小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)氣動彈射裝置動態(tài)特性研究

李洛洛 喬赫廷 閆 明

（沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

抗沖擊試驗來源于海戰(zhàn)，西方國家在發(fā)現(xiàn)抗沖擊性對船體的重要性后，開始對抗沖擊試驗進(jìn)行研究，研究方法包括實船水下爆炸試驗、虛擬沖擊試驗和沖擊試驗機(jī)試驗。由于抗沖擊試驗危險程度較高，各國把沖擊試驗機(jī)作為進(jìn)行抗沖擊試驗的主要方法［1］。沖擊試驗機(jī)可代替周圍環(huán)境對設(shè)備產(chǎn)生人為的或非人為的沖擊效果［2］。自西方國家發(fā)明出第一臺輕型沖擊試驗機(jī)以來，前兩代都是擺錘式的。20 世紀(jì)90 年代末，第三代沖擊試驗機(jī)問世，通過對被測試件產(chǎn)生正負(fù)加速度脈沖，從而模擬真實情況下水下爆炸產(chǎn)生的沖擊和由水下爆炸產(chǎn)生的氣泡脈動作用［3-6］?，F(xiàn)有沖擊試驗機(jī)的體積與性能基本成正比，隨著熱武器的不斷發(fā)展，依靠重力勢能作為動力來源的擺錘式或自由下落式小型試驗機(jī)的速度和加速度峰值已無法滿足發(fā)展需求。對此，本研究提出一種小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，建立氣缸彈射過程的數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行AMESIM 仿真。

1 小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)

小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)及系統(tǒng)方案如圖1 所示。小型強(qiáng)沖擊試驗系統(tǒng)的動力來源、試驗臺的升降、鎖緊器的工作和碰撞后的制動防止二次碰撞等動作是依靠氣動控制系統(tǒng)來完成的。傳感器將采集到的速度和加速度信號傳遞給電控系統(tǒng)，電控系統(tǒng)對信號進(jìn)行收集與分析，分別輸出至PC 端和相應(yīng)的執(zhí)行端口，PC 端將信號進(jìn)行可視化處理，并生成沖擊波形、速度和加速度等試驗結(jié)果。

圖1 小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)及系統(tǒng)方案

小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)的基本構(gòu)成部分如圖2 所示。通過夾具將試件緊固在試驗臺表面，將試驗臺提升至一定高度后，通過鎖緊器進(jìn)行鎖緊，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入有桿腔并達(dá)到一定壓力后，鎖緊器松開，試驗臺在活塞桿的帶動下加速下落。當(dāng)試驗臺底部與波形發(fā)生器發(fā)生碰撞時，由于非完全彈性碰撞，試驗臺會受到一個豎直方向的沖擊激勵，沖擊激勵再由試驗臺傳導(dǎo)給試件，從而完成針對試件的沖擊試驗。在碰撞發(fā)生前后，高壓氣體由儲氣罐通過電磁閥進(jìn)入下腔，使氣動彈射裝置反向運動，防止試驗臺與波形發(fā)生器發(fā)生二次碰撞。

圖2 小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)示意

2 氣動彈射裝置工作流程及數(shù)學(xué)模型

2.1 氣動彈射裝置工作流程

小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)氣動彈射裝置主要為試驗臺高速運動提供動力，使試驗臺在短時間內(nèi)加速，用以撞擊波形發(fā)生器。沖擊試驗機(jī)氣動系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 沖擊試驗機(jī)氣動系統(tǒng)原理

2.1.1 沖擊過程。電磁閥在得到信號后，打開閥門，分別給兩個儲氣罐充氣，其中一個儲氣罐與氣缸有桿腔連通。此時，高壓氣體不僅儲存在儲氣罐中，也直接作用在氣缸的桿腔中。當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值后會發(fā)出信號，電磁閥停止工作，閥門轉(zhuǎn)變工作狀態(tài)，停止對儲氣罐和有桿腔的充氣。電控系統(tǒng)發(fā)出信號，鎖緊器得電，松開活塞桿，此時儲氣罐中的高壓氣體與氣缸有桿腔相連通，氣缸無桿腔通過電磁閥與大氣相連通，由于兩腔存在極大的壓強(qiáng)差，所以活塞桿帶動試驗臺和試件高速向下，與波形發(fā)生器發(fā)生撞擊。

2.1.2 回彈及鎖緊過程。為取得更好的碰撞效果，必須防止試驗臺發(fā)生二次碰撞。當(dāng)試驗臺與波形發(fā)生器撞擊完成時，電控系統(tǒng)給電磁閥發(fā)出信號，閥門打開，高壓氣體由儲氣罐通過電磁閥、手動換向閥和截止閥進(jìn)入無桿腔，氣體作用于活塞桿，促使活塞桿帶動試驗臺向上運動，延時一段時間后，電磁閥得到信號，閥門打開，有桿腔通過電磁閥和大氣相連，實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速，使其低速伸出，直至活塞桿完全伸出達(dá)到缸底。當(dāng)活塞桿完全伸出后，電控系統(tǒng)給電磁閥發(fā)出信號，閥門轉(zhuǎn)變工作狀態(tài)，由閉到開，鎖緊器再次固定住活塞桿，一次試驗結(jié)束。

氣動系統(tǒng)以氣體為傳遞動力和信號的介質(zhì)，氣動彈射裝置是小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)系統(tǒng)中非常重要的一部分，關(guān)系到?jīng)_擊試驗機(jī)的性能指標(biāo)。因此，要對氣動彈射裝置進(jìn)行動力學(xué)分析。

2.2 氣動彈射裝置數(shù)學(xué)模型

由氣動系統(tǒng)工作流程可知，氣缸在鎖緊器松開前，有桿腔都處在不斷加壓過程中。當(dāng)鎖緊器松開后，活塞會在壓差作用下帶動活塞桿及試驗臺迅速向下沖擊，這與沖擊氣缸的工作原理相似，任何氣缸的沖擊過程都可看成是活塞的變速運動和有桿腔及無桿腔兩腔室充放氣的過程。根據(jù)氣動基礎(chǔ)理論和活塞的運動特性，需要對氣動彈射裝置中氣缸活塞的運動學(xué)方程和理想氣體狀態(tài)方程進(jìn)行分析［7-8］。

2.2.1 氣動彈射裝置的運動學(xué)方程。根據(jù)沖擊氣缸的工作原理，并結(jié)合牛頓加速度定律可知，氣動彈射裝置運動過程見式（1）。

式中：m為活塞組件質(zhì)量總和，kg；x為有效移動距離，m；v為彈射的瞬時速度，m∕s；t為彈射運動時間，s；A塞為活塞面積，mm2；A桿為有桿腔的相對作用面積，mm2；P塞為氣缸運行過程中無桿腔瞬時絕對壓力，MPa；P桿為缸運行過程中有桿腔瞬時絕對壓力，MPa；f為彈射裝置運行時的摩擦力，N，可不計。

2.2.2 氣動彈射裝置內(nèi)氣缸普適氣體定律。氣缸內(nèi)氣體處于壓縮狀態(tài)下是一個熱力學(xué)變化過程，絕熱條件下普適氣體定律見式（2）。

式中：p為絕對壓力，MPa；v為氣體體積，m3；k為絕熱指數(shù)，k=1.4；C為常數(shù)。

由式（2）可知，在氣動彈射裝置運行過程中，活塞的運動、儲氣罐的初始壓力和體積、氣缸兩個腔室的壓力和容積的關(guān)系見式（3）、式（4）。

式中：P儲為儲氣罐壓力，等同于氣源壓力Ps，MPa；P桿＇為有桿腔初始絕對壓力，MPa；V儲為儲氣罐容量，m3；V塞為無桿腔瞬時容積，m3；V桿為有桿腔瞬時容積，m3；V桿＇為氣動彈射裝置在準(zhǔn)備狀態(tài)時有桿腔容積，m3；L為儲氣罐長度，m；L＇為有桿腔長度，m；x為氣缸彈射距離，m。

將式（2）、式（3）、式（4）代入式（1）中，見式（5）。

將仿真參數(shù)代入到上述公式（6）中求得C，即氣缸還未啟動，活塞位移與速度都為0，將所求的常數(shù)C代入式（6）中，見式（7）。

根據(jù)動能定理可得氣動彈射裝置的沖擊功，見式（8）。

式（7）和式（8）反映了氣動彈射裝置設(shè)計參數(shù)與動態(tài)性能之間的實際關(guān)系。因?qū)鈩訌椛溲b置進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，氣缸無桿腔與大氣相通，始終為大氣壓力，即式（1）中的P桿=0.1 MPa，將其代入式（1）和式（3）中，可得氣動彈射裝置設(shè)計參數(shù)與動態(tài)性能之間的關(guān)系，見式（9）、式（10）。

3 仿真結(jié)果

使用AMESIM 軟件和MATLAB 對小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)氣動彈射裝置進(jìn)行建模分析，相關(guān)參數(shù)見表1，仿真模型如圖4 所示。仿真結(jié)果如圖5 到圖8所示。

表1 仿真參數(shù)

圖4 氣動彈射裝置AMESIM仿真模型

圖5 氣缸活塞的速度曲線

由圖5、圖6 可知，撞擊速度達(dá)到最低的技術(shù)要求（7 m∕s），且通過對氣缸合理的壓力控制，可在撞擊回彈后，迅速實現(xiàn)制動且制動效果理想，無二次碰撞。由圖7、圖8 可知，由于采用無桿腔快排結(jié)構(gòu)，沒有背壓的限制，根據(jù)曲線斜率可以看出，活塞在整個行程中，氣缸活塞始終為加速狀態(tài)，氣缸彈射系統(tǒng)的性能明顯優(yōu)于普通氣缸。

圖6 氣缸活塞的位移曲線

圖7 氣缸沖擊速度—活塞位移曲線

圖8 氣缸沖擊速度—工作壓力曲線

4 結(jié)語

仿真結(jié)果表明，采用氣缸彈射系統(tǒng)驅(qū)動試驗臺與波形器發(fā)生碰撞的方式，可滿足技術(shù)要求。在確保試驗機(jī)穩(wěn)定安全的條件下，可通過改變氣源壓力及儲氣罐容積，對試驗臺的碰撞速度予以調(diào)節(jié)。該裝置采用分別具有有桿腔和無桿腔的兩個儲氣罐來提供壓力及無桿腔快排的結(jié)構(gòu)，避免因氣缸強(qiáng)沖擊而無法制動產(chǎn)生二次碰撞的問題及普通氣缸因背壓原因，導(dǎo)致沖擊性能打折，不能有效利用沖擊行程的問題。

目前，設(shè)備所受脈沖上限越來越強(qiáng)，限于場地及成本因素，針對小型設(shè)備的高脈沖沖擊試驗機(jī)已被廣泛應(yīng)用。因此，本研究提出了新型小型強(qiáng)沖擊試驗機(jī)，并對其進(jìn)行動力學(xué)建模及系統(tǒng)仿真分析，為以后沖擊試驗機(jī)研究提供參考。