沖擊與碰撞試驗之緩沖器

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一、緩沖器

緩沖器是形成各種形狀的沖擊脈沖波形的裝置,，是沖擊、碰撞試驗臺的重要組成部分之一,。

1,、形成半正弦和三角形沖擊脈沖的裝置

半正弦和三角形沖擊脈沖通常由各種回彈裝置來產(chǎn)生,。用撞擊質(zhì)量和脈沖形成裝置組合起來模擬典型的無阻尼單自由度的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，沖擊脈沖是該系統(tǒng)的半周振蕩,。沖擊脈沖形成裝置起著彈簧的作用,，使用完全線性的或準線性的彈簧（力與變形成線性關(guān)系）將產(chǎn)生半個正弦脈沖,。逐漸增大非線性硬化彈簧特性能產(chǎn)生近似于三角形的尖脈沖,。

（1）橡膠型。它的脈沖形成裝置是屬于準彈性脈沖形成裝置,，因為是高彈性的,，通常用來產(chǎn)生需要的半正弦脈沖。當變形大時,，就產(chǎn)生三角形脈沖或拋物線尖頂脈沖,。該裝置的材料可用橡膠和類似橡膠的塑料，并且對多次沖擊脈沖是可重復(fù)使用的,。

（2）高強度塑料,。它的脈沖形成裝置是準彈性的脈沖形成裝置，通常用于要求有高的動態(tài)彈性剛度來產(chǎn)生脈沖持續(xù)時間短的半正弦脈沖,。很多高強度塑料都可使用,，例如、聚丙烯,、偏二氮乙烯,、乙酰均聚樹脂和纖維層壓酚醛塑料。通常把脈沖形成裝置的最大應(yīng)力設(shè)計在彈性極限之內(nèi),，所以,，允許重復(fù)使用多次。當這些材料與具有適當線性剛度的材料串壓在一起使用時,，就能產(chǎn)生三角形脈沖,。

（3）液體與準液體彈簧。液體彈簧的脈沖形成裝置是準彈性脈沖形成裝置,，通常用來產(chǎn)生半正弦脈沖,。液體彈簧是個液壓缸，在脈沖形成過程中液體（例如液壓油）在液壓缸里受到壓縮,。改變結(jié)構(gòu)設(shè)計能改變彈簧的剛度,，從而改變脈沖持續(xù)時間和峰值加速度。這種彈簧能重復(fù)使用,，不需要補充液體,。

（4）氣體彈簧（可變力）。它的脈沖形成裝置是一種彈性脈沖形成裝置,，它可以用來產(chǎn)生某些形狀的對稱脈沖,，各種形狀的對稱脈沖的改變?nèi)�決于彈簧初始的預(yù)載或預(yù)載壓力、初始容積及沖擊過程中容積的變化。通常在預(yù)充氣壓力低,、容積大大減�,。ㄏ鄬τ诔跏既莘e而言）的情況下會產(chǎn)生尖脈沖。該裝置常用的氣體是氮氣,。

2,、矩形和梯形脈沖形成裝置

矩形和梯形脈沖要求脈沖形成裝置能施加一個不隨時間（和變形）而變的恒力。這樣的裝置可能是彈性的也可能是非彈性的,。

（1）模鑄的成形鉛體,。模鑄的小鉛球和不同形狀的鉛塊用于制作可壓環(huán)的矩形脈沖形成裝置，這些裝置只限于產(chǎn)生較短的沖擊脈沖,。每次試驗后,，這些鉛球或鉛塊要更換，但鉛可以重新熔化和模制,。

（2）蜂房式,。蜂房式脈沖形成裝置是非彈性的脈沖形成裝置。它可以用金屬材料或纖維材料薄壁盒制成,，這些薄壁盒在受載時被壓壞并產(chǎn)生永久變形,。這種脈沖形成裝置可以做成能產(chǎn)生可控制上升時間的梯形脈沖，每次試驗后峰房要更換,。

（3）氣體彈簧（準恒力）,。氣體彈簧常用于產(chǎn)生矩形或梯形脈沖。這種彈簧的預(yù)充氣壓力通常很高而容積變化很�,。ㄏ鄬τ诔跏既莘e而言）,，在彈簧變形時能產(chǎn)生準恒力。當這種彈簧與橡膠件或液體彈簧串接使用時能產(chǎn)生梯形脈沖,。

電動和液壓伺服振動臺都可以用來產(chǎn)生矩形脈沖,。

3、四分之一正弦形和后峰鋸齒形脈沖形成裝置

用于產(chǎn)生四分之一正弦形脈沖的脈沖形成裝置,，其壓縮彈簧剛度應(yīng)該是線性的,。用于產(chǎn)生后峰鋸齒形的脈沖形成裝置，其壓縮彈簧剛度應(yīng)是非線性的,。當力達到蜂值時,，力的輸出值迅速衰減到零。由于脈沖的不對稱性,，所以,，這些脈沖總是用非回彈裝置來產(chǎn)生。

（1）模鑄的成形鉛體,。模鑄鉛體的脈沖形成裝置是一種非彈性變形型的脈沖形成裝置,。鉛體的形狀決定了沖擊脈沖的形狀。例如，壓扁一個圓錐形鉛體能產(chǎn)生近似鋸齒形的后峰沖擊脈沖,。這種鉛體只能用一次,，因為它的形狀在沖擊時被破壞了，但鉛可以重新熔化并模鑄,。

（2）蜂房式,。不同的蜂房結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生非對稱的脈沖。若蜂房是三棱柱形,，其接觸的橫截面積隨變形的增大,，能產(chǎn)生鋸齒形脈沖,。

（3）變截面的預(yù)充氣氣缸,。這種氣缸與準彈性材料串接使用可以提供恒定或強化彈簧剛度裝置與輸出力快速衰減裝置的綜合系統(tǒng)。脈沖上升時間部分由準彈性材料控制,，而最大加速度幅值和下降時間則由氣缸控制,。

典型的脈沖波形發(fā)生器類別見表4.4.2。

表4.4.2 典型的脈沖波形發(fā)生器類別

4,、各種緩沖器的比較

各種緩沖器的比較見表4.4.3,。表中列舉了從緩沖器的能量、波形,、二次回跳與調(diào)整等方面來對彈性緩沖器和非彈性緩沖器做了詳細的比較,，以供讀者參考。

緩沖器結(jié)構(gòu)形式舉例

（1）彈性緩沖器,。彈性緩沖器大多采用橡膠材料,，在沖擊運動中緩沖器受到的是沖擊力，所以對緩沖器來說,，研究的是沖擊剛度,，沖擊剛度是載荷在高于1m／s的速度沖擊下測得的力和變形之間的關(guān)系。沖擊剛度與靜剛度,、動剛度之間的關(guān)系為

K動=(1.3～2.2)K靜

K沖=(1.5～2.0)K動

表4.4.3 各種緩沖器的比較

橡膠的剛度與橡膠的硬度（彈性模量）,、橡膠的組合情況、橡膠的厚度以及橡膠的打擊面積有關(guān),。所以,，要得到大的脈沖持續(xù)時間時，可以采取軟橡膠甚至海綿,，也可減小像膠的打擊面積,，盡量不使橡膠周圍受到約束使其變形自如。這樣,，剛度不會增大,，也可以增加橡膠的厚度以減小剛度。若要得到小的脈沖持續(xù)時間，情況正好相反,。新的橡膠緩沖器須預(yù)先承受一定次數(shù)的沖擊,，其剛度才趨于穩(wěn)定，這須在使用中逐漸掌握,。

（2）產(chǎn)生半正弦波的立體緩沖器,。這是一種彈性緩沖器，容器內(nèi)充有一定壓力的氣體,。其結(jié)構(gòu)如圖4.4.22所示,。這種緩沖器安裝在沖擊臺工作臺面底部，當沖擊臺向下沖擊時,，緩沖器的沖頭撞擊砧座,，使沖頭向上運動.壓縮容器內(nèi)的氣體產(chǎn)生沖擊脈沖。砧座的材料可以是剛體,，也可以是彈性體,，由于容器內(nèi)氣體受壓且氣體又是彈性體，所以產(chǎn)生的沖擊脈沖波形是半正弦形的,，而且波形也比較好,。

（3）產(chǎn)生三種典型波形的氣體緩沖器。這種緩沖器在容器內(nèi)充有一定壓力的氣體,，結(jié)構(gòu)如圖4.4.23所示,。

當緩沖器沖頭撞擊砧座時，若砧座是彈性體,，其剛度小于容器內(nèi)氣體的剛度時,，沖擊使砧座發(fā)生彈性變形而氣缸內(nèi)的活塞不產(chǎn)生移動，此時產(chǎn)生的沖擊脈沖是半正弦形的,。如果砧座剛度大于氣缸內(nèi)氣體的剛度時,，沖擊使活塞產(chǎn)生移動，活塞上方的氣體在活塞離開初始位置就迅速進入活塞下方,，由于沖擊對臺面產(chǎn)生的作用力突然,，迅速地衰減并接近零（僅有的極小力是由于活塞桿的存在面保留的，一般為原力的1／10）,，此時,，產(chǎn)生的沖擊脈沖是后峰鋸齒脈沖。如果在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上稍做調(diào)整和改進就可以產(chǎn)生梯形脈沖,。

（4）產(chǎn)生后峰鋸齒波形的氣體緩沖器,。這種緩沖器的結(jié)構(gòu)如圖4.4.24所示。緩沖器容器的下腔充有液體,，活塞2上面充有壓力氣體,，利用液體的節(jié)流作用,，使力-變形曲線呈非線性，這樣,，波形的前沿呈直線上升狀態(tài),，壓力增大到一定程度（即沖擊時沖頭向上運動壓縮下腔的液體使壓力增加），使活塞1向上移動產(chǎn)生間隙時,，液體迅速流入活塞2下方,，使工作臺受的力降到接近零，則產(chǎn)生后峰鋸齒形脈沖,。

（5）液壓緩沖器,。這種緩沖器可產(chǎn)生后峰鋸齒波．如圖4.4.25所示。在活塞腔內(nèi)充滿液體,，沖擊時,，活塞向上運動，液體從中間節(jié)流孔流入活塞2下方的腔內(nèi),，產(chǎn)生的力-變形曲線是非線性的,，當活塞1向上移時,，活塞1上方的液體迅速流向活塞1的下方（活塞D＝D1＜D2）,，使工作臺所受力迅速下降至接近零，從而產(chǎn)生后峰鋸齒波,。

二,、強碰撞沖擊試驗機

這是一種規(guī)定沖擊機試驗的試驗設(shè)備，又稱沖擊機規(guī)范,。這種試驗主要用于考核電工電子產(chǎn)品經(jīng)受非接觸性水下爆炸,、空中爆炸、近距離脫靶炮火等沖擊影響的適應(yīng)性和結(jié)構(gòu)完好性,。

艦載電工電子產(chǎn)品在使用和運輸過程中可能遇到的沖擊條件有：艦載各種火炮（包括導(dǎo)彈）單發(fā)和齊發(fā)所激起的局部沖擊,，其中包括大炮炮口的沖擊波（又稱氣浪沖擊）；敵方炮彈,、導(dǎo)彈和空中武器在艦船上方附近爆炸所激起的沖擊,；自投式敵敵方攻擊的水中兵器，如水雷,、魚雷,、深水炸彈在緊靠船體下方爆炸所激起的非接觸性水中爆炸沖擊等。

上述這些沖擊有的是直接作用在產(chǎn)品上,，有的是通過船體本身結(jié)構(gòu)的傳遞作用在產(chǎn)品上,。通常安裝在甲板、舷側(cè)板和上層設(shè)施上的電工電子產(chǎn)品易受到炮彈,、炸彈,、導(dǎo)彈等空中爆炸的沖擊,。這些沖擊往往使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能受到很大的影響，甚至被破壞,。隨著艦載各種產(chǎn)品愈來愈多,，而且愈來愈依賴它們的作用，因而對它們的使用可靠性要求也愈來愈高,，為了保證艦船電工電子產(chǎn)品的可靠使用,，為了保證在海上航行時生命財產(chǎn)的安全，特別是對參與戰(zhàn)斗的艦船,，為了保證不貽誤戰(zhàn)機,，必須在試驗室內(nèi)重現(xiàn)上述沖擊的影響，必須對產(chǎn)品進行考核,。

英國首先著手進行艦載設(shè)備在室內(nèi)模擬受到水下爆炸沖擊的影響的,，英國從第二次世界大戰(zhàn)早期的戰(zhàn)爭損壞報告中得知，非接觸性水雷和大型空投炸彈所產(chǎn)生的沖擊負荷導(dǎo)致了艦載設(shè)備的大量損壞,，為了減少這種損壞,，英國于1939年初首先研制出了適用于艦船輕型設(shè)備沖擊試驗用的沖擊機。由于這種試驗機在當時較好地起到了提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用,，因此,、美國于1940年就進行了仿制，設(shè)計制造了第一臺輕量級強碰撞沖擊試驗機,，接著又于1942年研制出了中量級強碰撞沖擊試驗機,，隨后前蘇聯(lián)、日本也相繼仿造出上述兩種設(shè)備,。美國在此之后不僅做了大量的理論研究,，而且通過試驗對理論進行了充分的論證，并以標準的形式規(guī)定下來,。我國的船用電機電器設(shè)備自1966年以來就一直以這種強碰撞沖擊試驗作為沖擊試驗考核標準,，從1983年開始，艦船電子設(shè)備也以這樣的強碰撞沖擊試驗作為沖擊考核,。GJB4.1,，GJB150和BJB360中都規(guī)定了強碰撞沖擊試驗方法。

現(xiàn)場遇到的沖擊一般可分為簡單沖擊和復(fù)雜沖擊,，水下和空中爆炸所產(chǎn)生的沖擊是十分復(fù)雜的,、呈現(xiàn)瞬態(tài)振動的形式，其沖擊持續(xù)時間遠比一般沖擊要長得多,，而且很難用數(shù)學(xué)形式來描述它或者用一種具有數(shù)學(xué)形式的沖擊來模擬它或模擬它對產(chǎn)品的影響,。艦船用電工電子產(chǎn)品一般都具有重量大、體積大的特點,，若用規(guī)定脈沖波形的沖擊機來進行試驗,，一方面模擬不出爆炸所產(chǎn)生的那種大加速,、長持續(xù)過程的復(fù)雜沖擊或其影響；另一方面,，這種沖擊機與強碰撞沖擊機相比易受負載本身特性的影響,，強碰撞沖擊機就是針對受到劇烈的、但又不是毀滅性的爆炸所產(chǎn)生的影響而設(shè)計的,。爆炸引起的劇烈沖擊能使整個船體運動,，所以，這種試驗方法特別適用于安裝在艙壁或甲板上的設(shè)備,。就試驗的再現(xiàn)性而言,，這種沖擊機不如規(guī)定脈沖波形的沖擊機，但大量使用表明,，用這種試驗機對產(chǎn)品試驗所得的結(jié)果與現(xiàn)場爆炸對產(chǎn)品造成的損壞和失效是一致的,。

強碰撞沖擊機是一種規(guī)定試驗機的試驗方法，其特點是將試驗機的結(jié)構(gòu),、尺寸,、運動、操作方法都以標準的形式規(guī)定下來,。目前,，我國國家軍用標準規(guī)定的試驗機有3種形式，即輕量級試驗設(shè)備（見圖4.4.26和圖4.4.27）,、中量級試驗設(shè)備（見圖4.4.28）和重量級試驗設(shè)備（見圖4.4.29),。

輕量級強碰撞沖擊機主要由固定被試驗樣品用的試驗砧板、垂直落下的落錘和圓弧擺動的擺錘組成,。試驗時，通過落錘和擺錘自由下落的能量給砧板以沖擊負荷,，然后由砧板直接或通過過渡架傳遞到試驗樣品上,。砧板在正常安裝位置時受落錘的垂向沖擊，當繞垂直軸轉(zhuǎn)動90°成側(cè)向沖擊位置時將受擺錘的側(cè)向沖擊,。這樣就可使試驗樣品受到三個相互垂直方向的沖擊,。

中量級強碰撞沖擊機主要由擺錘、砧板和工作臺等組成,，試驗時通過安裝架固定試驗樣品,，擺錘擺動撞擊工作臺砧座，將能量傳遞給試驗樣品,。試驗樣品的安裝為水平安裝和傾斜安裝,。

重量級試驗設(shè)備是通過浮動沖擊平臺安裝固定試驗樣品并經(jīng)受水下爆炸試驗。

來源：《力學(xué)環(huán)境試驗技術(shù)》

遠祥

這種有視頻來講解映像才更深刻

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馬云龍

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馬云龍

學(xué)到了

機械學(xué)徒工2

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