水平?jīng)_擊性加速度模擬裝置的設(shè)計(jì)

王 洵 ,曹 文,丁江舟

水平?jīng)_擊性加速度模擬裝置的設(shè)計(jì)

王 洵 ,曹 文,丁江舟

目的 探討水平?jīng)_擊性加速度模擬裝置的設(shè)計(jì)方案。方法 在對(duì)沖擊性加速度模擬現(xiàn)狀和水平?jīng)_擊性加速度性能指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上,闡述了模擬裝置的設(shè)計(jì)。結(jié)果 各組成部分的設(shè)計(jì),可以滿足水平?jīng)_擊性加速度模擬的要求。結(jié)論在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行水平?jīng)_擊性加速度模擬是切實(shí)可行的。

加速度;直線電機(jī);模擬裝置

沖擊性加速度是指突然猛烈的加速或減速運(yùn)動(dòng),其特點(diǎn)是加速度變化率高、峰值高而作用時(shí)間很短(通常小于 1 s),如飛機(jī)迫降或墜毀、高速飛行中彈射救生及開傘、航母艦載機(jī)飛行員彈射起飛和阻攔著艦、汽車碰撞等過程,均涉及單個(gè)軸向或復(fù)合軸向上的沖擊性加速度[1]。與沖擊性加速度相關(guān)的人員頸部損傷與防護(hù)、提高作業(yè)功效、維護(hù)職業(yè)健康、延長職業(yè)壽命等相關(guān)的醫(yī)學(xué)研究正逐步引起重視。由于沖擊性加速度產(chǎn)生的實(shí)際工況具有特殊性和偶然性,不可能多次重復(fù)出現(xiàn)來滿足相關(guān)研究,這就需要在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬沖擊性加速度。

1 沖擊性加速度模擬裝置現(xiàn)狀

長期以來,國外對(duì)沖擊性加速度的研究非常廣泛,在模擬飛機(jī)座艙彈射救生的研究方面,建設(shè)有彈射塔;在模擬艦載機(jī)彈射起飛的研究方面,建設(shè)有蒸汽或電磁彈射試驗(yàn)裝置;在模擬飛行器制動(dòng)著陸和迫降方面,建設(shè)有火箭滑車設(shè)備,這些大型設(shè)備造價(jià)昂貴、占地廣,能模擬實(shí)際狀態(tài)速度和加速度的產(chǎn)生和變化過程[2]。這些實(shí)驗(yàn)裝備主要是為研究武器裝備的性能和安全系數(shù)指標(biāo)而建,運(yùn)行成本很高,對(duì)于研究沖擊性加速度對(duì)人體長期性的累積效應(yīng)影響而言,不太適合。

此外,在水平碰撞研究方面還有Ⅱ型生物撞擊機(jī)、揮鞭傷仿真發(fā)生裝置、汽車碰撞實(shí)驗(yàn)裝置、軌道式水沖碰撞試驗(yàn)臺(tái)等,這些實(shí)驗(yàn)裝置適合高 G值、短作用時(shí)間 (一般在 200 ms以內(nèi))的碰撞研究。美國空軍研究所建有滑橇軌道式的水平?jīng)_擊性加速器 (H I A),可以模擬水平方向 ±40×g、持續(xù) 300 ms以內(nèi)的水平?jīng)_擊性加速度,利用此裝置可以測(cè)量頭頸部的受力以及位移情況,該裝置只模擬人 -椅瞬間沖擊加速度,而不模擬整個(gè)加減速度的全過程[1]。目前,還未見到專用于醫(yī)學(xué)研究的模擬水平?jīng)_擊性加速度變化,峰值加速度值較低 (小于 10×g)、持續(xù)時(shí)間長 (800 ms)的實(shí)驗(yàn)裝置。

2 水平?jīng)_擊性加速度性能指標(biāo)分析

在水平?jīng)_擊性加速度的研究方面,針對(duì)飛機(jī)彈射起飛和阻攔著艦的工況,為方便飛機(jī)和相關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì),美軍在 1999年公開頒布了標(biāo)準(zhǔn)M I L-HDBK-2066(AS)。該標(biāo)準(zhǔn)是目前研究飛機(jī)起飛和著艦時(shí)水平?jīng)_擊性加速度的主要依據(jù)。

從該標(biāo)準(zhǔn)的 FIGURE 14.6(如圖 1所示)可知,如果一架質(zhì)量為 50 000 lb(約合 22 680 kg,1 lb≈0.453 kg)的飛機(jī),以130 Kn的速度 (約合 241 km/h)降落,滑行距離為 230 ft(約合 70 m,1 ft=30.48 cm)時(shí),它所承受的水平加速度峰值約為 5.2×g。再分析該標(biāo)準(zhǔn)中 FIGURE 16.6(如圖 2所示)和FIGURE 18.6(如圖 3所示),可知：同樣的飛機(jī)在以 135 Kn降落,滑行距離為 310 ft(約合 95 m)時(shí),它所承受的水平加速度峰值約為 4.2×g;在以 145 Kn降落,滑行距離為 340 ft(約合 104 m)時(shí),它所承受的水平加速度峰值約為 4.3×g。

圖1 美軍標(biāo)M I L-HDBK-2066(AS)中的FIGURE 14.6

3 模擬裝置的設(shè)計(jì)

3.1 模擬裝置的主要性能指標(biāo)

通過對(duì)水平?jīng)_擊性加速度性能指標(biāo)的分析,得到峰值加速度以及加速度由 0變化到峰值所需的時(shí)間,再通過積分運(yùn)算可以計(jì)算出實(shí)驗(yàn)對(duì)象從靜止運(yùn)動(dòng)到加速度峰值時(shí)的行程。

經(jīng)過計(jì)算可以初步確定,在假定加速度峰值為 5×g,加速時(shí)間歷時(shí) 0.8 s的情況下,實(shí)驗(yàn)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)距離在 5 m左右,運(yùn)動(dòng)末端的速度接近 20 m/s;在加速度峰值為 10×g,加速時(shí)間歷時(shí) 0.8 s時(shí),試驗(yàn)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)距離將長達(dá) 10 m左右,并且運(yùn)動(dòng)末端的速度可達(dá) 39 m/s。這對(duì)實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)驗(yàn)對(duì)象的減速提出了很高的要求。

3.2 動(dòng)力方式的選擇

對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象施加沖擊載荷,滿足其加速度值按設(shè)定的曲線變化,這對(duì)模擬裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提出了 3條基本要求：一是動(dòng)力輸出范圍大、精確度高、可方便調(diào)節(jié)控制;二是在長達(dá)數(shù)米的運(yùn)動(dòng)行程中,始終穩(wěn)定地推動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象加速;三是重復(fù)性好,多次實(shí)驗(yàn)時(shí),同等條件下,實(shí)現(xiàn)的加速度變化曲線良好吻合。

根據(jù)以上要求,對(duì)比分析液壓傳動(dòng)、高壓氣動(dòng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)等方式后認(rèn)為：一是液壓傳動(dòng)難以在長達(dá)數(shù)米的范圍內(nèi)持續(xù)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象施加作用力;二是高壓氣動(dòng)的方式在動(dòng)力輸出上難以精確控制,多次實(shí)驗(yàn)重復(fù)的精確性難以保證;三是直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以滿足要求。

之所以說直線電機(jī)可以滿足要求,主要是因?yàn)橹本€電機(jī)可實(shí)現(xiàn)精確的控制,通過控制供電電壓或頻率可方便地調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)力,可實(shí)現(xiàn) 10×g的加速度;可調(diào)整初級(jí)和次級(jí)的長度,按需要實(shí)現(xiàn)較長距離、高速運(yùn)動(dòng)條件下持續(xù)的驅(qū)動(dòng)力;同等條件下,直線電機(jī)的重復(fù)性好,可實(shí)現(xiàn)百分之一以內(nèi)的誤差。3.3 裝置組成及實(shí)現(xiàn)方案

參考國內(nèi)外撞擊實(shí)驗(yàn)裝置的現(xiàn)狀,水平?jīng)_擊性加速度模擬裝置應(yīng)由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)對(duì)象承載平臺(tái)、軌道、制動(dòng)系統(tǒng)等主要部分組成。

3.3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 從直線電機(jī)的形式看,它分為扁平型、圓筒型或盤型等多種形式[3]。水平?jīng)_擊性加速度模擬裝置中,應(yīng)選用扁平型的形式。扁平型的直線電機(jī)由初級(jí)和次級(jí)兩大部分組成,其中初級(jí)是由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子演變而來,次級(jí)由旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子演變而來[3]。初級(jí)由鐵心和繞組等組成,質(zhì)量明顯大于次級(jí)。考慮到實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量越輕,實(shí)現(xiàn)同樣加速度所需的推力越小,直線電機(jī)越容易滿足要求,因此將次級(jí)安裝在實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,以盡量減輕實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量。所以,應(yīng)采用長初級(jí)短次級(jí)的結(jié)構(gòu)形式,即初級(jí)按照實(shí)驗(yàn)對(duì)象的加速運(yùn)動(dòng)范圍,設(shè)置在實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的軌道內(nèi)側(cè)下方,并鋪滿整個(gè)加速段,而次級(jí)設(shè)置于實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的底部,如圖 4所示。

圖4 直線電機(jī)安裝示意圖

3.3.2 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制柜、運(yùn)動(dòng)傳感器、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)負(fù)載自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)等組成,采用電壓控制或頻率控制來調(diào)節(jié)直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力變化,滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)象的加速度按預(yù)定曲線變化。控制系統(tǒng)在每次運(yùn)動(dòng)平臺(tái)負(fù)載變化時(shí),可實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)力大小,滿足實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)要求。同時(shí),實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可通過傳感器實(shí)時(shí)得到記錄。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象承載平臺(tái) 該平臺(tái)主要由可固定實(shí)驗(yàn)對(duì)象的平臺(tái)面板、平臺(tái)承載框架、滑輪或滑塊、剎車系統(tǒng)、直線電機(jī)次級(jí)等部件組成。其承載框架結(jié)構(gòu)可采用輕量化的設(shè)計(jì),在滿足安裝固定實(shí)驗(yàn)對(duì)象和測(cè)試設(shè)備的條件下,盡量減輕質(zhì)量。因?yàn)樨?fù)載大小直接關(guān)系到直線電機(jī)的推力大小,同等推力下,平臺(tái)的質(zhì)量越輕,可實(shí)現(xiàn)的加速度值越大。

3.3.4 軌道和制動(dòng)系統(tǒng) 軌道可采用滑動(dòng)軌道或滾動(dòng)軌道,其結(jié)構(gòu)形式和長度要根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的沖擊載荷、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)精度、制動(dòng)方式等綜合考慮。制動(dòng)系統(tǒng)可采用多種方式組合構(gòu)成,如長距離的均勻制動(dòng)可采取對(duì)滾輪或滑塊增加剎車裝置,使整個(gè)制動(dòng)過程的摩擦力保持平穩(wěn),減少對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的影響。在軌道的末端要設(shè)置緊急緩沖區(qū),可設(shè)置多聚乙稀泡沫柱群。此外,還可考慮設(shè)置應(yīng)急阻攔索。

3.3.5 其他 多數(shù)碰撞實(shí)驗(yàn)室都會(huì)安置高速攝像機(jī),用來記錄實(shí)驗(yàn)對(duì)象在沖擊載荷下的響應(yīng)過程,這時(shí)應(yīng)配套設(shè)置燈光系統(tǒng),滿足高速攝像的需求。此外,還要考慮實(shí)驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)傳輸、記錄等問題。由于直線電機(jī)在工作中,瞬間產(chǎn)生的電磁場強(qiáng)度較大,應(yīng)在加速度模擬裝置的整體設(shè)計(jì)中考慮實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場人員的防電磁輻射問題,以及設(shè)備間的電磁兼容問題,防止實(shí)驗(yàn)、監(jiān)測(cè)設(shè)備工作異常。

4 結(jié)論

通過對(duì)水平?jīng)_擊性加速度性能指標(biāo)分析和整體設(shè)計(jì)方案的討論,在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行水平?jīng)_擊性加速度模擬是切實(shí)可行的,它所采用的均為成熟技術(shù),更利用了目前技術(shù)先進(jìn)的大推力直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù),可很好地滿足實(shí)驗(yàn)需求。

[1] 朱偉,張慧,汪家春,等.沖擊性加速度對(duì)飛行員頸部的損傷與防護(hù)研究[ J ] . 中華航空航天醫(yī)學(xué)雜志, 2009, 20 (3) ： 228 -232.

[2] 吳興裕.航空航天生物動(dòng)力學(xué)[M ].西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社, 1999： 1 - 2.

[3] 葉云岳.直線電機(jī)原理與應(yīng)用[M ] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000： 1 - 4.

R852.21

A

1009-0754(2010)02-0132-03

200433 上海,海軍醫(yī)學(xué)研究所

通過進(jìn)一步對(duì)圖形分析得知,水平?jīng)_擊性加速度的峰值一般出現(xiàn)在飛機(jī)滑行行程的中點(diǎn)附近。圖形中橫坐標(biāo)為滑行行程,縱坐標(biāo)為飛機(jī)受到的沖擊載荷。由于在實(shí)驗(yàn)室模擬加速度變化的過程中,實(shí)驗(yàn)對(duì)象是從靜止?fàn)顟B(tài)按預(yù)定的加速度變化曲線運(yùn)動(dòng),而上述圖形中飛機(jī)是從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受到?jīng)_擊載荷后逐漸停止的過程。兩者的縱坐標(biāo)相同,橫坐標(biāo)需要統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為時(shí)間,這樣才能做到實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的統(tǒng)一。通過對(duì)圖 1、圖 2、圖 3的曲線進(jìn)行積分運(yùn)算,可知在以上 3種情況中,飛機(jī)達(dá)到峰值的時(shí)間在 0.6～0.8 s之間。此外,再進(jìn)一步分析美軍標(biāo)M I L-HDBK-2066(AS)中其他條件下的加速度變化曲線 ,如重量為 10 000、15 000、20 000、30 000、40 000、60 000 lb等情況下 ,滑行距離分別在 230、310、340 ft的圖表分析,加速度峰值情況與重量為 50 000 lb時(shí)相仿。

2010-03-13)

(本文編輯：彭潤松)