某裝置液壓阻尼器的阻尼孔試驗

丁 雪，葉良武，程博宇，汪羅杰

（國營第四四五廠，浙江 杭州 310000）

0 引言

海權是決定國家和民族命運的重要因素。近代我國受到的歷史屈辱，大多是來自于海上。沒有一只強大的現代化海軍，就不可能維護海權。建立一只強大的海軍，一直是我國領導人和全國人民的共同愿望。在現代戰爭中，海軍的作用更加的突出，自從導彈武器系統裝備軍艦后，海軍軍艦的作戰能力就發生了質的飛躍，各種型號軍艦的對抗，也主要是導彈武器的對抗，與之配套的艦載導彈發射裝置也逐步走向成熟。發射裝置是海軍艦艇中不可替代的艦載武器，其具有發射率高、反應速度快、操控方便、持續作戰能力強、用途廣泛等特點。各國海軍對于發射裝置的研究也是越來越重視。發射裝置在發射過程中所產生的后坐力對發射裝置的射擊精度、發射裝置和甲板的固定以及發射裝置自身結構強度都會產生負面影響。因此，減小發射裝置發射過程中產生的后坐力對于提高發射裝置的技術水平具有深遠的意義。本文將通過試驗[1-2]研究發射裝置中的液壓阻尼器[3-7]，選擇出合適的阻尼孔的孔徑，這將對提高艦炮的性能具有重要意義。

1 液壓阻尼器

1.1 液壓阻尼器介紹

阻尼器是一個機器構件，是一種通過提供運動阻力，削減運動能力的裝置。按照構成元素的不同，可以分為彈簧阻尼器、液壓阻尼器、脈沖阻尼器、旋轉阻尼器、風阻尼器、粘滯阻尼器、阻尼鉸鏈、阻尼滑軌等。其中液壓阻尼器是一種對速度反應靈敏的減震裝置，它借助特殊結構閥門控制液壓缸活塞移動以抑制管道或設備周期性載荷和沖擊載荷影響。由于液壓阻尼器具有防腐性強、摩擦阻力小、壽命長、可用于高溫工作等優點，主要用于防止設備因地震、水錘、汽錘、風載、安全閥排汽及其它沖擊載荷所造成的破壞。

液壓阻尼器是一種用來延長負載作用時間，限制負載速度、位移，以及吸收并轉化能量的裝置。在諸多高速液壓系統中，液壓缸活塞或者被執行件運行速度往往高達十幾米/秒，這樣就會產生強大的沖擊壓力、噪聲，甚至機械碰撞。所以在運動結束之前一定要做適當的緩沖和制動，從而防止損壞部件、降低噪聲，提高系統的工作性能和壽命[8]。

1.2 液壓阻尼器作用

液壓阻尼器是一種可以吸收沖擊力，并減少由于沖擊所產生的振動的裝置。液壓阻尼器利用充滿液壓油的液壓缸，通過阻尼控制閥的作用，在液壓缸兩腔產生壓力差，從而對負載產生阻尼力，該阻尼力的大小與負載速度有關。液壓阻尼器可以吸收負載沖擊、限制負載位移。因此，液壓阻尼器已被廣泛地運用在軍工、槍炮、航空等領域。其可以在發射裝置發射產生后坐力時，提供運動的阻力，耗減運動能量，從而可以起到緩震的作用。液壓阻尼器中的阻尼孔可以控制液體的流量，起到關鍵的阻尼作用，從而減小后坐力。本文將對液壓阻尼器中的阻尼孔的孔徑大小進行研究，選擇出大小合適的阻尼孔的孔徑。

1.3 液壓阻尼器工作原理

液壓阻尼器是一種速度敏感性的裝置。當由力所引起的運動超過允許速度時，阻尼器將鎖定、帶載，并將速度限制在一個叫做閉鎖后速度或滲漏率（bleed rate）的速度值。因此，測試液壓阻尼器時，所關注的參數如下：額定載荷下的閉鎖速度（lock-up velocity）、閉鎖后速度或滲漏率、等值彈簧剛度（stiffness）。

1）正常工況下活塞桿速度V＜閉鎖速度V閉，對管道的作用力很小。

2）當發生瞬間沖擊載荷時，V增大達到V閉時，液壓油推動閥芯，使閥芯克服彈簧力關閉，液壓油只能從阻尼小孔（節流閥）流過，形成阻尼力FN，使阻尼器閉鎖。從而實現減振、抗振動的目的。

3）對于抗安全閥排汽型阻尼器，由于閥芯不設阻尼小孔，液壓介質無法流動，因此，閉鎖后速度V閉=0。從而實現液壓阻尼器對管道的持續拉力。

本次試驗所用的液壓阻尼器一般由活塞桿、阻尼柱、油缸、復位彈簧等部件組成，圖1為液壓阻尼器的結構示意圖。當管道或設備受到沖擊產生位移時，使得活塞桿產生壓入油缸的運動，活塞在內缸筒里相對往下移動。此時，活塞閥門被沖開向上，內缸筒腔內活塞下側的油流向活塞的上側，若其運動速度較小時，油缸內的油經阻尼孔可以從下腔流入到上腔，此時由于流道暢通，阻力很小，從而允許與液壓阻尼器連接的管道或設備產生自由移動。同時，這一部分油也通過底部閥門上的小孔流入內、外缸筒之間的油腔內。這樣就有效地衰減發射裝置發射時產生的后坐力對于設備的沖擊。當發生瞬間沖擊載荷時，其運動速度突然增大，油沖開底部的閥門流向內缸筒，同時內缸筒活塞上側的油經活塞閥門上的小孔流向下側。此時當液壓油流過小孔過程中，會受到很大的阻力，油流受阻產生了阻尼力，從而實現緩沖的目的。

圖1 液壓阻尼器的結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of hydraulic damper structure

2 液壓阻尼器試驗研究

2.1 試驗平臺搭建

本試驗主要研究當液壓阻尼器中阻尼孔的孔徑大小不同時，負載的試驗位移和液壓阻尼器活塞桿移動位移之間的關系，從而選擇最為合適的阻尼孔的孔徑尺寸。試驗平臺主要由無線釋放器（可以通過遙控對試驗負載的下落進行控制）、試驗負載（通過控制試驗負載的下落高度模擬不同的后坐力）、液壓阻尼器（4種不同型號）、試驗支架、試驗底座（用于固定液壓阻尼器）以及位移傳感器（獲取液壓阻尼器活塞桿移動位移）組成。圖2和圖3分別表示試驗平臺的結構示意圖和試驗過程實物圖，圖4是試驗中使用的4種型號的液壓阻尼器的實物圖。

圖2 試驗平臺結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of test platform structure

圖3 試驗過程實物圖Fig.3 Physical diagram of the test process

圖4 4種液壓阻尼器實物圖Fig.4 Physical diagram of four types of hydraulic dampers

2.2 試驗方法

通過調節試驗負載與液壓阻尼器之間的高度，從而使得試驗負載下落對液壓阻尼器產生不同的沖撞力。試驗中試驗負載從不同的高度下落產生的沖擊力可以模擬發射裝置發射過程產生的后坐力。

具體的試驗方法：首先調節試驗負載與液壓阻尼器之間的高度（分別為 200 mm，450 mm，800 mm），通過無線釋放器對試驗負載的下落進行遠程遙控，當負載分別從不同的高度下落撞擊到液壓阻尼器之后，位移傳感器會記錄液壓阻尼器活塞桿的移動位移。

2.3 試驗結果分析

本試驗中有4種型號的液壓阻尼器，分別是1#、2#、3#、4#，它們的阻尼孔的孔徑大小分別為6.5 mm，7.5 mm，8.5 mm，9.5 mm。通過對比表1的理論參數與試驗數據（誤差需控制在3%以內），從而選擇出液壓阻尼器中的最優阻尼孔經。表1中：Mm表示模擬試驗跌落塊的質量；Hm表示模擬試驗跌落的高度；Vm表示模擬試驗跌落的初速度；Smax表示模擬試驗的液壓阻尼器活塞桿的最大位移。

表1 試驗的理論參數Tab.1 Theoretical parameters of the test

圖5表示試驗負載接觸到1#液壓阻尼器后的行程時間與液壓阻尼器的活塞桿位移之間的關系，從圖中可以得出隨著負載跌落的高度 H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不斷地增加，阻尼器活塞桿的位移也是相應的增加。隨著行程時間增加，活塞桿位移急劇增加，當行程時間分別達到150 ms，120 ms，112 ms左右時，阻尼器活塞桿位移達到最大值，而后位移開始逐漸的減小，并最終趨于不變。

圖5 1#液壓阻尼器的行程時間與液壓阻尼器活塞桿位移關系圖Fig.5 Relation diagram of travel time of 1# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper piston rod

圖6表示 2#液壓阻尼器被負載沖擊后的行程時間與液壓阻尼器的活塞桿位移之間的關系，從圖中可以得出隨著負載跌落的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不斷地增加，阻尼器活塞桿的位移也是相應地增加。隨著試驗負載與液壓阻尼器接觸時間增加，液壓阻尼器的活塞桿位移急劇增加，當行程時間分別達到225 ms，200 ms，150 ms左右時，阻尼器活塞桿位移達到最大值，而后位移開始逐漸減小，并最終趨于恒定。

圖6 2#液壓阻尼器的行程時間與液壓阻尼器活塞桿位移關系圖Fig.6 Relation diagram of travel time of 2# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper pistion rod

圖7 表示 3#液壓阻尼器受到負載沖擊后的行程時間與液壓阻尼器的活塞桿位移之間的關系，從圖中可以得出隨著負載跌落的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不斷地增加，液壓阻尼器活塞桿的位移也相應增加。隨著行程時間增加，活塞桿位移急劇增加，當行程時間分別達到250 ms，200 ms，150 ms左右時，液壓阻尼器活塞桿位移達到最大值，而后位移開始逐漸的減小。

圖7 3#液壓阻尼器的行程時間與液壓阻尼器活塞桿位移關系圖Fig.7 Relation diagram of travel time of 3# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper piston rod

圖 8表示液壓阻尼器的阻尼孔為 4#時，試驗負載接觸到液壓阻尼器后的行程時間與液壓阻尼器的活塞桿位移之間的關系。從中可以看出，隨著試驗負載與液壓阻尼器之間的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不斷增加，液壓阻尼器活塞桿位移也相應的增加。隨著試驗負載與液壓阻尼器接觸時間增加，當行程時間分別達到 200 ms，180 ms，170 ms左右時，液壓阻尼器活塞桿位移急劇增加到最大值，隨即位移緩慢減小。

圖8 4#液壓阻尼器的行程時間與液壓阻尼器活塞桿位移關系圖Fig.8 Relation diagram of travel time of 4# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper pistion rod

當試驗負載與液壓阻尼器之間的高度H=200 mm時，4種型號的液壓阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞桿移動的最大位移分別為：95.26 mm，147.6 mm，183.63 mm，229.84 mm。

當試驗負載與液壓阻尼器之間的高度 H=450 mm時，4種型號的液壓阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞桿移動的最大位移分別為 108.18 mm，168.11 mm，226.145 mm，263.05 mm。

當試驗負載與液壓阻尼器之間的高度 H=800 mm時，4種型號的液壓阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞桿移動的最大位移分別為：122.065 mm，184.23 mm，253.48 mm，292.34 mm。

通過比對試驗測出的4種型號的液壓阻尼器活塞桿移動的最大行程與理論要求的最大行程得出，選擇 4#液壓阻尼器的阻尼孔的誤差最小，當試驗負載與液壓阻尼器之間的高度 H=200 mm，450 mm，800 mm時，最大行程的試驗與理論的誤差值分別為2.89%，2.14%，0.77%，此時的誤差值在4種類型的液壓阻尼器中達到最小，且均在最大誤差范圍之內。所以，應選擇 4#液壓阻尼器，其最優阻尼孔經為9.5 mm。

3 結束語

本文運用試驗的方法模擬了發射裝置發射炮彈時產生的后坐力對液壓阻尼器的沖擊，將理論參數與試驗所得數據相比對，為發射裝置中的液壓阻尼器選擇了大小合適的阻尼孔的孔徑。本試驗的研究對后續的發射裝置中的液壓阻尼器的孔徑大小的選擇問題具有一定的參考價值，同時也對減小發射裝置發射過程中產生的后坐力問題具有一定的借鑒作用。