陈 荣，刘山尖，孙伟星

（中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）

双波冲击机在减振器冲击试验中应用的可行性分析

陈 荣，刘山尖，孙伟星

（中国船舶重工集团公司 第704研究所，上海 200031）

简单介绍了冲击试验机的发展概况，重点讨论了双波冲击机的优越性及其在橡胶减振器等船舶设备冲击试验中应用的可行性。利用现有双波冲击机中正波和负波发生系统的数学模型，数值仿真了冲击机的输出波形特征。分析了双波冲击机的试验条件，计算了冲击机在空载工况下的冲击响应谱。仿真结果表明，双波冲击机的冲击响应谱在允许误差范围内，冲击机输出波形符合标准，可以用于冲击试验。

橡胶减振器；双波冲击机；冲击性能；冲击响应谱

0 引言

橡胶减振器广泛应用于船舶中，用来支撑动力机械、机电设备和精密仪器，同时也起到隔振和抗冲击的作用。因此橡胶减振器冲击性能的好坏将直接影响船舶及其设备的可靠性和战斗力[1]。针对橡胶减振器等船舶设备，世界各海军强国在抗冲击能力考核办法方面进行了深入的研究，归纳起来，冲击试验手段主要有爆炸试验、虚拟冲击试验和冲击试验机模拟试验[2]。鉴于爆炸试验存在成本昂贵、试验次数有限以及虚拟冲击仿真存在可靠性、有效性不足等缺点，冲击试验逐步成为各国普遍采用的试验方法。美国和德国针对冲击试验机试验分别制定了军用规范MIL-S-901D和BV043/85，用来考核舰船设备抗冲击能力和作为舰船抗冲击性能的验收标准。我国主要依据这两个军标，制定了适合中国国情的GJB 150.18-86和GJB 1060.1-91等标准。国内冲击试验机主要是仿制美国的轻型和中型冲击机。

现在国内外普遍采用冲击试验机来模拟船舶系统及机电设备的冲击环境。自从1939年，英国研制出第一台冲击试验机以来，各国开发了很多新型试验冲击机[3]。比较典型的冲击机有WOX-7B大型冲击试验机、VESPA伺服冲击试验机、SSTS设备冲击试验系统、气枪阵列装置以及HFSA大输出力冲击作动器等[4]。然而，这些试验机的输入波形均为单波形式，不能模拟水下爆炸过程的气泡脉动，导致冲击速度峰值比实际水下爆炸的震荡型冲击速度峰值高[5]。因此试验机的冲击输入逐渐发展为三折线冲击输入谱和正负双向波的形式，使得冲击机可以模拟水下爆炸的一次冲击（正向波）以及冲击后波的脉动（负向波）。目前，具有双波冲击或冲击谱冲击输入的试验机主要有TNO双波冲击试验机、WTD71冲击试验机和FIS发射脉冲模拟器等。冲击机也是仿制美国的轻型和中型冲击机。国内，海军装备研究院与上海交通大学联合研制了世界上首台能够模拟水下非接触爆炸的双波冲击机。为了建立适合我国船舶设备的抗冲击考核方法，本文以双波冲击机为试验对象，从冲击机输出波形以及冲击谱等方面研究双波冲击机在冲击试验中应用的可行性。

1 双波冲击机工作原理及试验条件

1.1 双波冲击机工作原理

双波冲击试验机系统的主要组成和原理如图 1图所示。双波冲击机采用高压气体作为动力源，通过活塞式蓄能器和冲击缸系统（或称正波液压系统）将高压气体的压力能转化为液压能，驱动冲击锤撞击冲击台，对被试设备实施高速冲击，形成正脉冲。自适应耗能式液压缓冲缸（或称负波液压系统）对冲击台实施制动的过程中，在耗散正波冲击能量的同时形成负脉冲。自适应耗能式液压阻尼器的耗能原理是流体流过节流孔时产生局部阻力损失，因此调节液压阻尼器出口的通流面积，即可调节负波脉宽和加速度峰值。其中正波脉宽和正波加速度峰值和冲击速度有一定的关系，调节正波波形时，需要综合考虑三者间的对应关系。

图1 双冲击试验机工作原理示意图

双波冲击机的冲击速度取决于驱动冲击锤的冲击能量。由于冲击锤的质量、冲击缸的结构尺寸、冲击锤的行程设计为定值，因此冲击能量取决于储存在活塞式蓄能器里的气体压力能。调节活塞式蓄能器的气体压力，可以调节冲击能量，从而调节冲击速度。当冲击速度确定后，正波脉宽和加速度峰值取决于波形器材料和结构参数。通过合理设计波形器材料和结构，可使波形器在满足冲击强度的前提下，实现需要的波形。

1.2 双波冲击机试验条件

传统冲击试验机能输出如图2(a)所示的正半正弦波波形——单波冲击试验机，主要用于模拟水下爆炸的冲击波。而输出波形为如图2(b)所示的正半正弦+负半正弦波形的冲击机称为双波冲击试验机，它除了模拟水下爆炸的冲击波之外，还可以模拟爆炸之后水中的气泡脉动。综合美国、德国、英国舰用设备抗冲击标准，同时为了和单波冲击环境进行比较，将双波冲击机的实验载荷暂定为0~500kg，冲击速度范围为2m/s~5m/s。单波、双波冲击试验条件如下[6]：

1）单波冲击：半正弦波，波形宽度t1=1ms~11ms，最大加速度峰值785g。

2）双波冲击：正半正弦波+负半正弦波，正半正弦波宽度t1为1ms~11ms，最大加速度峰值160g；负半正弦波宽度（t2-t1）为 13ms~36ms，最大加速度峰值60g。双波冲击时的试验条件参照BV043-85标准规定。

3）上述波形参数可根据需要进行组合，但最大冲击速度为5m/s。

4）根据舰载设备冲击标准发展趋势，设备的抗冲击能力逐步提高，轻量级的冲击环境已不再考核，因此双波冲击试验暂不考虑速度低于 2m/s的冲击速度。

按BV043/85的要求，冲击速度分为3.3m/s、4.0m/s和4.67m/s三级，载荷分为0kg（空载）、250kg和500kg三级，按照仿真确定的试验参数进行冲击测试。

图2 波形示意图

2 双波冲击机波形发生系统

2.1 正波发生系统

双波冲击机利用高压气体瞬间释放提供冲击能量，驱动冲击锤撞击冲击台面，产生正波冲击。冲击台速度达到最大时，利用液压阻尼器产生阻尼，耗散冲击台的动能，产生负波冲击。调节高压气体压力和波形器，可以调节正波的脉宽和加速度峰值。调节液压阻尼器出口面积，可以调节负波的脉宽和峰值。双波冲击机的正波和负波发生系统的力学模型及其数学建模在很多文献[2,5]中已做过详细研究。

双波冲击机系统的参数如表1所示，则蓄能器中气体压力p对冲击机中冲击锤速度的影响如图3所示。由速度曲线的斜率可知，当p分别为8MPa、10MPa和 27MPa时，冲击锤的加速度分别为250m/s2、125m/s2和80m/s2，即蓄能器压力越大，冲击锤所能产生的最大速度也越大。进一步研究表明，在蓄能器压力为27MPa，冲击锤行程为290mm时，冲击锤速度可达到10.93m/s。由此可见，一旦正波液压系统参数确定下来，冲击机产生的正波加速度为一定常数。

表1 冲击机系统参数

图3 冲击锤速度曲线

2.2 负波发生系统

以冲击台制动开始为坐标零点，建立阻尼缸数学模型 2。数学模型是建立在以下三个理想条件基础上：1）由于液压油质量远小于被试设备质量，设计时液压管道设计管径足够大，因此不考虑液压介质质量引起的力；2）阻尼缸活塞与缸壁间的摩擦力远小于撞击时的撞击力，因此忽略阻尼缸的摩擦力；3）对液压系统温升的研究测试表明，局部液压温升最高为40℃，而且时间很短，因此忽略液压油温度变化引起的粘度变化。

负波发生系统，即缓冲缸的结构参数如表2所示。假定冲击机上被试载荷质量为 500kg，缓冲前初始距离为0.5mm，冲击锤的冲击速度为4.67m/s时，负波液压缸中阻尼孔直径d3对负波加速度的影响如图4所示。由图可见，当负波液压系统中阻尼孔的直径为12mm时，可以产生最大56g的负波冲击；当阻尼孔直径为10mm时，负波脉冲的最大加速度值可达50g；当阻尼孔直径为8mm时，负波脉冲的最大加速度值为45g。不同阻尼孔直径工况下，负波冲击波形的脉宽均为14ms左右。总之，改变阻尼孔直径，会改变负波冲击波形的形状。

表2 缓冲缸系统参数

图4 液压缸阻尼孔对负波加速度的影响

图5 被试载荷质量不同时各级冲击速度下冲击台波形曲线

2.3 正负双波发生系统

当冲击机的冲击缸和缓冲缸同时起作用时，不同冲击速度下冲击台所产生的波形曲线如图 5所示，其中冲击机结构参数如表1和表2所示，被测设备质量为500kg，冲击速度分别为4.67m/s、4m/s、3.33m/s。说明双波冲击试验机能够满足不同载荷对冲击波形的要求。船舶系统中橡胶减振器所支撑的机电装置或动力设备，其质量均不会超过500kg很多，可以说双波冲击机所生产的冲击波可应用于橡胶减振器的冲击性能研究当中。

3 双波冲击机的冲击响应谱

图6是双波冲击机的测试图，试验所用测试仪器和被测设备，包括压力和冲击传感器、BK电荷放大器、LMS数据采集系统。其中压力传感器用于测量冲击缸和阻尼缸内的压力变化，冲击传感器测量冲击锤、冲击台的加速度信号。

图6 冲击试验仪器和设备

下面利用冲击响应谱验证双波冲击机的有效应和可靠性，其中冲击试验条件按照德国BV043-85标准的规定来设置。如图6系统中被试件载荷为500kg，冲击机的冲击速度为4.0m/s，则试验得到冲击台的冲击响应谱结果如图 7所示，其中上部三折线为冲击谱误差上限+3dB，下部三折线为误差下限-3dB，中间三折线为标准谱，不规则的蓝色曲线即为双波冲击机所取得的冲击响应谱。由图7可知，在上述工况下，双波冲击机实现的冲击响应谱位于规定的误差带内。类似地，标准BV 043/85所要求的其他冲击速度下，冲击机的冲击谱均在允许的误差内。因此双波冲击机所产生的冲击响应符合标准，可以用来试验橡胶或者包含橡胶的隔振系统的冲击性能。

图7 空载下，冲击速度为4.0m/s时的冲击谱

4 结束语

利用双波冲击机的正波发生系统，可以产生符合各国船舶冲击标准的波形，实现传统试验机的冲击性能；而由缓冲液压缸生成的负波波形，使得试验条件与工程冲击实际更接近（如模拟水下爆炸过程的气泡脉动），从而提高试验结果的精度。数值仿真结果表明，双波冲击试验机能够满足不同载荷对冲击的要求。搭建双波冲击机试验装置，实验测试了双波冲击作用下，冲击机的冲击响应谱。试验结果表明，双波冲击机的冲击响应谱位于允许的误差内，因此可以用于橡胶减振器等舰船设备的冲击试验当中。

[1] 蒋学武, 朱石坚. 舰船管路橡胶减振器的应用[J]. 海军工程大学学报, 2000(4): 90-91.

[2] 褚德英, 王贡献, 张志谊, 等. 舰载设备抗冲击试验系统建模与仿真[J]. 振动工程学报, 2007, 20(5): 507-511.

[3] 张磊, 汪玉, 沮肇东, 等. 舰载设备冲击试验系统研制现状和发展趋势[J]. 科技导报, 2009, 27(1): 96-101.

[4] 刘建湖, 潘建强, 何斌. 各主要海军国家设备抗冲击标准之比较[J]. 应用科技, 2010, 37(9): 17-25.

[5] 王贡献, 张志谊, 褚德英, 等. 新型双波冲击试验机的机理分析与动态特性研究[J]. 机械设计与研究, 2007, 23(5): 80-86.

[6] BV043/85 shock security, Naval vessel fabricate criterion of Germany’s national defense army[S]. 1985.

Feasibility Analysis of Applying Dual Wave Shock Machine in Absorbers Shock Test

Chen Rong, Liu Shan-jian, Sun Wei-xing

(Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China)

A brief overview of the development of shock testing machine is introduced firstly. Superiority and feasibility of applying dual wave shock machine in shock test of shipboard equipment are discussed in detail. Output wave characteristics of the dual wave shock machines are simulated numerically by using of the mathematical models of positive and negative wave generating systems in the machines. Test conditions of the dual wave shock machine are analyzed and shock response spectrum of the shock machine with no-load are calculated. The numerical results show that shock response spectrum of the dual wave shock machine locates within the allowable error range, thus the output wave are correct and can be used in shock test in shipboard equipment.

ruber isolator; dual wave shock machine; shock characteristic; shock response spectrum

O381

A

1005-7560 (2014) 06-0046-05

陈荣（1985-），男，博士，研究方向：结构振动与噪声控制。