小型強沖擊試驗機氣動彈射裝置動態特性研究

李洛洛 喬赫廷 閆 明

（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

抗沖擊試驗來源于海戰，西方國家在發現抗沖擊性對船體的重要性后，開始對抗沖擊試驗進行研究，研究方法包括實船水下爆炸試驗、虛擬沖擊試驗和沖擊試驗機試驗。由于抗沖擊試驗危險程度較高，各國把沖擊試驗機作為進行抗沖擊試驗的主要方法［1］。沖擊試驗機可代替周圍環境對設備產生人為的或非人為的沖擊效果［2］。自西方國家發明出第一臺輕型沖擊試驗機以來，前兩代都是擺錘式的。20 世紀90 年代末，第三代沖擊試驗機問世，通過對被測試件產生正負加速度脈沖，從而模擬真實情況下水下爆炸產生的沖擊和由水下爆炸產生的氣泡脈動作用［3-6］。現有沖擊試驗機的體積與性能基本成正比，隨著熱武器的不斷發展，依靠重力勢能作為動力來源的擺錘式或自由下落式小型試驗機的速度和加速度峰值已無法滿足發展需求。對此，本研究提出一種小型強沖擊試驗機系統的實現方案，建立氣缸彈射過程的數學模型，并對其進行AMESIM 仿真。

1 小型強沖擊試驗機

小型強沖擊試驗機及系統方案如圖1 所示。小型強沖擊試驗系統的動力來源、試驗臺的升降、鎖緊器的工作和碰撞后的制動防止二次碰撞等動作是依靠氣動控制系統來完成的。傳感器將采集到的速度和加速度信號傳遞給電控系統，電控系統對信號進行收集與分析，分別輸出至PC 端和相應的執行端口，PC 端將信號進行可視化處理，并生成沖擊波形、速度和加速度等試驗結果。

圖1 小型強沖擊試驗機及系統方案

小型強沖擊試驗機的基本構成部分如圖2 所示。通過夾具將試件緊固在試驗臺表面，將試驗臺提升至一定高度后，通過鎖緊器進行鎖緊，當壓縮空氣進入有桿腔并達到一定壓力后，鎖緊器松開，試驗臺在活塞桿的帶動下加速下落。當試驗臺底部與波形發生器發生碰撞時，由于非完全彈性碰撞，試驗臺會受到一個豎直方向的沖擊激勵，沖擊激勵再由試驗臺傳導給試件，從而完成針對試件的沖擊試驗。在碰撞發生前后，高壓氣體由儲氣罐通過電磁閥進入下腔，使氣動彈射裝置反向運動，防止試驗臺與波形發生器發生二次碰撞。

圖2 小型強沖擊試驗機示意

2 氣動彈射裝置工作流程及數學模型

2.1 氣動彈射裝置工作流程

小型強沖擊試驗機氣動彈射裝置主要為試驗臺高速運動提供動力，使試驗臺在短時間內加速，用以撞擊波形發生器。沖擊試驗機氣動系統原理如圖3所示。

圖3 沖擊試驗機氣動系統原理

2.1.1 沖擊過程。電磁閥在得到信號后，打開閥門，分別給兩個儲氣罐充氣，其中一個儲氣罐與氣缸有桿腔連通。此時，高壓氣體不僅儲存在儲氣罐中，也直接作用在氣缸的桿腔中。當壓力達到預定值后會發出信號，電磁閥停止工作，閥門轉變工作狀態，停止對儲氣罐和有桿腔的充氣。電控系統發出信號，鎖緊器得電，松開活塞桿，此時儲氣罐中的高壓氣體與氣缸有桿腔相連通，氣缸無桿腔通過電磁閥與大氣相連通，由于兩腔存在極大的壓強差，所以活塞桿帶動試驗臺和試件高速向下，與波形發生器發生撞擊。

2.1.2 回彈及鎖緊過程。為取得更好的碰撞效果，必須防止試驗臺發生二次碰撞。當試驗臺與波形發生器撞擊完成時，電控系統給電磁閥發出信號，閥門打開，高壓氣體由儲氣罐通過電磁閥、手動換向閥和截止閥進入無桿腔，氣體作用于活塞桿，促使活塞桿帶動試驗臺向上運動，延時一段時間后，電磁閥得到信號，閥門打開，有桿腔通過電磁閥和大氣相連，實現節流調速，使其低速伸出，直至活塞桿完全伸出達到缸底。當活塞桿完全伸出后，電控系統給電磁閥發出信號，閥門轉變工作狀態，由閉到開，鎖緊器再次固定住活塞桿，一次試驗結束。

氣動系統以氣體為傳遞動力和信號的介質，氣動彈射裝置是小型強沖擊試驗機系統中非常重要的一部分，關系到沖擊試驗機的性能指標。因此，要對氣動彈射裝置進行動力學分析。

2.2 氣動彈射裝置數學模型

由氣動系統工作流程可知，氣缸在鎖緊器松開前，有桿腔都處在不斷加壓過程中。當鎖緊器松開后，活塞會在壓差作用下帶動活塞桿及試驗臺迅速向下沖擊，這與沖擊氣缸的工作原理相似，任何氣缸的沖擊過程都可看成是活塞的變速運動和有桿腔及無桿腔兩腔室充放氣的過程。根據氣動基礎理論和活塞的運動特性，需要對氣動彈射裝置中氣缸活塞的運動學方程和理想氣體狀態方程進行分析［7-8］。

2.2.1 氣動彈射裝置的運動學方程。根據沖擊氣缸的工作原理，并結合牛頓加速度定律可知，氣動彈射裝置運動過程見式（1）。

式中：m為活塞組件質量總和，kg；x為有效移動距離，m；v為彈射的瞬時速度，m∕s；t為彈射運動時間，s；A塞為活塞面積，mm2；A桿為有桿腔的相對作用面積，mm2；P塞為氣缸運行過程中無桿腔瞬時絕對壓力，MPa；P桿為缸運行過程中有桿腔瞬時絕對壓力，MPa；f為彈射裝置運行時的摩擦力，N，可不計。

2.2.2 氣動彈射裝置內氣缸普適氣體定律。氣缸內氣體處于壓縮狀態下是一個熱力學變化過程，絕熱條件下普適氣體定律見式（2）。

式中：p為絕對壓力，MPa；v為氣體體積，m3；k為絕熱指數，k=1.4；C為常數。

由式（2）可知，在氣動彈射裝置運行過程中，活塞的運動、儲氣罐的初始壓力和體積、氣缸兩個腔室的壓力和容積的關系見式（3）、式（4）。

式中：P儲為儲氣罐壓力，等同于氣源壓力Ps，MPa；P桿＇為有桿腔初始絕對壓力，MPa；V儲為儲氣罐容量，m3；V塞為無桿腔瞬時容積，m3；V桿為有桿腔瞬時容積，m3；V桿＇為氣動彈射裝置在準備狀態時有桿腔容積，m3；L為儲氣罐長度，m；L＇為有桿腔長度，m；x為氣缸彈射距離，m。

將式（2）、式（3）、式（4）代入式（1）中，見式（5）。

將仿真參數代入到上述公式（6）中求得C，即氣缸還未啟動，活塞位移與速度都為0，將所求的常數C代入式（6）中，見式（7）。

根據動能定理可得氣動彈射裝置的沖擊功，見式（8）。

式（7）和式（8）反映了氣動彈射裝置設計參數與動態性能之間的實際關系。因對氣動彈射裝置進行結構優化，氣缸無桿腔與大氣相通，始終為大氣壓力，即式（1）中的P桿=0.1 MPa，將其代入式（1）和式（3）中，可得氣動彈射裝置設計參數與動態性能之間的關系，見式（9）、式（10）。

3 仿真結果

使用AMESIM 軟件和MATLAB 對小型強沖擊試驗機氣動彈射裝置進行建模分析，相關參數見表1，仿真模型如圖4 所示。仿真結果如圖5 到圖8所示。

表1 仿真參數

圖4 氣動彈射裝置AMESIM仿真模型

圖5 氣缸活塞的速度曲線

由圖5、圖6 可知，撞擊速度達到最低的技術要求（7 m∕s），且通過對氣缸合理的壓力控制，可在撞擊回彈后，迅速實現制動且制動效果理想，無二次碰撞。由圖7、圖8 可知，由于采用無桿腔快排結構，沒有背壓的限制，根據曲線斜率可以看出，活塞在整個行程中，氣缸活塞始終為加速狀態，氣缸彈射系統的性能明顯優于普通氣缸。

圖6 氣缸活塞的位移曲線

圖7 氣缸沖擊速度—活塞位移曲線

圖8 氣缸沖擊速度—工作壓力曲線

4 結語

仿真結果表明，采用氣缸彈射系統驅動試驗臺與波形器發生碰撞的方式，可滿足技術要求。在確保試驗機穩定安全的條件下，可通過改變氣源壓力及儲氣罐容積，對試驗臺的碰撞速度予以調節。該裝置采用分別具有有桿腔和無桿腔的兩個儲氣罐來提供壓力及無桿腔快排的結構，避免因氣缸強沖擊而無法制動產生二次碰撞的問題及普通氣缸因背壓原因，導致沖擊性能打折，不能有效利用沖擊行程的問題。

目前，設備所受脈沖上限越來越強，限于場地及成本因素，針對小型設備的高脈沖沖擊試驗機已被廣泛應用。因此，本研究提出了新型小型強沖擊試驗機，并對其進行動力學建模及系統仿真分析，為以后沖擊試驗機研究提供參考。