高速重載液壓撞擊試驗裝置設計

， (河南科技大學 機電工程學院， 河南 洛陽 471003)

引言

撞擊試驗裝置主要用于模擬外界沖擊載荷(如爆炸、地震、碰撞等)，以檢測各種機械設備和建筑物的抗沖擊性能。隨著對抗沖擊性能要求的不斷提高，撞擊試驗裝置向著高速重載方向發展。但傳統擺錘重力做功的方法由于其能量儲存方式所限以及自身體積龐大等缺陷，發展改進空間已經很小，無法滿足人們的需求。燃燒和爆炸等方法由于其現場環境的限制，無法得到真實的現場數據且爆炸過程可控性差，安全性也無法得到保證。液壓傳動具有功率密度大、能量儲存方便以及安全性高等優點，成為實現高速重載撞擊試驗裝置的首選方案。

撞擊試驗裝置需在短時間、短行程內獲得撞擊所需的巨大能量，系統瞬時流量可達每分鐘上萬升。傳統的流量控制閥必須采用多級控制，但隨著控制級數的增加，導致結構復雜，響應速度無法滿足要求。電液伺服閥雖然響應速度快，但無法滿足撞擊試驗裝置瞬間大流量的要求。針對現有技術的不足，本研究提出一種采用快速開啟的高速大流量控制裝置，為系統提供瞬時大流量，并在短時間、短行程內獲得巨大能量的液壓撞擊試驗裝置。

1 高速重載液壓撞擊試驗裝置的設計

1.1 結構方案設計

高速重載液壓撞擊試驗裝置主要由壓力源、蓄能器、高速大流量控制裝置和執行機構組成，如圖1所示。高速大流量控制裝置由快速開啟的活塞式先導閥芯和調節高速大流量控制開口量的缸式主閥芯組成，如圖2所示。四個大容量蓄能器分別與高速大流量控制裝置4個對稱布置的入口通道連接，當壓力源向活塞式先導閥芯控制腔提供壓力流體時，與蓄能器連接的入口通道內的流體作用在活塞式先導閥芯內外側環形臺階上的力很小，不能克服控制腔流體作用在閥芯上的阻力，閥處于關閉狀態。一旦控制腔卸荷通道打開，活塞式先導閥芯在上下端壓差作用下沿著控制腔向下滑動，直到撞到緩沖彈簧為止。調節高速大流量控制裝置開口度的缸式主閥由蓄能器、伺服閥、位移傳感器和缸式主閥芯組成，通過控制缸式主閥芯的位移來調節高速大流量控制裝置的開口量，實現執行機構最大工作速度的調節。

執行機構是具有快速卸荷和緩沖復位功能的氣液兩相液壓缸，包括缸體、活塞桿組件、充氣閥、排氣閥和卸荷閥。無桿腔與高壓流體相通，有桿腔與氮氣相通。活塞桿組件由活塞、空心活塞桿、質量可變的撞擊塊和緩沖裝置組成。

壓力源向蓄能器充液以儲存工作工程所需的能量，通過控制缸式主閥芯的位移來改變高速大流量控制裝置的開口度，實現執行機構最大工作速度的調節。大容量蓄能器作為動力源驅動活塞式先導閥芯快速開啟，通過缸式主閥為系統提供大流量的壓力流體，這樣避免了技術不成熟的大流量閥的使用。返程時，充氣閥向液壓缸有桿腔沖入氮氣，使活塞退回到初始位置，卸荷回路可以及時釋放無桿腔內的流體壓力，以避免撞擊塊與試件的二次撞擊。

1.蓄能器 2.位移傳感器 3.伺服閥 4.活塞式先導閥芯 5.閥體 6.緩沖彈簧 7.卸荷閥 8.充液閥 9.卸荷閥 10.充液閥 11.閥體 12.控制腔 13.缸式主閥芯

1.2 工作過程

高速重載液壓撞擊試驗裝置的工作過程分為準備階段、加速撞擊階段和返回階段，如圖3所示。

圖3 撞擊塊工作過程速度示意圖

如圖1所示，準備階段：打開充液閥10向控制腔12沖入壓力流體，將活塞式先導閥芯壓在閥座上，切斷大容量蓄能器與液壓缸無桿腔的連接通道；通過充液閥8向液壓缸無桿腔充液以調整活塞15的初始位置；通過蓄能器1、位移傳感器2、伺服閥3和缸式主閥芯13組成的伺服回路調整缸式主閥芯的開口，以控制執行機構的最大工作速度。關閉充液閥8，打開排氣閥20和截止閥23，準備階段完成。

加速撞擊階段：打開卸荷閥9，將控制腔12內的流體排出，大容量蓄能器17內的壓力流體作用在活塞式先導閥芯4內外側的環形臺階面上，活塞式先導閥芯4在上下端壓力差作用下沿著控制腔向下滑動，大容量蓄能器17內的壓力流體通過閥芯縫隙作用在閥芯頂部推動閥芯迅速向下滑動，直到撞到緩沖彈簧為止。活塞式先導閥打開后，大容量蓄能器17內的壓力流體進入液壓缸無桿腔，推動活塞15加速運動撞擊試件，有桿腔內的氮氣經排氣閥20排出；當撞擊塊撞擊試件的同時，打開卸荷閥7，及時釋放無桿腔內的流體壓力，避免二次撞擊。

回程階段：撞擊完成后，關閉缸式主閥芯13，通過充氣閥21向液壓缸有桿腔沖入氮氣，將活塞15復位，無桿腔內的流體經卸荷閥7排出；關閉截止閥23，向大容量蓄能器17充液，達到設定壓力為止。

2 高速重載液壓撞擊試驗裝置建模仿真

高速重載液壓撞擊試驗裝置主要由壓力源、蓄能器、高速大流量控制裝置和執行機構組成。其快速性主要取決于高速大流量控制裝置提供瞬時大流量的能力。根據高速重載液壓撞擊試驗裝置的原理，構建AMESim仿真模型，如圖4所示。

圖4 高速重載液壓撞擊裝置仿真模型

在AMESim/Parameter參數模式中，根據系統選定的元件設定具體參數，主要參數如表1所示。

表1 仿真主要參數

3 仿真結果分析

高速重載液壓撞擊試驗裝置的最大速度取決于缸式主閥芯的開口量，撞擊塊質量為100 kg時，缸式主閥芯的開口量設置為20 mm，從圖5可以看出，由蓄能器、位移傳感器、伺服閥和缸式主閥芯組成的伺服系統可以精確地控制缸式主閥芯的開口量，誤差不超過0.001 mm，且開啟時間可以根據需要進行調整。

圖5 缸式主閥芯開口量控制曲線

高速重載液壓撞擊試驗裝置能否在短時間短行程內獲得撞擊所需的速度主要取決于活塞式先導閥芯的開啟時間。從圖6可以看出，活塞式先導閥芯可以在2 ms內完全開啟，大容量蓄能器內的壓力流體迅速進入液壓缸無桿腔，為系統提供瞬時大流量。

圖6 活塞式先導閥芯位移響應曲線

由圖7和圖8可以看出，當撞擊塊質量為100 kg，缸式主閥芯開口量為20 mm時，在液壓缸1 m有效行程內，撞擊塊最大速度可達60 m/s，加速時間僅為24 ms， 撞擊能量達180 kJ。由圖8可以看出，通過高速大流量控制裝置進入液壓缸無桿腔的流量最高可達65000 L/min，如圖9所示。

圖7 質量100 kg撞擊塊速度響應曲線

圖8 質量100 kg撞擊塊位移響應曲線

圖9 質量100 kg撞擊塊液壓缸無桿腔流量曲線

由圖10可以看出，隨著撞擊塊質量不斷增加，加速時間依次增長，但均能在60 ms內達到指定速度。質量為100 kg、200 kg、400 kg和800 kg的撞擊塊在液壓缸1 m有效形成內獲得的撞擊速度依次減小，分別為60 m/s、53 m/s、42 m/s和32 m/s,但撞擊塊獲得的撞擊能量依次增加分別為180 kJ、280 kJ、350 kJ和410 kJ。質量800 kg撞擊塊在液壓缸1 m有效形成內所獲得的能量相當于同等質量的物體在45 m高空墜落所獲得的能量。

圖10 不同質量撞擊塊行程1 m內速度曲線

4 結論

所設計的高速重載液壓試驗裝置由高速大流量控制裝置為系統提供大流量，能夠在短時間、短行程內獲得撞擊巨大能量。通過配置不同質量的撞擊塊或多個高速重載液壓撞擊試驗裝置協調控制，以滿足不同的撞擊能量要求，為今后高速重載撞擊試驗裝置提供了一定的理論基礎。

參考文獻：

[1] 王貢獻,張志誼.新型雙波沖擊試驗機的機理分析與動態特性研究[J].機械設計與研究,2007,23(5)：80-85.

[2] 褚德英,王貢獻,等.艦載設備抗沖擊試驗系統建模與仿真[J].振動工程學報,2007,20(5)：507-511.

[3] 許福玲,陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京:械工業出版社,2007.

[4] 吳根茂，邱敏秀，王慶豐,等.新編實用電液比例技術[M].浙江大學出版社,2006.

[5] 余佑官,龔國芳,胡國良.AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用[J].液壓氣動與密封,2005,(3):1-2.

[6] 趙健,阮健,李勝,等.液壓彈射機構動力系統研究[J].兵工學報,2013,34(3)：459-464.