截面和直徑、液體吸能系統(tǒng)側(cè)面開孔面積等參數(shù)的控制，在既定試驗總裝置重量M和投放高度H下，以加速度為測量對象，可調(diào)得沖擊脈沖圖如圖2。

圖2 沖擊脈沖圖

圖2中x為加速度峰值，y為脈沖寬度，x與y相互關(guān)聯(lián)可由液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制，且總?cè)遣ǚe分面積相等。

根據(jù)能量守恒定律可推導(dǎo)出:

式1中，v表示拉桿受載拉伸時環(huán)境吊籃的下沉速度。模擬拉桿真實工作狀態(tài)要求在指定速度v0下進行塑性拉伸即拉桿經(jīng)過短時間的彈性變形進入塑性拉伸時配重吊籃的瞬時速度為v0。且令t0時刻拉桿進入塑性拉伸階段，因此式1中當(dāng)t=t0時，v=v0，代入式1可得到:

式2中，v0為定值(4.38m/s)，H 與沖擊加速度a呈函數(shù)關(guān)系。H、M、沖擊加速度與液壓吸能系統(tǒng)調(diào)節(jié)參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，因此，在綜合考慮裝置載荷峰值且小吊籃拉斷拉桿后沖擊平臺的沖擊載荷合適的情況下，通過數(shù)次預(yù)測來確定投放高度。

1.2 環(huán)境吊籃投放重量設(shè)計

實際工作時拉桿安裝接頭有載荷限制，且在滿足拉伸載荷的前提下峰值載荷不宜過高，適當(dāng)高出拉桿塑性拉斷載荷即可，因此試驗需對直接關(guān)系到拉桿承受載荷大小的環(huán)境吊籃重量做出限定(根據(jù)模擬實際工作情況，配重吊籃質(zhì)量為給定值)。

沖擊時拉桿加載系統(tǒng)沖擊分析如圖3。

圖3 加載系統(tǒng)沖擊分析圖

如圖3所示，環(huán)境吊籃自由落體到下端活塞桿接觸到液壓吸能裝置時，整體裝置受到如圖2的加速度a1的沖擊脈沖，力傳感器受到F1=Ma的沖擊載荷，拉桿的受拉載荷為F2(可由力傳感器測出)。起先在拉桿彈性變形階段F1=F2，且F1隨著脈沖加速度a1不斷變大，當(dāng)?shù)竭_拉桿塑性拉伸載荷F0后，拉桿進入塑性拉伸階段，此時 F1＞F2，a1＞a2，由于慣性配重吊籃與環(huán)境吊籃產(chǎn)生速度差，拉桿開始拉伸，直至拉斷。根據(jù)試驗要求和圖2加速度脈沖，設(shè)計載荷峰值Fmax=Mx需大于 F0，保留一定余量。配重吊籃質(zhì)量m為預(yù)先給定值，其對環(huán)境吊籃的沖擊載荷為限制值，因此合適的沖擊載荷及脈沖加速度(圖2)通過協(xié)調(diào)吊籃整體重量M和液壓吸能系統(tǒng)參數(shù)來獲得，并確保投放高度H在限定范圍內(nèi)。

2 試驗驗證

按照上述試驗方法對一組吸能拉桿進行了動態(tài)拉伸沖擊試驗。

試驗原件一組共15件，拉桿長300mm(有效拉伸長度280 mm)，直徑Φ3.2。環(huán)境吊籃整體質(zhì)量1200kg，配重吊籃68kg，投放高度2m。由于試驗件和試驗裝置具有重復(fù)性，誤差小，因此本文列出4組拉桿試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1中沖擊加速度峰值指通過液壓吸能裝置參數(shù)獲得三角沖擊脈沖加速度峰值，峰值載荷為拉桿承受沖擊載荷峰值。

對1號拉桿實測數(shù)據(jù)圖做典型分析。1號拉桿載荷時域曲線、載荷位移曲線、環(huán)境吊籃加速度時域曲線和配重吊籃加速度時域曲線分別如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

表1 拉桿沖擊試驗結(jié)果

圖4中，當(dāng)拉桿承受載荷逐漸增大到達峰值4.79KN時急劇變小至0，表明拉桿此時被拉斷，圖5表明拉桿拉伸了149.9mm，有效拉伸率為53.5%，且塑性拉伸載荷范圍控制在2.8KN～4.7KN范圍內(nèi)。圖6中整體裝置受沖擊最大加速度值為22.2g，配重吊籃受沖擊最大加速度值為7.18g。

圖7中配重吊籃加速度在3.1g時出現(xiàn)第一個拐點且與圖6中環(huán)境吊籃加速度曲線分離，可知拉桿在此時由彈性變形進入塑性變形，根據(jù)圖2和式2可反算出配重吊籃的瞬時速度4.41m/s和投放高度2.03m，與預(yù)期目標(biāo)誤差在2%以內(nèi)，以此可驗證試驗結(jié)果的正確性。

從以上數(shù)據(jù)可知試驗結(jié)果與預(yù)期設(shè)想相吻合，試驗成功。

圖4 拉桿1沖擊試驗載荷時域曲線

圖5 拉桿1沖擊試驗載荷-位移曲線

圖6 拉桿1環(huán)境吊籃加速度時域曲線

圖7 拉桿1配重吊籃加速度時域曲線

3 結(jié)論

1)針對吸能拉桿設(shè)計的動態(tài)拉伸沖擊試驗方法滿足了模擬沖擊環(huán)境要求，并對沖擊過程全程實測，反映出吸能拉桿實際工作時的沖擊拉伸情況。

2)該試驗方法得到了試驗驗證，說明方法可行，原理正確。

3)滿足了工程上對只能承受拉伸沖擊載荷的細(xì)長吸能拉桿動態(tài)拉伸沖擊試驗的需求，該方法可進一步用于其它強塑性材料動態(tài)拉伸沖擊試驗。

［1］Kolsjy H.The propagation of longitudinal elastic waves along a cylindrical bar［J］.Phil Mag Ser，1954，45(7):712-713.

［2］Zhang B P，Zheng Y L，F(xiàn)eng X C.Approximate analysis to the stress status of sample in Hopkinson bar test and its correction of inertia［J］.Journal of Beijing Institute of Technology(in Chinese)，1994，14(S1):23-29.

［3］楊存智，趙繼云，張子榮，等.礦用錨索拉伸沖擊試驗系統(tǒng)即仿真研究［J］.機床與液壓，2008，36(8):157-159.

［4］馬曉青.沖擊動力學(xué)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，1992:204-207.