緩沖系統(tǒng)設(shè)計及緩沖性能測試

徐楠 王美娜 褚福常

（江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇徐州 221000）

災(zāi)害現(xiàn)場，往往出現(xiàn)道路阻斷等復(fù)雜環(huán)境，在救援車輛無法駛?cè)牖蚍浅ＮｋU的救援場合，急需一種研發(fā)超低空投放裝備，滿足救援車輛吊掛并超低空投放快速進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場，實現(xiàn)精準(zhǔn)投放，開展救援工作。超低空投放緩沖系統(tǒng)由起吊裝置、防護(hù)貨臺及空投緩沖裝置組成，其中緩沖裝置的防護(hù)性能對超低空投放過程起著尤為重要的影響，性能良好的緩沖防護(hù)裝置將大大降低空投車輛在著地過程中的沖擊作用力，保障救援車輛超低空投放安全可靠，因此抗沖擊緩沖技術(shù)研究是保障車輛超低空投放的關(guān)鍵因素之一。為此本文以緩沖氣囊、橡膠墊、蜂窩紙板組合緩沖裝置為研究對象，開展超低空投放緩沖裝置設(shè)計及跌落沖擊測試，通過瞬態(tài)沖擊測試記錄儀器記錄著陸沖擊過載。

1 緩沖氣囊設(shè)計與緩沖原理

氣囊緩沖的基本原理是依靠壓縮載荷下的變形吸收能量，因此緩沖特性主要取決于氣囊的變形特性。帶有排氣孔的氣囊，是指氣囊在緩沖過程中具有排氣能力，受到著陸沖擊時，沖氣氣囊受到壓力，囊內(nèi)氣體通過排氣孔向外排泄散耗能量，達(dá)到對沖擊能量的吸收實現(xiàn)緩沖著陸。自充氣氣囊是通過對氣囊結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)吸收外界大氣壓，起吊后通過氣囊結(jié)構(gòu)件的自重將壓縮的氣囊展開，氣囊進(jìn)行自充氣，該氣囊優(yōu)點是不用另帶氣源，只利用外界大氣壓充氣，緩沖系統(tǒng)更加簡單、輕便。本文設(shè)計自充氣氣囊，結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，2 為氣囊，呈圓柱體，800mm×1000mm ，1 和4 為木制板材，超低空投放前，以木制板材1 自身重力實現(xiàn)氣囊展開，實現(xiàn)自充氣。

圖1 緩沖氣囊結(jié)構(gòu)示意圖

2 跌落試驗及性能測試

試驗時，通過遙控脫鉤器起吊超低空投放緩沖系統(tǒng)，1 噸配重代替救援車輛（實戰(zhàn)使用依據(jù)空投車輛重量確定氣囊個數(shù)），從1.6m 的高度自由落體，模擬災(zāi)害現(xiàn)場救援車輛的超低空投放，保障配重著地速度為5m/s。試驗如圖2 所示，從上至下，依次為，1 遙控脫鉤器（吊鉤）、2 吊索、3 配重（緊固在防護(hù)貨臺上）、4 蜂窩紙板、5 橡膠墊、6 空投防護(hù)貨臺、7 氣囊，配重四個方向各安裝1 個沖擊過載加速度傳感器，連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖2 緩沖測試系統(tǒng)示意圖

3 分析與討論

車輛空投跌落，要求車輛可以承受30g 過載沖擊。試驗過程中，經(jīng)過多組測試，分別為無氣囊緩沖裝置、有氣囊緩沖裝置、有氣囊緩沖裝置條件下調(diào)節(jié)氣囊排氣孔面積大小等。無氣囊緩沖裝置跌落測試如圖3 所示，由圖可以看出存在兩次明顯的加速度劇增，4 個通道采集沖擊加速度，其中最大峰值為97g，通過高速攝像機(jī)采集跌落過程，該點為緩沖測試系統(tǒng)最先著地沖擊載荷位置。實驗表明，無緩沖氣囊時，緩沖測試系統(tǒng)著地沖擊加速度較大，起吊平衡與沖擊載荷關(guān)系密切，跌落沖擊過載最大采集位置為跌落過程中先著地點，最小為后著地點。

圖3 無緩沖氣囊跌落試驗沖擊載荷

有氣囊緩沖裝置跌落測試過程數(shù)據(jù)波形如圖4 所示，試驗數(shù)據(jù)如表1 所示，其中，垂直地面向上為加速度正向，垂直地面向下為加速度負(fù)向。試驗表明，如圖4 所示，在緩沖裝置的試驗條件下，距離地面1 米進(jìn)行配重跌落試驗，跌落物的沖擊加速度峰值為35g，有效的降低跌落物體的沖擊作用，效果達(dá)到60%以上；試驗表明，氣囊緩沖裝置可以較好的緩沖著地沖擊加速度，橡膠墊有效的緩沖跌落沖擊過程中，剛性材質(zhì)間相互碰撞產(chǎn)生的沖擊力；蜂窩紙板具有吸能效果，由于蜂窩紙板變形后，配重與空投系統(tǒng)產(chǎn)生空隙，無法形成剛性一體，可以看到明顯2 次觸地反彈。

表1 跌落沖擊試驗著陸沖擊過載

圖4 緩沖氣囊跌落試驗沖擊載荷

經(jīng)多次試驗表明，氣囊緩沖效果，第一次最佳，反復(fù)使用，緩沖效果降低；排氣孔較小時，空投系統(tǒng)有明顯反彈，排氣孔較大時，緩沖性能降低，無明顯反彈現(xiàn)象。同時，針對氣囊的緩沖效果研究，以排氣孔的開口面積為研究對象，進(jìn)行多次試驗。研究表明，排氣孔面積較小，沖擊加速度數(shù)據(jù)波形震蕩明顯，表明重物在跌落過程中有反彈現(xiàn)象；排氣孔面積較大，縮短氣囊排氣時間，削弱緩沖作用，因此排氣孔的開口面積大小是影響氣囊緩沖效果的重要因素。

4 結(jié)論

本文針對救援車輛超低空投放過程中降低著陸過載沖擊，設(shè)計了緩沖氣囊，通過空投載重、空投高度及排氣孔開口大小，設(shè)計了緩沖氣囊及氣囊緩沖性能優(yōu)化方案，并開展試驗驗證，得到如下結(jié)論：

4.1 氣囊、橡膠墊、蜂窩紙板組合緩沖裝置可以較好的降低空投裝備著陸沖擊過載加速度，有效降低跌落物體的沖擊作用力，效果達(dá)到60%以上，符合設(shè)計要求。

4.2 空投跌落過程中，將被空投件及空投系統(tǒng)緊固，成為剛性一體，防止跌落過程中，相互沖擊，產(chǎn)生二次撞擊。

4.3 氣囊緩沖裝置緩沖效果，排氣孔大小與空投著地緩沖沖擊時間、空投物體重量、著地沖擊加速度大小有顯著關(guān)系。

4.4 跌落釋放試驗前，應(yīng)將空投貨臺保持大致與跌落地點水平，防止跌落著地過程中，貨臺先著地點產(chǎn)生較大過載沖擊。