李洛洛 乔赫廷 闫 明

（沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870）

0 引言

抗冲击试验来源于海战，西方国家在发现抗冲击性对船体的重要性后，开始对抗冲击试验进行研究，研究方法包括实船水下爆炸试验、虚拟冲击试验和冲击试验机试验。由于抗冲击试验危险程度较高，各国把冲击试验机作为进行抗冲击试验的主要方法［1］。冲击试验机可代替周围环境对设备产生人为的或非人为的冲击效果［2］。自西方国家发明出第一台轻型冲击试验机以来，前两代都是摆锤式的。20 世纪90 年代末，第三代冲击试验机问世，通过对被测试件产生正负加速度脉冲，从而模拟真实情况下水下爆炸产生的冲击和由水下爆炸产生的气泡脉动作用［3-6］。现有冲击试验机的体积与性能基本成正比，随着热武器的不断发展，依靠重力势能作为动力来源的摆锤式或自由下落式小型试验机的速度和加速度峰值已无法满足发展需求。对此，本研究提出一种小型强冲击试验机系统的实现方案，建立气缸弹射过程的数学模型，并对其进行AMESIM 仿真。

1 小型强冲击试验机

小型强冲击试验机及系统方案如图1 所示。小型强冲击试验系统的动力来源、试验台的升降、锁紧器的工作和碰撞后的制动防止二次碰撞等动作是依靠气动控制系统来完成的。传感器将采集到的速度和加速度信号传递给电控系统，电控系统对信号进行收集与分析，分别输出至PC 端和相应的执行端口，PC 端将信号进行可视化处理，并生成冲击波形、速度和加速度等试验结果。

图1 小型强冲击试验机及系统方案

小型强冲击试验机的基本构成部分如图2 所示。通过夹具将试件紧固在试验台表面，将试验台提升至一定高度后，通过锁紧器进行锁紧，当压缩空气进入有杆腔并达到一定压力后，锁紧器松开，试验台在活塞杆的带动下加速下落。当试验台底部与波形发生器发生碰撞时，由于非完全弹性碰撞，试验台会受到一个竖直方向的冲击激励，冲击激励再由试验台传导给试件，从而完成针对试件的冲击试验。在碰撞发生前后，高压气体由储气罐通过电磁阀进入下腔，使气动弹射装置反向运动，防止试验台与波形发生器发生二次碰撞。

图2 小型强冲击试验机示意

2 气动弹射装置工作流程及数学模型

2.1 气动弹射装置工作流程

小型强冲击试验机气动弹射装置主要为试验台高速运动提供动力，使试验台在短时间内加速，用以撞击波形发生器。冲击试验机气动系统原理如图3所示。

图3 冲击试验机气动系统原理

2.1.1 冲击过程。电磁阀在得到信号后，打开阀门，分别给两个储气罐充气，其中一个储气罐与气缸有杆腔连通。此时，高压气体不仅储存在储气罐中，也直接作用在气缸的杆腔中。当压力达到预定值后会发出信号，电磁阀停止工作，阀门转变工作状态，停止对储气罐和有杆腔的充气。电控系统发出信号，锁紧器得电，松开活塞杆，此时储气罐中的高压气体与气缸有杆腔相连通，气缸无杆腔通过电磁阀与大气相连通，由于两腔存在极大的压强差，所以活塞杆带动试验台和试件高速向下，与波形发生器发生撞击。

2.1.2 回弹及锁紧过程。为取得更好的碰撞效果，必须防止试验台发生二次碰撞。当试验台与波形发生器撞击完成时，电控系统给电磁阀发出信号，阀门打开，高压气体由储气罐通过电磁阀、手动换向阀和截止阀进入无杆腔，气体作用于活塞杆，促使活塞杆带动试验台向上运动，延时一段时间后，电磁阀得到信号，阀门打开，有杆腔通过电磁阀和大气相连，实现节流调速，使其低速伸出，直至活塞杆完全伸出达到缸底。当活塞杆完全伸出后，电控系统给电磁阀发出信号，阀门转变工作状态，由闭到开，锁紧器再次固定住活塞杆，一次试验结束。

气动系统以气体为传递动力和信号的介质，气动弹射装置是小型强冲击试验机系统中非常重要的一部分，关系到冲击试验机的性能指标。因此，要对气动弹射装置进行动力学分析。

2.2 气动弹射装置数学模型

由气动系统工作流程可知，气缸在锁紧器松开前，有杆腔都处在不断加压过程中。当锁紧器松开后，活塞会在压差作用下带动活塞杆及试验台迅速向下冲击，这与冲击气缸的工作原理相似，任何气缸的冲击过程都可看成是活塞的变速运动和有杆腔及无杆腔两腔室充放气的过程。根据气动基础理论和活塞的运动特性，需要对气动弹射装置中气缸活塞的运动学方程和理想气体状态方程进行分析［7-8］。

2.2.1 气动弹射装置的运动学方程。根据冲击气缸的工作原理，并结合牛顿加速度定律可知，气动弹射装置运动过程见式（1）。

式中：m为活塞组件质量总和，kg；x为有效移动距离，m；v为弹射的瞬时速度，m∕s；t为弹射运动时间，s；A塞为活塞面积，mm2；A杆为有杆腔的相对作用面积，mm2；P塞为气缸运行过程中无杆腔瞬时绝对压力，MPa；P杆为缸运行过程中有杆腔瞬时绝对压力，MPa；f为弹射装置运行时的摩擦力，N，可不计。

2.2.2 气动弹射装置内气缸普适气体定律。气缸内气体处于压缩状态下是一个热力学变化过程，绝热条件下普适气体定律见式（2）。

式中：p为绝对压力，MPa；v为气体体积，m3；k为绝热指数，k=1.4；C为常数。

由式（2）可知，在气动弹射装置运行过程中，活塞的运动、储气罐的初始压力和体积、气缸两个腔室的压力和容积的关系见式（3）、式（4）。

式中：P储为储气罐压力，等同于气源压力Ps，MPa；P杆＇为有杆腔初始绝对压力，MPa；V储为储气罐容量，m3；V塞为无杆腔瞬时容积，m3；V杆为有杆腔瞬时容积，m3；V杆＇为气动弹射装置在准备状态时有杆腔容积，m3；L为储气罐长度，m；L＇为有杆腔长度，m；x为气缸弹射距离，m。

将式（2）、式（3）、式（4）代入式（1）中，见式（5）。

将仿真参数代入到上述公式（6）中求得C，即气缸还未启动，活塞位移与速度都为0，将所求的常数C代入式（6）中，见式（7）。

根据动能定理可得气动弹射装置的冲击功，见式（8）。

式（7）和式（8）反映了气动弹射装置设计参数与动态性能之间的实际关系。因对气动弹射装置进行结构优化，气缸无杆腔与大气相通，始终为大气压力，即式（1）中的P杆=0.1 MPa，将其代入式（1）和式（3）中，可得气动弹射装置设计参数与动态性能之间的关系，见式（9）、式（10）。

3 仿真结果

使用AMESIM 软件和MATLAB 对小型强冲击试验机气动弹射装置进行建模分析，相关参数见表1，仿真模型如图4 所示。仿真结果如图5 到图8所示。

表1 仿真参数

图4 气动弹射装置AMESIM仿真模型

图5 气缸活塞的速度曲线

由图5、图6 可知，撞击速度达到最低的技术要求（7 m∕s），且通过对气缸合理的压力控制，可在撞击回弹后，迅速实现制动且制动效果理想，无二次碰撞。由图7、图8 可知，由于采用无杆腔快排结构，没有背压的限制，根据曲线斜率可以看出，活塞在整个行程中，气缸活塞始终为加速状态，气缸弹射系统的性能明显优于普通气缸。

图6 气缸活塞的位移曲线

图7 气缸冲击速度—活塞位移曲线

图8 气缸冲击速度—工作压力曲线

4 结语

仿真结果表明，采用气缸弹射系统驱动试验台与波形器发生碰撞的方式，可满足技术要求。在确保试验机稳定安全的条件下，可通过改变气源压力及储气罐容积，对试验台的碰撞速度予以调节。该装置采用分别具有有杆腔和无杆腔的两个储气罐来提供压力及无杆腔快排的结构，避免因气缸强冲击而无法制动产生二次碰撞的问题及普通气缸因背压原因，导致冲击性能打折，不能有效利用冲击行程的问题。

目前，设备所受脉冲上限越来越强，限于场地及成本因素，针对小型设备的高脉冲冲击试验机已被广泛应用。因此，本研究提出了新型小型强冲击试验机，并对其进行动力学建模及系统仿真分析，为以后冲击试验机研究提供参考。