CN103604578B

CN103604578B - 基于气动式大型高量级水平冲击试验台

Info

Publication number: CN103604578B
Application number: CN201310537978.7A
Authority: CN
Inventors: 晏廷飞; 沈志强; 方贵前; 朱子宏; 张俊刚; 吕兴东
Original assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering
Priority date: 2013-11-04
Filing date: 2013-11-04
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-11-04
Also published as: CN103604578A

Abstract

本发明公开了一种基于气动式大型高量级水平冲击试验台，包括气缸组件、冲击组件、台面组件、冲击组件复位气缸和冲击台基座；其中，气缸组件包括冲击气缸和储气缸，冲击气缸的活塞推杆前端一体固定连接有冲击推板，冲击气缸与储气缸通过后支架固定连接在冲击台基座上，冲击气缸通过活塞推杆作用于冲击推板，推动冲击推板去撞击设置在滑轨中的冲击组件；冲击组件包括冲击头和冲击锤体，冲击组件两侧面滑动设置在滑轨中。该试验装置在响应频率范围和冲击响应谱拐点频率方面，与摆锤冲击试验机一致，但在负载能力，冲击响应谱峰值和台面的尺寸等重要指标上，都远超过摆锤冲击试验台。

Description

基于气动式大型高量级水平冲击试验台

技术领域

本发明属于航天器动力学试验领域，具体来说，本发明涉及一种基于气动式的水平气动冲击试验设备。

背景技术

在航天器的全任务过程中，需要经历各种类型的力学环境，包括振动、噪声、冲击、加速度等。其中，冲击环境主要是由航天器上各种火工装置在工作的过程中产生的，爆炸冲击环境是航天器所经历的最强烈的动力学环境之一，在产品的鉴定和验收阶段一般都要通过爆炸冲击环境模拟试验手段来完成，以提高产品的可靠性。用冲击响应谱试验模拟爆炸冲击，冲击响应谱试验对设备能力要求较高。目前主要通过两种方式实现，一是由振动控制仪计算得出相应的时域控制曲线控制振动台完成冲击试验，不同的波形可以产生相同的冲击响应谱，但是受到振动台冲击加速度幅值限制，只能进行低幅值冲击响应谱模拟，主要用于低量级(通常500g以下)、频率范围较窄(低于4kHz)的复杂冲击环境模拟，由于瞬态电流比较大，用振动台模拟冲击响应谱容易对功放及台体造成损伤。另一种是机械撞击模拟，传统的机械撞击模拟，通常使用摆锤冲击试验机和跌落冲击试验机，这两种试验装置都受到冲击速度的限制，对于台面小、试验产品较小时能够达到较大的量级，但是对于大台面产品大时能够达到的量级就比较小。目前国内最大的摆锤冲击台，台面尺寸为1000mm×1000mm，最大负载125kg的产品，摆锤的最大提升高度为1.5m，冲击锤接触冲击台面的最大速度为5.4m/s，空载时最大试验量级2000g(Q＝300Hz)，拐点频率300Hz～1000Hz。航天器产品的冲击试验量级普遍要求超过1000g，部分产品的冲击试验量级达到了2000g，甚至有些型号产品的冲击试验量级超过3000g，这些需要进行试验的产品有些产品质量较大，接近200kg，对于目前的试验技术条件不能满足试验的需求。为了适应航天器日益发展的需求，避免航天器产品在试验过程中考核不充分，不能充分暴露产品设计和制造缺陷，十分需要研制一套能够进行航天器分系统基于气动式高量级水平冲击试验系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够进行大产品高量级爆炸冲击试验模拟装置，用于进行航天器大型部件或分系统结构产品的冲击响应谱环境模拟试验。

本发明通过如下技术方案实现：

一种基于气动式大型高量级水平冲击试验台，包括：气缸组件、冲击组件、台面组件、冲击组件复位气缸和冲击台基座；

其中，气缸组件包括两个冲击气缸和两个储气缸，两冲击气缸的活塞推杆前端一体固定连接有冲击推板，冲击气缸与储气缸通过后支架固定连接在冲击台基座上，冲击气缸通过活塞推杆作用于冲击推板，储气缸与冲击气缸连通并提供动力气体，冲击气缸在动力气体作用下推动活塞推杆运动，以推动冲击推板去撞击设置在滑轨中的冲击组件；

冲击组件包括冲击头和冲击锤体、冲击头与冲击锤体机械固定，冲击组件两侧面滑动设置在滑轨中；

台面组件包括冲击台面、后波形垫座、前波形垫座、台面缓冲气缸、导轨，前波形垫座固定在冲击台面的撞击端上，后波形垫座固定在撞击端相对一端的冲击台基座上，与冲击台面不相连接，分别设置在冲击台面两侧面上的台面缓冲气缸用于在试验过程中对冲击台面起到缓冲作用，冲击台面滑动支撑在导轨上以在试验中进行滑动；

冲击组件复位气缸，安装在冲击台面的下部，当冲击组件撞击冲击台面时，冲击组件复位气缸的活塞推杆迅速伸出，将冲击组件推回到原来位置并防止对冲击台面的二次撞击；

冲击台基座具有与气缸组件、冲击组件、台面组件和冲击组件复位气缸以及滑轨连接的接口，为冲击试验提供支撑。

优选地，冲击头与冲击锤体之间通过螺纹连接加以固定。

优选地，冲击组件通过冲击锤体上设置的滑轮或滑块滑动设置滑轨中。

优先地，台面优选高强度航空铝压铸板。

其中，冲击头采用双锤头的形式。

其中，在前后波形垫座上粘贴不同的阻尼垫。

本发明具有如下的有益效果：

根据要求设定储气缸的缸径和冲击组件的运动行程，使冲击组件撞击台面时达到满足要求的速度，目前已经设计储气缸缸径200mm，运动行程900mm，最大速度能够达到8.7m/s；

国内最大的冲击台面尺寸：1250mm×1250mm；

最大负载超过200kg，超过国内其他类型冲击试验台的承载能力；

最大冲击响应谱峰值：满负载时5000g，远超过摆锤冲击试验台1000mm×1000mm的空载时2000g的试验能力；

该试验装置在响应频率范围和冲击响应谱拐点频率方面，与摆锤冲击试验机一致，能够满足航天器冲击响应谱试验要求，但是在负载能力，冲击响应谱峰值和台面的尺寸等重要指标上，都远超过摆锤冲击试验台，该设备能够满足大型航天器产品的高量级冲击响应谱模拟试验的验证需求。

附图说明

图1a为本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的主视图。

图1b为本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的俯视图。

图1c是图1a中A-A截面的剖面图。

其中：1冲击台基座；2后波形垫座；3冲击台面；4台面缓冲气缸；5前波形垫座；6冲击组件；7滑轨；8气缸组件；9导轨；10连接件；11冲击组件复位气缸。

图2a为本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的冲击组件主视图。

图2b为本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的冲击组件侧视图。

其中：21冲击头；22滑块；23冲击锤体。

图3为本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的气缸组件侧视图。

其中：31冲击推板；32活塞推杆；33冲击气缸；34后支架；35储气缸。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台进行详细说明，具体实施方式仅为示例的目的，并不旨在限制本发明的保护范围。

参照图1a-1c，图1a-1c分别显示了本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的主视图、俯视图和对应的A-A截面的剖视图。根据附图显示可以知晓，本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台包括气缸组件、冲击组件、台面组件、冲击组件复位气缸和冲击台基座。其中，本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的气缸组件结构示意图如图3所示，该气缸组件包括两个冲击气缸33和两个储气缸35，两冲击气缸33的活塞推杆32前端一体固定连接有冲击推板31，冲击气缸33与储气缸35通过后支架34固定连接在冲击台基座上，冲击气缸33通过活塞推杆32作用于冲击推板31，储气缸35与冲击气缸33连通并提供动力气体，冲击气缸33在动力气体作用下推动活塞推杆32运动，以推动冲击推板31去撞击设置在滑轨中的冲击组件。其中，图2a，2b分别显示了基于气动式大型高量级水平冲击试验台的冲击组件主视图和侧视图。该冲击组件包括冲击头21和冲击锤体23、例如双锤头的形式的冲击头21与冲击锤体23机械固定，冲击组件两侧面例如可以通过滑块22滑动设置在滑轨中。

在一实施方式中，本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的台面组件，具体可以参照图1a-1c，该台面组件包括冲击台面3、后波形垫座2、前波形垫座5、台面缓冲气缸4、导轨9，前波形垫座5固定在冲击台面3的撞击端上，后波形垫座2固定在撞击端相对一端的冲击台基座1上，与冲击台面3不相连接，分别设置在冲击台面3两侧面上的台面缓冲气缸4用于在试验过程中对冲击台面3起到缓冲作用，前后波形垫座5，2的撞击端位置上可以粘贴不同的阻尼垫以缓冲冲击力，冲击台面3滑动支撑在导轨9上以在试验中进行滑动；该试验台还包括冲击组件复位气缸11，其安装在冲击台面3的下部，当冲击组件6撞击冲击台面3时，冲击组件复位气缸11的活塞推杆迅速伸出，将冲击组件6推回到原来位置并防止对冲击台面的二次撞击；冲击台基座1具有与气缸组件8、冲击组件6、台面组件和冲击组件复位气缸11以及滑轨7连接的接口，为冲击试验提供支撑。

在一具体实施方式中，冲击头21与冲击锤体23之间通过螺纹连接加以固定，且冲击组件6通过冲击锤体23上设置的滑轮或滑块滑动设置滑轨7中。

在一具体实施方式中，冲击台面可以采用高强度航空铝压铸板或者其他材料的铸造成型件。

本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的研制原理如下：

对于冲击响应台面，由于其安装方式，材料阻尼系数以及冲击台面的几何形状等因素不同，冲击响应台面受冲击后，其一阶、二阶、三阶、n阶的响应频率不同，而得出的冲击响应谱线也不同。利用冲击响应谱描述卫星爆炸冲击环境时，冲击谱最大值与冲击加速度最大幅值之比值一般在2.5～5之间。

通过冲击响应台面上a_max是固有频率为f_n受脉冲峰值加速度为A，脉冲持续时间为t的标准脉冲作用时的最大冲击响应值，冲击锤撞击产生的脉冲载荷持续时间应近似等于基频周期的一半。

t＝1/(f_i*2)

其中，f_i为响应台面的固有频率，通过有限元分析可以结算得到响应台面的固有频率，t为激励的最小脉冲时间。

设冲击台面的质量为m_t，冲击头和活塞推杆的总质量为m_c，冲击锤体的速度为v_c，冲击台面的速度为v_t，如果冲击锤头在撞击台面后，能够被瞬间夹持，停止运动，根据动量守恒定律m_t.v_t＝m_c.v_c。

冲击锤头的运动动能是由气缸的气体压力推动气缸活塞杆运动转换而来，根据目前调研情况，拟采用两个φ200mm的高速冲击气缸加速，活塞推杆的直径为200mm平均气压P＝0.7MPa，则理论最大推动力为：F＝P×A＝43960N，考虑到摩擦阻力及气压的损耗的系数为1.3，实际的推力F_s＝F/1.3＝33815N，设计气缸的运动行程为S。

冲击台面质量：m_t＝ρ·v＝2.7×10³×1.25×1.25×h＝4.22×10³h(kg)，其中h的单位为m。

冲击头和活塞推杆的总质量：m_c≈760kg

得到冲击锤头的速度为v_c＝v_t×4.22×10³×h/760≈5.56v_t·h

考虑到冲击时能量损失系数1.3，则v_c＝1.3×5.56v_t·h＝7.23v_t·h

根据有限元分析的结果，确定不同厚度台面的冲击响应效果，确定台面的厚度，选择90mm。则：v_c＝0.6507v_t

在冲击时加入半正弦波形发生垫，冲击谱最大值与冲击加速度最大幅值之比值一般在2.5～5之间，取最小值2.5。在方案中冲击台面要满足低拐点最大冲击响应谱峰值2000g，也就是冲击头冲击响应台面时得到的标准半正弦波要满足A＝20000/2.5＝8000m/s²。有限元分析得到90mm厚台面的一阶固有频率f＝389Hz。

v_t＝A×t＝A/(f×2)

因此满足低拐点冲击响应峰值达到2000g时，v_t＝10.3m/s。不计碰撞能量损失时，冲击锤头接触台面时的速度v_c＝6.7m/s。取损耗系数为1.3，则冲击锤头实际理论计算速度不小于8.7m/s。

根据能量守恒定律F_s×S＝m_cv_c ²/2；

可以计算得到行程S＝0.89m，因此冲击组件的有效行程不低于0.89m，设计为0.9m。

对于冲击量级5000g，一般拐点会比较高，计算时固有频率选择冲击台面的高阶频率，假设频率为1500Hz，相对于台面一阶频率提高约4倍，冲击量级是2000g的2.5倍，冲击所需能量相当。冲击锤头的速度均小于方案提供的最大速度，满足设计要求。

本发明的本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台的使用方法如下：

气动式大型高量级水平冲击台是通过压缩气源提供动力，由冲击气缸的控制阀门瞬间打开，压缩气源瞬间进入冲击气缸，推动冲击气缸活塞加速，推动冲击头沿水平方向运动，冲击头加速至所需速度打击响应台面连接的波形垫，使冲击响应台面受冲击激励，使得台面上安装的试件其各个单自由度系统产生的响应峰值作为单自由度系统固有频率函数，得到冲击响应谱加速度曲线。

经过在本发明的基于气动式大型高量级水平冲击试验台上对航天器进行冲击试验，可知本发明的冲击试验台具有如下技术优势。

(1)冲击能量大：气动式水平冲击试验台比传统的摆锤式冲击能量大很多，一般摆锤式冲击台的摆臂半径在1.5m左右，在摆角最大时，在撞击台面的时的最大速度不超过6m/s，气动式冲击锤的最大撞击速度能够达到9m/s，甚至更大，更大的速度表示可以产生频带更宽的冲击响应谱，激励更大的冲击响应谱幅值。

(2)波形调整简单：传统的摆锤冲击台要求冲击锤在绝对水平方向打击响应板，否则会造成设备损坏，要求波形垫总厚度尺寸要保持一致，给调试波形带了困难，气动式冲击试验台试验时，冲击锤与台面始终处于同一水平面上，因此波形垫的总厚度无要求，试验时调试方便，所得曲线更加漂亮。

(3)可靠性高：气动式冲击台采用冲击组件在水平方向上直接对中撞击台面的方式，避免了摆锤式撞击的方式需要反复对中撞击中心面位置的问题，因为对中面稍有调整不好之处，轻则激励的响应谱谱行不好，重则毁坏冲击台面的导向系统。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims

1.一种基于气动式大型高量级水平冲击试验台，包括：气缸组件、冲击组件、台面组件、冲击组件复位气缸和冲击台基座；

2.如权利要求1所述的基于气动式大型高量级水平冲击试验台，其中，所述冲击头与所述冲击锤体之间通过螺纹连接加以固定。

3.如权利要求1所述的基于气动式大型高量级水平冲击试验台，其中，冲击组件通过冲击锤体上设置的滑轮或滑块滑动设置滑轨中。

4.如权利要求1所述的基于气动式大型高量级水平冲击试验台，其中，冲击台面由高强度航空铝压铸板制成。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于气动式大型高量级水平冲击试验台，其中，冲击头采用双锤头的形式。

6.如权利要求1-4任一项所述的基于气动式大型高量级水平冲击试验台，其中，在前后波形垫座上粘贴不同的阻尼垫。