彈簧壓縮量級對輕量級沖擊量級的分析研究

孫海，徐海明，李晶，黃波，李曉強，龍弢，張曉娜

（1.中國船舶集團有限公司第七〇九研究所，武漢 430205；2.中國船舶集團有限公司第七二二研究所，武漢 430205）

緒論

隨著數據科學技術的迅猛發展，數字化設備結合計算機采集技術，用于分析不同彈簧壓縮量作用于傳統艦船輕量級沖擊試驗時的影響程度的需求，已經日趨明顯。論文以輕量級沖擊試驗機臺為研究對象，論述了落錘沖擊試驗機的彈簧系統的壓縮量級的選用對試驗樣品的減震影響程度，從而為更科學地規范試驗流程提供有力的數據支撐。

1 問題的提出

輕量級沖擊試驗臺作為對試驗樣品的材料和結構進行沖擊試驗的重要設備，可以得到材料和結構的沖擊性能。依據材料和結構的沖擊性能，可以在實際生產應用中，采用更加合理的方式，對處于可能發生碰撞的環境中的人員進行保護，或者對一些結構中的昂貴或重要部分進行保護[1]；所以，利用現代化數字儀表結合計算機數據采集技術，對不同壓縮量級的輕量級沖擊機臺減震彈簧的數據測量與分析，最終選取適合的彈簧壓縮量級安裝進行試驗，使得被試品的性能數據分析更加準確，同時也對試驗樣品的保護更加完善，從而影響試驗室其它試驗的數據科學決策度，并提升試驗室試驗的科學化有一定的理論探究意義[2]。

2 試驗條件概述

2.1 試驗要求

依據輕量級沖擊試驗的試驗標準要求，輕量級沖擊試驗方法應參考GJB 150.18-86軍用設備環境試驗方法的試驗十，輕量級試驗通常適用于質量不超過120 kg的試驗樣品，若有規定也可適用于120~200 kg的試驗樣品。試驗等級如下：

擺錘高度：0.3 m、0.9 m、1.5 m；

擺錘角度：37 °、66 °、90 °。

試驗時應沿試驗樣品3個相互垂直的主軸方向各施加3次沖擊，合計沖擊次數為9次。

實船安裝時不帶減震器的試驗樣品，應剛性地固定在沖擊機上進行試驗。實船安裝時帶減震器的試驗樣品，應連同減震器一起固定在沖擊機上進行試驗，試驗設備及樣品工裝示意圖如圖1所示。

圖1 輕型沖擊試驗機

2.2 沖擊機狀態及指標

2.2.1 沖擊機狀態

中國船舶工業微電子產品檢測中心環境與可靠性試驗檢測中心的輕量級沖擊臺狀態為整個沖擊機主要由沖擊支架、傳動裝置、落錘、擺錘和試驗平板組成。當被試產品固定于試驗平板后，由液壓油缸帶動落錘升起（垂向）或液壓油泵通過離合器控制擺錘升起（背向和側向）。然后通過落錘與擺錘的自由降落對試驗平板的沖擊，即能考驗出被試產品產生耐沖擊的穩定性，本試驗室的輕量級沖擊臺信息如表1。

表1 輕量級沖擊臺信息

2.2.2 試驗平板

試驗平板是沖擊機中的主要部件，為1 340 mm×864 mm的鋼板。當垂直沖擊時，將正面彈簧松開，平板沿著正面沖擊彈簧桿的長孔移動，使垂直沖擊板彈簧受到沖擊而產生變形。正面沖擊時，擺錘沖擊于平板，使平板與桿一起向前移動，這時正面沖擊彈簧被壓縮。在壓縮彈簧作用下，平板達到某一位移，然后朝相反方向移動，使后彈簧變形。這樣往復運動，以致產生平板的震動。

2.2.3 彈簧的各項指標

垂直沖擊彈簧：18.6 kg/mm；

正面沖擊彈簧：

外彈簧：14 kg/mm，

內彈簧：6.53 kg/mm，

后彈簧：94 kg/mm，

落錘重量：200 kg，

擺錘重量：200 kg，

試驗平板重量：292 kg。

2.2.4 正面沖擊試驗的要求

擰緊平板上四個正面沖擊彈簧，使彈簧變形值為3 mm，并保持四個彈簧壓縮距離一致（見說明書）。彈簧實物圖如圖2所示。

圖2 彈簧

2.3 不同彈簧壓縮量對輕量級沖擊試驗臺的影響

2.3.1 彈簧的長度與壓縮長度

圖3 百分尺測量示意圖

彈簧原長度（游標卡尺測量所得）：左上：102.5 mm 、右上：98.5 mm（加4個墊片，修正后的距離為102.5 mm）、左下：97.5 mm（加4個墊片，修正后的距離為101.5 mm）、右下：98 mm（加4個墊片，修正后的距離為102 mm）；備注：加墊片的原因是保證背板與臺架水平，從而確保垂直度。彈簧的壓縮量采用百分表控制，詳見圖片3。

不同壓縮量級下，不同位置的彈簧長度數據如表2所示。

表2 不同壓縮量級下彈簧長度數據

2.3.2 產品的安裝方式與傳感器的布置

采用配重塊模擬產品安裝于臺面進行沖擊試驗考核，配重塊總質量為20.4 kg，通過螺釘與臺體剛性連接，安裝方式見圖4。

圖4 傳感器與配重塊的安裝圖

傳感器布置位置及靈敏度（生產廠家Brüel &Kj?r，型號8339，量程20 000 g）：

1#傳感器：臺面右方 靈敏度0.027 39 mV/ms-2

2#傳感器：臺面左方 靈敏度 0.025 30 mV/ms-2

傳感器與基座、基座與臺面均采用螺紋連接。

2.3.3 數據的采集與分析

由于高量級沖擊時候，傳感器與線的螺紋連接容易松動，由于該傳感器為電壓式（CCLD），傳感器與線的連接處松動時，會產生階躍變化的電壓信號，從而導致傳感器采集數據時，報警過載（overload），例如以圖5波形。

圖5 信號過載報警時的波形

所以，為確保數據采集可靠，將1#傳感器和相應的傳感器連接線的螺紋連接處用502膠水固定，2#傳感器仍采用正常的螺紋連接。彈簧壓縮量分別為3 mm、4.5 mm、1.5 mm時，采集不同角度擺錘高度的沖擊作用數據（擺錘高度為37度、66度、90度）。

測量數據整理如表3~5。

表3 彈簧壓縮量為3 mm

表格中的“/”表示：因沖擊量級偏大時，2#傳感器與傳感器連接線無法有效固定（1#傳感器與傳感器連接線由于采取了502膠固定，數據采集較為完整），從而導致采集到的信號報警過載，如圖5所示的波形，故不予統計。

2.3.4 沖擊臺采集的部分圖譜展示

當彈簧壓縮量為4.5 mm時，沖擊臺部分角度的沖擊譜圖數據如圖6所示。

圖6 擺錘角度37 °第一組數據時的波形

由于篇幅所限，數據的采集譜圖譜圖就不逐一展示，經過以上分析可以初步得出的結論是：在選用三種不同的彈簧壓縮量級的情況下，測試的數據和頻譜圖均顯示在選用符合標準的彈簧壓縮量3 mm時，臺面的減震效果最佳，此時試驗樣品性能測試的數據較為真實可靠，且對試驗品的保護最佳。

3 試驗結論

3.1 試驗數據結果的統計分析

將以上的數據進行統計分析得出，當在固定的角度下，沖擊角度37 °時彈簧壓縮量3 mm、4.5 mm、1.5 mm的最大值的均值E 分別為：905.12、1 671.67、1 938.33；沖擊角度66 °時彈簧壓縮量3 mm、4.5 mm、1.5 mm的最大值的均值分別為：2 548.33、2 915.00、2 494.00；沖擊角度37 °時彈簧壓縮量3 mm、4.5 mm、1.5 mm的第一個波峰值的均值分別為：905.12、1 261.33、983.86；沖擊角度66 °時彈簧壓縮量3 mm、4.5 mm、1.5 mm的第一個波峰值的均值分別為：2 232.67、2 340.00、2 236.67；沖擊角度90 °時均值接近，由以上統計分析可知彈簧壓縮量在3 mm時候減震效果最佳，如圖7中也可以看出彈簧壓縮量在3 mm時的影響度較其它兩種壓縮量時較小,另外結合計算機統計軟件分析得出圖8所示的95 %的置信區間的各彈簧壓縮量的均值沖擊響應圖，也可知壓縮量在3 mm時候，沖擊對臺面造成的響應最小，避震效果最佳（圖8中橫坐標的數據1、2、3分別代表壓縮量級3mm、4.5 mm與1.5 mm）。

圖7 數據采集量值比較

圖8 數據采集量值比較（第一個波峰值）

3.2 結論

本次數據采集以動態分析儀為數字分析設備結合計算機軟件對三種不同彈簧壓縮量級的沖擊數據進行分析，得出在37 °、66 °時3 mm的壓縮量級明顯較其它兩個壓縮量級的數據對被試品的影響程度較小，在90 °時，由于除3 mm以外的其它兩個量級彈簧的倔強系數、變形系數更接近于減震器的極限值，所以影響較接近于3 mm時的彈簧壓縮量級的影響值，甚至較之更好，但此時對試驗設備以及彈簧的損耗率更大，本文的不足之處也正在于此，綜合分析，應當在后續試驗中收集更多的有效數據進行分析，以彌補本次測量的不足。在傳統的環境試驗中結合現代化的數字設備以及數據分析手段，對輕量級沖擊試驗彈簧壓縮量的科學選取與驗證，能大大提高產品強度測試的精度與準確性[3]，同時也在一定意義上使得環境試驗項目規范化流程更加科學。