王 洵 ,曹 文,丁江舟

水平冲击性加速度模拟装置的设计

王 洵 ,曹 文,丁江舟

目的 探讨水平冲击性加速度模拟装置的设计方案。方法 在对冲击性加速度模拟现状和水平冲击性加速度性能指标分析的基础上,阐述了模拟装置的设计。结果 各组成部分的设计,可以满足水平冲击性加速度模拟的要求。结论在实验室条件下进行水平冲击性加速度模拟是切实可行的。

加速度;直线电机;模拟装置

冲击性加速度是指突然猛烈的加速或减速运动,其特点是加速度变化率高、峰值高而作用时间很短(通常小于 1 s),如飞机迫降或坠毁、高速飞行中弹射救生及开伞、航母舰载机飞行员弹射起飞和阻拦着舰、汽车碰撞等过程,均涉及单个轴向或复合轴向上的冲击性加速度[1]。与冲击性加速度相关的人员颈部损伤与防护、提高作业功效、维护职业健康、延长职业寿命等相关的医学研究正逐步引起重视。由于冲击性加速度产生的实际工况具有特殊性和偶然性,不可能多次重复出现来满足相关研究,这就需要在实验室内模拟冲击性加速度。

1 冲击性加速度模拟装置现状

长期以来,国外对冲击性加速度的研究非常广泛,在模拟飞机座舱弹射救生的研究方面,建设有弹射塔;在模拟舰载机弹射起飞的研究方面,建设有蒸汽或电磁弹射试验装置;在模拟飞行器制动着陆和迫降方面,建设有火箭滑车设备,这些大型设备造价昂贵、占地广,能模拟实际状态速度和加速度的产生和变化过程[2]。这些实验装备主要是为研究武器装备的性能和安全系数指标而建,运行成本很高,对于研究冲击性加速度对人体长期性的累积效应影响而言,不太适合。

此外,在水平碰撞研究方面还有Ⅱ型生物撞击机、挥鞭伤仿真发生装置、汽车碰撞实验装置、轨道式水冲碰撞试验台等,这些实验装置适合高 G值、短作用时间 (一般在 200 ms以内)的碰撞研究。美国空军研究所建有滑橇轨道式的水平冲击性加速器 (H I A),可以模拟水平方向 ±40×g、持续 300 ms以内的水平冲击性加速度,利用此装置可以测量头颈部的受力以及位移情况,该装置只模拟人 -椅瞬间冲击加速度,而不模拟整个加减速度的全过程[1]。目前,还未见到专用于医学研究的模拟水平冲击性加速度变化,峰值加速度值较低 (小于 10×g)、持续时间长 (800 ms)的实验装置。

2 水平冲击性加速度性能指标分析

在水平冲击性加速度的研究方面,针对飞机弹射起飞和阻拦着舰的工况,为方便飞机和相关设备的结构强度设计,美军在 1999年公开颁布了标准M I L-HDBK-2066(AS)。该标准是目前研究飞机起飞和着舰时水平冲击性加速度的主要依据。

从该标准的 FIGURE 14.6(如图 1所示)可知,如果一架质量为 50 000 lb(约合 22 680 kg,1 lb≈0.453 kg)的飞机,以130 Kn的速度 (约合 241 km/h)降落,滑行距离为 230 ft(约合 70 m,1 ft=30.48 cm)时,它所承受的水平加速度峰值约为 5.2×g。再分析该标准中 FIGURE 16.6(如图 2所示)和FIGURE 18.6(如图 3所示),可知：同样的飞机在以 135 Kn降落,滑行距离为 310 ft(约合 95 m)时,它所承受的水平加速度峰值约为 4.2×g;在以 145 Kn降落,滑行距离为 340 ft(约合 104 m)时,它所承受的水平加速度峰值约为 4.3×g。

图1 美军标M I L-HDBK-2066(AS)中的FIGURE 14.6

3 模拟装置的设计

3.1 模拟装置的主要性能指标

通过对水平冲击性加速度性能指标的分析,得到峰值加速度以及加速度由 0变化到峰值所需的时间,再通过积分运算可以计算出实验对象从静止运动到加速度峰值时的行程。

经过计算可以初步确定,在假定加速度峰值为 5×g,加速时间历时 0.8 s的情况下,实验对象的运动距离在 5 m左右,运动末端的速度接近 20 m/s;在加速度峰值为 10×g,加速时间历时 0.8 s时,试验对象的运动距离将长达 10 m左右,并且运动末端的速度可达 39 m/s。这对实验室条件下实验对象的减速提出了很高的要求。

3.2 动力方式的选择

对实验对象施加冲击载荷,满足其加速度值按设定的曲线变化,这对模拟装置的驱动系统提出了 3条基本要求：一是动力输出范围大、精确度高、可方便调节控制;二是在长达数米的运动行程中,始终稳定地推动实验对象加速;三是重复性好,多次实验时,同等条件下,实现的加速度变化曲线良好吻合。

根据以上要求,对比分析液压传动、高压气动、直线电机驱动等方式后认为：一是液压传动难以在长达数米的范围内持续对实验对象施加作用力;二是高压气动的方式在动力输出上难以精确控制,多次实验重复的精确性难以保证;三是直线电机驱动可以满足要求。

之所以说直线电机可以满足要求,主要是因为直线电机可实现精确的控制,通过控制供电电压或频率可方便地调节驱动力,可实现 10×g的加速度;可调整初级和次级的长度,按需要实现较长距离、高速运动条件下持续的驱动力;同等条件下,直线电机的重复性好,可实现百分之一以内的误差。3.3 装置组成及实现方案

参考国内外撞击实验装置的现状,水平冲击性加速度模拟装置应由驱动系统、控制系统、实验对象承载平台、轨道、制动系统等主要部分组成。

3.3.1 驱动系统 从直线电机的形式看,它分为扁平型、圆筒型或盘型等多种形式[3]。水平冲击性加速度模拟装置中,应选用扁平型的形式。扁平型的直线电机由初级和次级两大部分组成,其中初级是由旋转电机的定子演变而来,次级由旋转电机的转子演变而来[3]。初级由铁心和绕组等组成,质量明显大于次级。考虑到实验运动平台的质量越轻,实现同样加速度所需的推力越小,直线电机越容易满足要求,因此将次级安装在实验运动平台上,以尽量减轻实验运动平台的质量。所以,应采用长初级短次级的结构形式,即初级按照实验对象的加速运动范围,设置在实验运动平台的轨道内侧下方,并铺满整个加速段,而次级设置于实验运动平台的底部,如图 4所示。

图4 直线电机安装示意图

3.3.2 控制系统 控制系统由计算机、控制柜、运动传感器、运动平台负载自动测量系统等组成,采用电压控制或频率控制来调节直线电机的驱动力变化,满足实验对象的加速度按预定曲线变化。控制系统在每次运动平台负载变化时,可实时调整驱动力大小,满足实验运动要求。同时,实验运动平台的运动参数可通过传感器实时得到记录。

3.3.3 实验对象承载平台 该平台主要由可固定实验对象的平台面板、平台承载框架、滑轮或滑块、刹车系统、直线电机次级等部件组成。其承载框架结构可采用轻量化的设计,在满足安装固定实验对象和测试设备的条件下,尽量减轻质量。因为负载大小直接关系到直线电机的推力大小,同等推力下,平台的质量越轻,可实现的加速度值越大。

3.3.4 轨道和制动系统 轨道可采用滑动轨道或滚动轨道,其结构形式和长度要根据实验平台的冲击载荷、运动速度、运动精度、制动方式等综合考虑。制动系统可采用多种方式组合构成,如长距离的均匀制动可采取对滚轮或滑块增加刹车装置,使整个制动过程的摩擦力保持平稳,减少对实验对象的影响。在轨道的末端要设置紧急缓冲区,可设置多聚乙稀泡沫柱群。此外,还可考虑设置应急阻拦索。

3.3.5 其他 多数碰撞实验室都会安置高速摄像机,用来记录实验对象在冲击载荷下的响应过程,这时应配套设置灯光系统,满足高速摄像的需求。此外,还要考虑实验过程中的各种数据传输、记录等问题。由于直线电机在工作中,瞬间产生的电磁场强度较大,应在加速度模拟装置的整体设计中考虑实验现场人员的防电磁辐射问题,以及设备间的电磁兼容问题,防止实验、监测设备工作异常。

4 结论

通过对水平冲击性加速度性能指标分析和整体设计方案的讨论,在实验室条件下进行水平冲击性加速度模拟是切实可行的,它所采用的均为成熟技术,更利用了目前技术先进的大推力直线电机驱动技术,可很好地满足实验需求。

[1] 朱伟,张慧,汪家春,等.冲击性加速度对飞行员颈部的损伤与防护研究[ J ] . 中华航空航天医学杂志, 2009, 20 (3) ： 228 -232.

[2] 吴兴裕.航空航天生物动力学[M ].西安：陕西科学技术出版社, 1999： 1 - 2.

[3] 叶云岳.直线电机原理与应用[M ] .北京：机械工业出版社,2000： 1 - 4.

R852.21

A

1009-0754(2010)02-0132-03

200433 上海,海军医学研究所

通过进一步对图形分析得知,水平冲击性加速度的峰值一般出现在飞机滑行行程的中点附近。图形中横坐标为滑行行程,纵坐标为飞机受到的冲击载荷。由于在实验室模拟加速度变化的过程中,实验对象是从静止状态按预定的加速度变化曲线运动,而上述图形中飞机是从运动状态受到冲击载荷后逐渐停止的过程。两者的纵坐标相同,横坐标需要统一转换为时间,这样才能做到实验环境与真实环境的统一。通过对图 1、图 2、图 3的曲线进行积分运算,可知在以上 3种情况中,飞机达到峰值的时间在 0.6～0.8 s之间。此外,再进一步分析美军标M I L-HDBK-2066(AS)中其他条件下的加速度变化曲线 ,如重量为 10 000、15 000、20 000、30 000、40 000、60 000 lb等情况下 ,滑行距离分别在 230、310、340 ft的图表分析,加速度峰值情况与重量为 50 000 lb时相仿。

2010-03-13)

(本文编辑：彭润松)