沖擊與碰撞試驗(yàn)之緩沖器

gaoshengdianzi

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(yàn)臺(tái)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(zhǔn)線性的彈簧（力與變形成線性關(guān)系）將產(chǎn)生半個(gè)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(zhǔn)彈性脈沖形成裝置,，因?yàn)槭歉邚椥缘�,，通常用來產(chǎn)生需要的半正弦脈沖。當(dāng)變形大時(shí),，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(duì)多次沖擊脈沖是可重復(fù)使用的,。

（2）高強(qiáng)度塑料,。它的脈沖形成裝置是準(zhǔn)彈性的脈沖形成裝置，通常用于要求有高的動(dòng)態(tài)彈性剛度來產(chǎn)生脈沖持續(xù)時(shí)間短的半正弦脈沖,。很多高強(qiáng)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(jì)在彈性極限之內(nèi),，所以,，允許重復(fù)使用多次。當(dāng)這些材料與具有適當(dāng)線性剛度的材料串壓在一起使用時(shí),，就能產(chǎn)生三角形脈沖,。

（3）液體與準(zhǔn)液體彈簧,。液體彈簧的脈沖形成裝置是準(zhǔn)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(gè)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(jì)能改變彈簧的剛度,，從而改變脈沖持續(xù)時(shí)間和峰值加速度,。這種彈簧能重復(fù)使用，不需要補(bǔ)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(duì)稱脈沖,，各種形狀的對(duì)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�(duì)于初始容積而言）的情況下會(huì)產(chǎn)生尖脈沖。該裝置常用的氣體是氮?dú)狻?/font>

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(gè)不隨時(shí)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(yàn)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(shí)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(shí)間的梯形脈沖,，每次試驗(yàn)后峰房要更換。

（3）氣體彈簧（準(zhǔn)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小（相對(duì)于初始容積而言）,，在彈簧變形時(shí)能產(chǎn)生準(zhǔn)恒力,。當(dāng)這種彈簧與橡膠件或液體彈簧串接使用時(shí)能產(chǎn)生梯形脈沖。

電動(dòng)和液壓伺服振動(dòng)臺(tái)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(dāng)力達(dá)到蜂值時(shí)，力的輸出值迅速衰減到零,。由于脈沖的不對(duì)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(gè)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?yàn)樗�的形狀在沖擊時(shí)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(duì)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(zhǔn)彈性材料串接使用可以提供恒定或強(qiáng)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(shí)間部分由準(zhǔn)彈性材料控制，而最大加速度幅值和下降時(shí)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(duì)彈性緩沖器和非彈性緩沖器做了詳細(xì)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(yùn)動(dòng)中緩沖器受到的是沖擊力,，所以對(duì)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(cè)得的力和變形之間的關(guān)系,。沖擊剛度與靜剛度,、動(dòng)剛度之間的關(guān)系為

K動(dòng)=(1.3～2.2)K靜

K沖=(1.5～2.0)K動(dòng)

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(shí)間時(shí),，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(huì)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(shí)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(tái)工作臺(tái)面底部,，當(dāng)沖擊臺(tái)向下沖擊時(shí)，緩沖器的沖頭撞擊砧座,，使沖頭向上運(yùn)動(dòng).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(dāng)緩沖器沖頭撞擊砧座時(shí),，若砧座是彈性體，其剛度小于容器內(nèi)氣體的剛度時(shí),，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(dòng),，此時(shí)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(shí)，沖擊使活塞產(chǎn)生移動(dòng),，活塞上方的氣體在活塞離開初始位置就迅速進(jìn)入活塞下方,，由于沖擊對(duì)臺(tái)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(shí)，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(jìn)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(shí)沖頭向上運(yùn)動(dòng)壓縮下腔的液體使壓力增加）,，使活塞1向上移動(dòng)產(chǎn)生間隙時(shí)，液體迅速流入活塞2下方,，使工作臺(tái)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(shí),，活塞向上運(yùn)動(dòng)，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(dāng)活塞1向上移時(shí)，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(tái)所受力迅速下降至接近零,，從而產(chǎn)生后峰鋸齒波。

二,、強(qiáng)碰撞沖擊試驗(yàn)機(jī)

這是一種規(guī)定沖擊機(jī)試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備,，又稱沖擊機(jī)規(guī)范。這種試驗(yàn)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(yùn)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(duì)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(shí)生命財(cái)產(chǎn)的安全,，特別是對(duì)參與戰(zhàn)斗的艦船，為了保證不貽誤戰(zhàn)機(jī),，必須在試驗(yàn)室內(nèi)重現(xiàn)上述沖擊的影響,，必須對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行考核。

英國(guó)首先著手進(jìn)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(guó)從第二次世界大戰(zhàn)早期的戰(zhàn)爭(zhēng)損壞報(bào)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(fù)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(guó)于1939年初首先研制出了適用于艦船輕型設(shè)備沖擊試驗(yàn)用的沖擊機(jī),。由于這種試驗(yàn)機(jī)在當(dāng)時(shí)較好地起到了提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用，因此,、美國(guó)于1940年就進(jìn)行了仿制,，設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)輕量級(jí)強(qiáng)碰撞沖擊試驗(yàn)機(jī)，接著又于1942年研制出了中量級(jí)強(qiáng)碰撞沖擊試驗(yàn)機(jī),，隨后前蘇聯(lián),、日本也相繼仿造出上述兩種設(shè)備。美國(guó)在此之后不僅做了大量的理論研究,，而且通過試驗(yàn)對(duì)理論進(jìn)行了充分的論證,，并以標(biāo)準(zhǔn)的形式規(guī)定下來,。我國(guó)的船用電機(jī)電器設(shè)備自1966年以來就一直以這種強(qiáng)碰撞沖擊試驗(yàn)作為沖擊試驗(yàn)考核標(biāo)準(zhǔn)，從1983年開始,，艦船電子設(shè)備也以這樣的強(qiáng)碰撞沖擊試驗(yàn)作為沖擊考核,。GJB4.1，GJB150和BJB360中都規(guī)定了強(qiáng)碰撞沖擊試驗(yàn)方法,。

現(xiàn)場(chǎng)遇到的沖擊一般可分為簡(jiǎn)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(dòng)的形式,，其沖擊持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)比一般沖擊要長(zhǎng)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(duì)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(diǎn),，若用規(guī)定脈沖波形的沖擊機(jī)來進(jìn)行試驗(yàn)，一方面模擬不出爆炸所產(chǎn)生的那種大加速,、長(zhǎng)持續(xù)過程的復(fù)雜沖擊或其影響,；另一方面，這種沖擊機(jī)與強(qiáng)碰撞沖擊機(jī)相比易受負(fù)載本身特性的影響,，強(qiáng)碰撞沖擊機(jī)就是針對(duì)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(jì)的。爆炸引起的劇烈沖擊能使整個(gè)船體運(yùn)動(dòng),，所以,，這種試驗(yàn)方法特別適用于安裝在艙壁或甲板上的設(shè)備。就試驗(yàn)的再現(xiàn)性而言,，這種沖擊機(jī)不如規(guī)定脈沖波形的沖擊機(jī),，但大量使用表明，用這種試驗(yàn)機(jī)對(duì)產(chǎn)品試驗(yàn)所得的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)爆炸對(duì)產(chǎn)品造成的損壞和失效是一致的,。

強(qiáng)碰撞沖擊機(jī)是一種規(guī)定試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)方法,，其特點(diǎn)是將試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)、尺寸,、運(yùn)動(dòng),、操作方法都以標(biāo)準(zhǔn)的形式規(guī)定下來,。目前,，我國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)機(jī)有3種形式，即輕量級(jí)試驗(yàn)設(shè)備（見圖4.4.26和圖4.4.27）,、中量級(jí)試驗(yàn)設(shè)備（見圖4.4.28）和重量級(jí)試驗(yàn)設(shè)備（見圖4.4.29),。

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

中量級(jí)強(qiáng)碰撞沖擊機(jī)主要由擺錘,、砧板和工作臺(tái)等組成,，試驗(yàn)時(shí)通過安裝架固定試驗(yàn)樣品，擺錘擺動(dòng)撞擊工作臺(tái)砧座,，將能量傳遞給試驗(yàn)樣品,。試驗(yàn)樣品的安裝為水平安裝和傾斜安裝。

重量級(jí)試驗(yàn)設(shè)備是通過浮動(dòng)沖擊平臺(tái)安裝固定試驗(yàn)樣品并經(jīng)受水下爆炸試驗(yàn),。

來源：《力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)》

遠(yuǎn)祥

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馬云龍

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馬云龍

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機(jī)械學(xué)徒工2

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