一種氣動(dòng)式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

沈志強(qiáng)，晏廷飛，焦安超，羅 紀(jì)，朱子宏，王 磊

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 引言

航天器在發(fā)射段會(huì)經(jīng)歷振動(dòng)、噪聲、沖擊等力學(xué)環(huán)境，其中沖擊環(huán)境主要由火工裝置解鎖產(chǎn)生的爆炸沖擊造成。為保證航天產(chǎn)品可靠性，需在研制階段進(jìn)行有關(guān)爆炸沖擊環(huán)境試驗(yàn)的考核。

GJB 1027A 要求用沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)代替經(jīng)典沖擊試驗(yàn)?zāi)M爆炸沖擊，對(duì)設(shè)備能力要求進(jìn)一步提高[1-2]。目前航天器沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)主要通過(guò)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)和機(jī)械式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)兩種方式實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)模擬沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)具有快速、易調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，但是振動(dòng)臺(tái)本身具有一定限制：只能進(jìn)行低量級(jí)沖擊試驗(yàn)，通常在1000g以下；如進(jìn)行高量級(jí)沖擊試驗(yàn)，則易對(duì)振動(dòng)臺(tái)的功放及臺(tái)體造成損傷。用機(jī)械式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行模擬試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)方式有擺錘式?jīng)_擊和跌落式?jīng)_擊[3-4]。這兩種方式均不能實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量產(chǎn)品高量級(jí)沖擊響應(yīng)譜模擬。國(guó)內(nèi)較好的擺錘式?jīng)_擊臺(tái)的臺(tái)面尺寸約為1 m×1 m，最大負(fù)載為100 kg，滿載時(shí)最大量級(jí)為2000g。如果產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到200 kg，對(duì)于量級(jí)＞2000g的沖擊試驗(yàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械式?jīng)_擊臺(tái)很難滿足[5]。而對(duì)于氣動(dòng)式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，目前國(guó)內(nèi)外都采用的是單氣缸試驗(yàn)技術(shù)，沒(méi)有儲(chǔ)氣缸作為支持，不能持續(xù)供應(yīng)壓力，不能確保沖擊速度，所以只能驅(qū)動(dòng)諧振桿撞擊小型臺(tái)面，獲得的沖擊量級(jí)也有限[6]。因此，開(kāi)發(fā)新型沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)系統(tǒng)以滿足大型航天器產(chǎn)品沖擊模擬試驗(yàn)的需求勢(shì)在必行。

本文給出成功研制的氣動(dòng)式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、關(guān)鍵技術(shù)和性能測(cè)試結(jié)果。該系統(tǒng)采用雙沖擊氣缸、雙儲(chǔ)氣缸，以及沖擊錘體自適應(yīng)技術(shù)和臺(tái)面復(fù)位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)大質(zhì)量產(chǎn)品高量級(jí)沖擊響應(yīng)譜模擬。

1 氣動(dòng)式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

氣動(dòng)式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：臺(tái)面尺寸≥1200 mm×1200 mm；最大響應(yīng)加速度為5000g（Q=10）；最大負(fù)載質(zhì)量為200 kg；上升斜率為6～9 dB/oct；拐點(diǎn)范圍為500～1500 Hz；有效波形持續(xù)時(shí)間≤25 ms；沖擊響應(yīng)譜滿足GJB 1027A[1]及GJB 150A[7]試驗(yàn)規(guī)范。

1.2 基本理論

沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為若干個(gè)單自由度彈簧–質(zhì)量系統(tǒng)；對(duì)每個(gè)單自由度系統(tǒng)進(jìn)行沖擊響應(yīng)譜計(jì)算分析，可取得其響應(yīng)的最大值；該最大值和單自由度系統(tǒng)的固有頻率組成一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，將這些點(diǎn)加以合成，就可以得到?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的響應(yīng)譜模型[8]。其原理如圖1所示。

圖1 水平?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)拆分為多個(gè)單自由度模型Fig.1 The multiple single-freedom model of the pneumatic test system for SRSsimulation

圖2是一條標(biāo)準(zhǔn)的沖擊響應(yīng)譜曲線。判斷一條曲線是否滿足要求，主要依據(jù)該曲線是否接近標(biāo)準(zhǔn)曲線，且在標(biāo)準(zhǔn)要求的容差范圍內(nèi)；同時(shí)還會(huì)要求50%的數(shù)值大于參考譜。從圖2的標(biāo)準(zhǔn)譜中可以看出，沖擊響應(yīng)譜的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)有最大量級(jí)、上升斜率和拐點(diǎn)頻率。因而諧振臺(tái)面和沖擊組件的設(shè)計(jì)是氣動(dòng)式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)研制的重點(diǎn)[9-10]。

圖2 沖擊響應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)曲線示意Fig.2 The specification curve for SRS

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的氣動(dòng)式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)系統(tǒng)的基本工作原理是：利用壓縮空氣推動(dòng)沖擊質(zhì)量塊撞擊諧振臺(tái)面，使諧振板產(chǎn)生類似于爆炸沖擊的衰減正弦波響應(yīng)。

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由基座、諧振臺(tái)面、臺(tái)面緩沖氣缸、沖擊錘體復(fù)位氣缸、沖擊錘體（含錘頭和質(zhì)量塊）、氣缸組件等組成，如圖3所示。諧振臺(tái)面為受試產(chǎn)品提供安裝接口，并產(chǎn)生滿足要求的沖擊響應(yīng)譜；氣缸組件為試驗(yàn)系統(tǒng)提供沖擊所需能量；沖擊錘體在氣缸組件作用下高速運(yùn)動(dòng)撞擊諧振臺(tái)面。

圖3 氣動(dòng)沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the pneumatic test system for simulating shock response spectrum

1.3.1 諧振臺(tái)面設(shè)計(jì)

諧振臺(tái)面設(shè)計(jì)主要考慮負(fù)載質(zhì)量、臺(tái)面尺寸、試驗(yàn)量級(jí)和拐點(diǎn)頻率等指標(biāo)，以及諧振臺(tái)面的拐點(diǎn)頻率可調(diào)。當(dāng)在拐點(diǎn)頻率附近諧振臺(tái)面具有模態(tài)頻率時(shí)，再調(diào)整撞擊能量和波形發(fā)生器的類型才有可能達(dá)成目標(biāo)的沖擊響應(yīng)譜。

利用有限元分析軟件，可計(jì)算不同厚度的諧振臺(tái)面與不同數(shù)量的導(dǎo)軌和滑塊連接時(shí)的模態(tài)頻率。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，諧振臺(tái)面響應(yīng)應(yīng)在500～1500 Hz 內(nèi)拐點(diǎn)可調(diào)，諧振臺(tái)面的一階固有頻率應(yīng)低于500 Hz。在3000 Hz 以內(nèi)，模態(tài)數(shù)越多對(duì)實(shí)現(xiàn)沖擊響應(yīng)譜越有利?；谟邢拊治鼋Y(jié)果，比較相同厚度臺(tái)面不同連接方式的模態(tài)頻率數(shù)，可以確定臺(tái)面導(dǎo)軌的連接方式；然后可進(jìn)一步計(jì)算不同厚度諧振臺(tái)面的頻率響應(yīng)并進(jìn)行響應(yīng)譜分析，從而得到響應(yīng)最大的臺(tái)面厚度。

按上述方法，本文設(shè)計(jì)的諧振臺(tái)面尺寸為1.25 m（長(zhǎng)）×1.25 m（寬）。通過(guò)計(jì)算，選定諧振臺(tái)面厚度為90 mm。此臺(tái)面采用三導(dǎo)軌六滑塊安裝方式，可滿足拐點(diǎn)頻率在500～1500 Hz 范圍內(nèi)可調(diào)的要求。

1.3.2 沖擊組件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)沖擊組件使用的是雙沖擊氣缸、雙儲(chǔ)氣缸技術(shù)。儲(chǔ)氣缸與空壓機(jī)相連。試驗(yàn)開(kāi)始前，根據(jù)需要調(diào)整儲(chǔ)氣缸其他壓力；試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，儲(chǔ)氣缸與沖擊氣缸形成連通，通過(guò)活塞推桿推動(dòng)沖擊質(zhì)量塊運(yùn)動(dòng)。根據(jù)式(1)所描述的沖擊錘質(zhì)量mc、沖擊氣缸的直徑d、沖擊錘運(yùn)動(dòng)行程S之間的關(guān)系，可獲得沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)所需能量[11]。

式中：ξ為碰撞過(guò)程中的能量損耗；δ為修正因子；μ為沖擊組件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦系數(shù)；mt為諧振板及產(chǎn)品質(zhì)量；P0為開(kāi)始時(shí)刻儲(chǔ)氣缸壓力；Pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；Anmax為峰值加速度。

1.3.3 沖擊錘自適應(yīng)復(fù)位技術(shù)

傳統(tǒng)的擺錘沖擊臺(tái)由液壓馬達(dá)和電磁離合器組成，通過(guò)兩個(gè)齒輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。此類沖擊臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，選擇馬達(dá)時(shí)需要考慮壓力、排量、轉(zhuǎn)矩、效率、轉(zhuǎn)速以及啟動(dòng)/制動(dòng)性能。本設(shè)計(jì)中采用沖擊錘體復(fù)位氣缸，使用電磁閥控制復(fù)位。電磁閥工作時(shí)，氣缸活塞推桿可在沖擊錘體撞擊臺(tái)面的瞬間伸出，推動(dòng)沖擊錘回位，并可根據(jù)撞擊速度調(diào)整伸出的延遲時(shí)間，精確到ms級(jí)；電磁閥不工作時(shí)，氣缸活塞桿縮回復(fù)位。同時(shí)，由于沖擊錘體被瞬間推回原位，所以錘體復(fù)位氣缸還能起到防二次撞擊的作用。

1.3.4 臺(tái)面復(fù)位技術(shù)

大型沖擊模擬試驗(yàn)的沖擊力通常很大，因此如何限位臺(tái)面緩沖，且如何快速簡(jiǎn)單地使臺(tái)面復(fù)位，是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵及難點(diǎn)之一。本文中氣動(dòng)式?jīng)_擊響應(yīng)譜模擬系統(tǒng)的研制方案是將合適的氣缸固定在諧振臺(tái)面的兩側(cè)，利用氣缸的回復(fù)力幫助臺(tái)面限位，并且通過(guò)它可以用手動(dòng)換向閥來(lái)進(jìn)行控制：當(dāng)換向閥換到一邊時(shí)，限位氣缸活塞桿縮回，諧振臺(tái)面被拉出，這時(shí)可以更換沖擊底座上的波形墊；當(dāng)波形墊換好后，再將換向閥換到另一邊，活塞桿升出，諧振臺(tái)面回位，壓住波形墊。該臺(tái)面復(fù)位技術(shù)具備快速、簡(jiǎn)便、實(shí)用的特點(diǎn)。

2 氣動(dòng)式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)性能測(cè)試及分析

結(jié)合設(shè)計(jì)要求及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)加工完成后氣動(dòng)沖擊臺(tái)的沖擊重復(fù)效果、臺(tái)面均勻性、試驗(yàn)量級(jí)能力、拐點(diǎn)頻率、上升段斜率、沖擊振蕩衰減持續(xù)的時(shí)間及負(fù)載等進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1）沖擊重復(fù)性效果驗(yàn)證：在相同的條件下（沖擊氣體的壓力、波形墊不變）作多次沖擊，比較獲得的沖擊譜的重復(fù)程度。測(cè)試結(jié)果如圖4所示，調(diào)試曲線基本一致，重復(fù)性較好。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)重復(fù)性測(cè)試結(jié)果Fig.4 The repeatability of test results of the system

2）諧振臺(tái)面均勻性測(cè)試：在臺(tái)面前后左右及中心位置粘貼測(cè)量傳感器，不同位置的沖擊響應(yīng)譜函數(shù)曲線，結(jié)果如圖5所示?？梢?jiàn)，不同位置的測(cè)量曲線重復(fù)性較好，且各曲線之間的誤差不超過(guò)±6 dB，表明諧振臺(tái)面均勻性較好。

圖5 諧振臺(tái)面均勻性測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of uniformity of the resonancetable

3）試驗(yàn)量級(jí)測(cè)試：調(diào)整氣源壓力控制沖擊錘頭的速度，得到了試驗(yàn)量級(jí)分別為600g、800g、1000g、2000g、3000g、4000g、5000g和8000g的測(cè)試曲線，均能滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

4）拐點(diǎn)頻率及上升段斜率測(cè)試：在沖擊臺(tái)臺(tái)面的前端、撞擊板和沖擊錘頭上粘貼不同厚度的波形阻尼墊，沖擊錘頭撞擊諧振臺(tái)面，獲得了拐點(diǎn)頻率分別為500 Hz、600 Hz、800 Hz、1000 Hz、1200 Hz和1500 Hz 的調(diào)試曲線，實(shí)現(xiàn)了上升段斜率+6～+9 dB可調(diào)。

5）沖擊持續(xù)時(shí)間測(cè)試：對(duì)比所有測(cè)試的結(jié)果，分析其時(shí)域曲線，結(jié)果表明該系統(tǒng)的沖擊持續(xù)時(shí)間均在20 ms以內(nèi)，滿足國(guó)軍標(biāo)[1,7]的規(guī)定。

6）負(fù)載測(cè)試：在沖擊臺(tái)面上安裝200 kg的鋼塊負(fù)載，進(jìn)行不同條件沖擊響應(yīng)譜的測(cè)試。圖6為所得到的量級(jí)/拐點(diǎn)頻率分別為1000g/500 Hz、5000g/1500 Hz 時(shí)的測(cè)試曲線。測(cè)試結(jié)果顯示其滿足GJB 1027A 和GJB 150A 的要求，并可獲得較高的試驗(yàn)量級(jí)。

圖6 不同條件（量級(jí)/上升斜率/拐點(diǎn)頻率）下200 kg 負(fù)載的測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results for 200 kg load under different test conditions (magnitude/slopes/inflection point frequencies)

綜上，測(cè)試結(jié)果表明：基于沖擊響應(yīng)譜基本理論設(shè)計(jì)的1.25 m×1.25 m 臺(tái)面的氣動(dòng)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)在空載和滿載（200 kg）時(shí)均能實(shí)現(xiàn)拐點(diǎn)頻率500～1500 Hz 可調(diào)、上升段斜率+6～+9 dB可調(diào)，且能夠?qū)崿F(xiàn)滿載5000g的沖擊響應(yīng)譜試驗(yàn)。因此該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠滿足目前航天器產(chǎn)品的試驗(yàn)量級(jí)和試驗(yàn)要求。

3 存在的問(wèn)題及不足

通過(guò)對(duì)氣動(dòng)式?jīng)_擊響應(yīng)譜試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)了一些須在后續(xù)的工作中進(jìn)行改進(jìn)的問(wèn)題：

1）沖擊臺(tái)面復(fù)位氣缸座與臺(tái)面?zhèn)让孢B接的方式會(huì)導(dǎo)致連接螺釘在沖擊時(shí)變形以及螺孔損壞，宜改為與臺(tái)面上下連接，以有效緩解螺釘沿沖擊方向的受力。

2）本系統(tǒng)采用的是滾珠式導(dǎo)軌。導(dǎo)軌及連接件的作用是使臺(tái)面和被測(cè)產(chǎn)品在沖擊載荷作用下沿沖擊方向運(yùn)動(dòng)，但由于大量級(jí)氣動(dòng)沖擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，滾珠式導(dǎo)軌易被擊碎，所以宜選用滾柱式導(dǎo)軌。

3）進(jìn)行大量級(jí)氣動(dòng)沖擊時(shí)，沖擊力會(huì)通過(guò)沖擊臺(tái)臺(tái)面?zhèn)鲗?dǎo)到基座上，同時(shí)沖擊氣缸會(huì)產(chǎn)生反作用力作用在地基上。因此，高量級(jí)氣動(dòng)沖擊臺(tái)需要有穩(wěn)固的反作用地基，并在臺(tái)體前后安裝擋塊，側(cè)面用多個(gè)壓塊壓緊，防止沖擊臺(tái)工作時(shí)發(fā)生位置錯(cuò)動(dòng)。

4 結(jié)論及展望

本文提供了一種氣動(dòng)沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。相較傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）采用氣動(dòng)裝置可獲得較大的沖擊能量，提高沖擊量級(jí)；

2）諧振臺(tái)面采用的三導(dǎo)軌連接及雙錘頭形式?jīng)_擊錘，使得大型臺(tái)面響應(yīng)更均勻；

3）可拓展性良好?？梢愿鶕?jù)用戶的進(jìn)一步需求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。

目前該試驗(yàn)系統(tǒng)只能完成水平向沖擊試驗(yàn)。對(duì)于需完成垂直向試驗(yàn)的受試產(chǎn)品，當(dāng)其尺寸較小時(shí)，可以通過(guò)L 型工裝轉(zhuǎn)接架來(lái)實(shí)現(xiàn)；若尺寸較大無(wú)法翻轉(zhuǎn)，則不適用該試驗(yàn)系統(tǒng)。因此，利用本文的設(shè)計(jì)思路及原理，建立一套能夠完成垂直向，或者既能完成水平向又能完成垂直向的沖擊響應(yīng)譜模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，是下一步將要開(kāi)展的工作。