某裝置液壓阻尼器的阻尼孔試驗(yàn)

丁 雪，葉良武，程博宇，汪羅杰

（國營第四四五廠，浙江 杭州 310000）

0 引言

海權(quán)是決定國家和民族命運(yùn)的重要因素。近代我國受到的歷史屈辱，大多是來自于海上。沒有一只強(qiáng)大的現(xiàn)代化海軍，就不可能維護(hù)海權(quán)。建立一只強(qiáng)大的海軍，一直是我國領(lǐng)導(dǎo)人和全國人民的共同愿望。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，海軍的作用更加的突出，自從導(dǎo)彈武器系統(tǒng)裝備軍艦后，海軍軍艦的作戰(zhàn)能力就發(fā)生了質(zhì)的飛躍，各種型號(hào)軍艦的對抗，也主要是導(dǎo)彈武器的對抗，與之配套的艦載導(dǎo)彈發(fā)射裝置也逐步走向成熟。發(fā)射裝置是海軍艦艇中不可替代的艦載武器，其具有發(fā)射率高、反應(yīng)速度快、操控方便、持續(xù)作戰(zhàn)能力強(qiáng)、用途廣泛等特點(diǎn)。各國海軍對于發(fā)射裝置的研究也是越來越重視。發(fā)射裝置在發(fā)射過程中所產(chǎn)生的后坐力對發(fā)射裝置的射擊精度、發(fā)射裝置和甲板的固定以及發(fā)射裝置自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，減小發(fā)射裝置發(fā)射過程中產(chǎn)生的后坐力對于提高發(fā)射裝置的技術(shù)水平具有深遠(yuǎn)的意義。本文將通過試驗(yàn)[1-2]研究發(fā)射裝置中的液壓阻尼器[3-7]，選擇出合適的阻尼孔的孔徑，這將對提高艦炮的性能具有重要意義。

1 液壓阻尼器

1.1 液壓阻尼器介紹

阻尼器是一個(gè)機(jī)器構(gòu)件，是一種通過提供運(yùn)動(dòng)阻力，削減運(yùn)動(dòng)能力的裝置。按照構(gòu)成元素的不同，可以分為彈簧阻尼器、液壓阻尼器、脈沖阻尼器、旋轉(zhuǎn)阻尼器、風(fēng)阻尼器、粘滯阻尼器、阻尼鉸鏈、阻尼滑軌等。其中液壓阻尼器是一種對速度反應(yīng)靈敏的減震裝置，它借助特殊結(jié)構(gòu)閥門控制液壓缸活塞移動(dòng)以抑制管道或設(shè)備周期性載荷和沖擊載荷影響。由于液壓阻尼器具有防腐性強(qiáng)、摩擦阻力小、壽命長、可用于高溫工作等優(yōu)點(diǎn)，主要用于防止設(shè)備因地震、水錘、汽錘、風(fēng)載、安全閥排汽及其它沖擊載荷所造成的破壞。

液壓阻尼器是一種用來延長負(fù)載作用時(shí)間，限制負(fù)載速度、位移，以及吸收并轉(zhuǎn)化能量的裝置。在諸多高速液壓系統(tǒng)中，液壓缸活塞或者被執(zhí)行件運(yùn)行速度往往高達(dá)十幾米/秒，這樣就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊壓力、噪聲，甚至機(jī)械碰撞。所以在運(yùn)動(dòng)結(jié)束之前一定要做適當(dāng)?shù)木彌_和制動(dòng)，從而防止損壞部件、降低噪聲，提高系統(tǒng)的工作性能和壽命[8]。

1.2 液壓阻尼器作用

液壓阻尼器是一種可以吸收沖擊力，并減少由于沖擊所產(chǎn)生的振動(dòng)的裝置。液壓阻尼器利用充滿液壓油的液壓缸，通過阻尼控制閥的作用，在液壓缸兩腔產(chǎn)生壓力差，從而對負(fù)載產(chǎn)生阻尼力，該阻尼力的大小與負(fù)載速度有關(guān)。液壓阻尼器可以吸收負(fù)載沖擊、限制負(fù)載位移。因此，液壓阻尼器已被廣泛地運(yùn)用在軍工、槍炮、航空等領(lǐng)域。其可以在發(fā)射裝置發(fā)射產(chǎn)生后坐力時(shí)，提供運(yùn)動(dòng)的阻力，耗減運(yùn)動(dòng)能量，從而可以起到緩震的作用。液壓阻尼器中的阻尼孔可以控制液體的流量，起到關(guān)鍵的阻尼作用，從而減小后坐力。本文將對液壓阻尼器中的阻尼孔的孔徑大小進(jìn)行研究，選擇出大小合適的阻尼孔的孔徑。

1.3 液壓阻尼器工作原理

液壓阻尼器是一種速度敏感性的裝置。當(dāng)由力所引起的運(yùn)動(dòng)超過允許速度時(shí)，阻尼器將鎖定、帶載，并將速度限制在一個(gè)叫做閉鎖后速度或滲漏率（bleed rate）的速度值。因此，測試液壓阻尼器時(shí)，所關(guān)注的參數(shù)如下：額定載荷下的閉鎖速度（lock-up velocity）、閉鎖后速度或滲漏率、等值彈簧剛度（stiffness）。

1）正常工況下活塞桿速度V＜閉鎖速度V閉，對管道的作用力很小。

2）當(dāng)發(fā)生瞬間沖擊載荷時(shí)，V增大達(dá)到V閉時(shí)，液壓油推動(dòng)閥芯，使閥芯克服彈簧力關(guān)閉，液壓油只能從阻尼小孔（節(jié)流閥）流過，形成阻尼力FN，使阻尼器閉鎖。從而實(shí)現(xiàn)減振、抗振動(dòng)的目的。

3）對于抗安全閥排汽型阻尼器，由于閥芯不設(shè)阻尼小孔，液壓介質(zhì)無法流動(dòng)，因此，閉鎖后速度V閉=0。從而實(shí)現(xiàn)液壓阻尼器對管道的持續(xù)拉力。

本次試驗(yàn)所用的液壓阻尼器一般由活塞桿、阻尼柱、油缸、復(fù)位彈簧等部件組成，圖1為液壓阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)管道或設(shè)備受到?jīng)_擊產(chǎn)生位移時(shí)，使得活塞桿產(chǎn)生壓入油缸的運(yùn)動(dòng)，活塞在內(nèi)缸筒里相對往下移動(dòng)。此時(shí)，活塞閥門被沖開向上，內(nèi)缸筒腔內(nèi)活塞下側(cè)的油流向活塞的上側(cè)，若其運(yùn)動(dòng)速度較小時(shí)，油缸內(nèi)的油經(jīng)阻尼孔可以從下腔流入到上腔，此時(shí)由于流道暢通，阻力很小，從而允許與液壓阻尼器連接的管道或設(shè)備產(chǎn)生自由移動(dòng)。同時(shí)，這一部分油也通過底部閥門上的小孔流入內(nèi)、外缸筒之間的油腔內(nèi)。這樣就有效地衰減發(fā)射裝置發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力對于設(shè)備的沖擊。當(dāng)發(fā)生瞬間沖擊載荷時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度突然增大，油沖開底部的閥門流向內(nèi)缸筒，同時(shí)內(nèi)缸筒活塞上側(cè)的油經(jīng)活塞閥門上的小孔流向下側(cè)。此時(shí)當(dāng)液壓油流過小孔過程中，會(huì)受到很大的阻力，油流受阻產(chǎn)生了阻尼力，從而實(shí)現(xiàn)緩沖的目的。

圖1 液壓阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic damper structure

2 液壓阻尼器試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本試驗(yàn)主要研究當(dāng)液壓阻尼器中阻尼孔的孔徑大小不同時(shí)，負(fù)載的試驗(yàn)位移和液壓阻尼器活塞桿移動(dòng)位移之間的關(guān)系，從而選擇最為合適的阻尼孔的孔徑尺寸。試驗(yàn)平臺(tái)主要由無線釋放器（可以通過遙控對試驗(yàn)負(fù)載的下落進(jìn)行控制）、試驗(yàn)負(fù)載（通過控制試驗(yàn)負(fù)載的下落高度模擬不同的后坐力）、液壓阻尼器（4種不同型號(hào)）、試驗(yàn)支架、試驗(yàn)底座（用于固定液壓阻尼器）以及位移傳感器（獲取液壓阻尼器活塞桿移動(dòng)位移）組成。圖2和圖3分別表示試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖和試驗(yàn)過程實(shí)物圖，圖4是試驗(yàn)中使用的4種型號(hào)的液壓阻尼器的實(shí)物圖。

圖2 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of test platform structure

圖3 試驗(yàn)過程實(shí)物圖Fig.3 Physical diagram of the test process

圖4 4種液壓阻尼器實(shí)物圖Fig.4 Physical diagram of four types of hydraulic dampers

2.2 試驗(yàn)方法

通過調(diào)節(jié)試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器之間的高度，從而使得試驗(yàn)負(fù)載下落對液壓阻尼器產(chǎn)生不同的沖撞力。試驗(yàn)中試驗(yàn)負(fù)載從不同的高度下落產(chǎn)生的沖擊力可以模擬發(fā)射裝置發(fā)射過程產(chǎn)生的后坐力。

具體的試驗(yàn)方法：首先調(diào)節(jié)試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器之間的高度（分別為 200 mm，450 mm，800 mm），通過無線釋放器對試驗(yàn)負(fù)載的下落進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，當(dāng)負(fù)載分別從不同的高度下落撞擊到液壓阻尼器之后，位移傳感器會(huì)記錄液壓阻尼器活塞桿的移動(dòng)位移。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)中有4種型號(hào)的液壓阻尼器，分別是1#、2#、3#、4#，它們的阻尼孔的孔徑大小分別為6.5 mm，7.5 mm，8.5 mm，9.5 mm。通過對比表1的理論參數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)（誤差需控制在3%以內(nèi)），從而選擇出液壓阻尼器中的最優(yōu)阻尼孔經(jīng)。表1中：Mm表示模擬試驗(yàn)跌落塊的質(zhì)量；Hm表示模擬試驗(yàn)跌落的高度；Vm表示模擬試驗(yàn)跌落的初速度；Smax表示模擬試驗(yàn)的液壓阻尼器活塞桿的最大位移。

表1 試驗(yàn)的理論參數(shù)Tab.1 Theoretical parameters of the test

圖5表示試驗(yàn)負(fù)載接觸到1#液壓阻尼器后的行程時(shí)間與液壓阻尼器的活塞桿位移之間的關(guān)系，從圖中可以得出隨著負(fù)載跌落的高度 H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不斷地增加，阻尼器活塞桿的位移也是相應(yīng)的增加。隨著行程時(shí)間增加，活塞桿位移急劇增加，當(dāng)行程時(shí)間分別達(dá)到150 ms，120 ms，112 ms左右時(shí)，阻尼器活塞桿位移達(dá)到最大值，而后位移開始逐漸的減小，并最終趨于不變。

圖5 1#液壓阻尼器的行程時(shí)間與液壓阻尼器活塞桿位移關(guān)系圖Fig.5 Relation diagram of travel time of 1# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper piston rod

圖6表示 2#液壓阻尼器被負(fù)載沖擊后的行程時(shí)間與液壓阻尼器的活塞桿位移之間的關(guān)系，從圖中可以得出隨著負(fù)載跌落的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不斷地增加，阻尼器活塞桿的位移也是相應(yīng)地增加。隨著試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器接觸時(shí)間增加，液壓阻尼器的活塞桿位移急劇增加，當(dāng)行程時(shí)間分別達(dá)到225 ms，200 ms，150 ms左右時(shí)，阻尼器活塞桿位移達(dá)到最大值，而后位移開始逐漸減小，并最終趨于恒定。

圖6 2#液壓阻尼器的行程時(shí)間與液壓阻尼器活塞桿位移關(guān)系圖Fig.6 Relation diagram of travel time of 2# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper pistion rod

圖7 表示 3#液壓阻尼器受到負(fù)載沖擊后的行程時(shí)間與液壓阻尼器的活塞桿位移之間的關(guān)系，從圖中可以得出隨著負(fù)載跌落的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不斷地增加，液壓阻尼器活塞桿的位移也相應(yīng)增加。隨著行程時(shí)間增加，活塞桿位移急劇增加，當(dāng)行程時(shí)間分別達(dá)到250 ms，200 ms，150 ms左右時(shí)，液壓阻尼器活塞桿位移達(dá)到最大值，而后位移開始逐漸的減小。

圖7 3#液壓阻尼器的行程時(shí)間與液壓阻尼器活塞桿位移關(guān)系圖Fig.7 Relation diagram of travel time of 3# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper piston rod

圖 8表示液壓阻尼器的阻尼孔為 4#時(shí)，試驗(yàn)負(fù)載接觸到液壓阻尼器后的行程時(shí)間與液壓阻尼器的活塞桿位移之間的關(guān)系。從中可以看出，隨著試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器之間的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不斷增加，液壓阻尼器活塞桿位移也相應(yīng)的增加。隨著試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器接觸時(shí)間增加，當(dāng)行程時(shí)間分別達(dá)到 200 ms，180 ms，170 ms左右時(shí)，液壓阻尼器活塞桿位移急劇增加到最大值，隨即位移緩慢減小。

圖8 4#液壓阻尼器的行程時(shí)間與液壓阻尼器活塞桿位移關(guān)系圖Fig.8 Relation diagram of travel time of 4# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper pistion rod

當(dāng)試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器之間的高度H=200 mm時(shí)，4種型號(hào)的液壓阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞桿移動(dòng)的最大位移分別為：95.26 mm，147.6 mm，183.63 mm，229.84 mm。

當(dāng)試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器之間的高度 H=450 mm時(shí)，4種型號(hào)的液壓阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞桿移動(dòng)的最大位移分別為 108.18 mm，168.11 mm，226.145 mm，263.05 mm。

當(dāng)試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器之間的高度 H=800 mm時(shí)，4種型號(hào)的液壓阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞桿移動(dòng)的最大位移分別為：122.065 mm，184.23 mm，253.48 mm，292.34 mm。

通過比對試驗(yàn)測出的4種型號(hào)的液壓阻尼器活塞桿移動(dòng)的最大行程與理論要求的最大行程得出，選擇 4#液壓阻尼器的阻尼孔的誤差最小，當(dāng)試驗(yàn)負(fù)載與液壓阻尼器之間的高度 H=200 mm，450 mm，800 mm時(shí)，最大行程的試驗(yàn)與理論的誤差值分別為2.89%，2.14%，0.77%，此時(shí)的誤差值在4種類型的液壓阻尼器中達(dá)到最小，且均在最大誤差范圍之內(nèi)。所以，應(yīng)選擇 4#液壓阻尼器，其最優(yōu)阻尼孔經(jīng)為9.5 mm。

3 結(jié)束語

本文運(yùn)用試驗(yàn)的方法模擬了發(fā)射裝置發(fā)射炮彈時(shí)產(chǎn)生的后坐力對液壓阻尼器的沖擊，將理論參數(shù)與試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)相比對，為發(fā)射裝置中的液壓阻尼器選擇了大小合適的阻尼孔的孔徑。本試驗(yàn)的研究對后續(xù)的發(fā)射裝置中的液壓阻尼器的孔徑大小的選擇問題具有一定的參考價(jià)值，同時(shí)也對減小發(fā)射裝置發(fā)射過程中產(chǎn)生的后坐力問題具有一定的借鑒作用。