新型摆锤式冲击响应谱试验台波形的调试方法研究

蒋殿臣，赵卓茂，冯伟干，田振强

（北京强度环境研究所，北京 100076）

0 引言

航天产品在运输、发射、在轨和回收等各种环节工作时，会经受到各类复杂冲击环境的考验［1］。这类冲击载荷大多来自航天结构执行部件分离、姿轨控制等工作指令时，弹上各类火工装置工作所引起的复杂震荡型冲击。在航天产品产生瞬态机械响应的过程中，外界能量也被迅速传递，所带来的位移、速度和加速度的突变有可能造成航天产品结构和仪器、仪表等部件的故障，进而导致航天产品性能损害甚至失效。所以，为在研制阶段检验出存在的设计问题和加工缺陷，几乎所有的航天产品均需在地面进行冲击环境模拟试验加以考核［2］。摆锤式冲击试验台是冲击试验中一种重要且常见的力学环境试验设备。北京强度环境研究所十一室目前使用的新型摆锤式冲击响应谱试验台及调试技术均处于国内领先地位。

基于侧重产品损伤效果的考虑，冲击环境判定标准的主要依据是冲击响应谱。响应谱给出了单自由度振荡件在规定的冲击激励下的最大响应与振荡件固有频率的关系。它直接反映的是响应值，而不是冲击激励。在试验应用中，用已经测量得到的实际环境的响应值作为地面模拟试验考核参照条件，以此反映真实的或加严的力学环境［3-6］。

模拟冲击环境的实现方法主要有3 类：振动台类模拟、机械撞击类模拟和火工品爆炸类冲击模拟。目前，北京强度环境研究所十一室已具备上述3 类方法的试验能力，分别对应不同的冲击量级范围。其中，机械撞击模拟的应用最为常见，该类冲击又包含摆锤式冲击和空气炮冲击两种形式。

现有新型摆锤式冲击试验台具有大负载高量级低成本重复性好的各项优势，处于国内外领先水平。设备可形成的最大冲击谱量级为5 000 g，最大负载质量为250 kg。经过大量的试验总结后，本文给出了该摆锤式冲击响应谱试验台波形的调试方法和经验规律。

1 摆锤冲击台工作原理

摆锤式冲击试验的参试产品通过螺接形式固定在一个特制的水平响应台面上。试验时，自由释放位于一定高度的摆锤，使之机械撞击响应台。响应台受到冲击后，短时间内反复撞击台体后的波形发生器，从而产生衰减的复杂振荡冲击波形。安装在试件或试件工装上的传感器记录试件运动的时间历程响应后，经过数据处理形成冲击谱，得到环境冲击谱试验数据曲线。试验台工作原理如图1 所示［7］。

试验使用的冲击设备除台面移动结构、摆锤提升机构、前后波形发生器及基座外，还有防二次冲击机构、台面复位机构及其它防护机构等部件。

图1 摆锤式冲击响应谱试验台工作原理

2 冲击谱波形调试总结

环境试验规范规定了冲击响应谱的主要波形控制参数，包括加速度量值、拐点频率、上升斜率及容差等要求。由于试验台摆锤的重量和摆臂长度不便经常调整，调试的手段主要是改变摆锤角度和前后波形发生器的刚度、厚度。一般产品质量较试验台体轻，产品本身对试验设备产生冲击环境的影响非常小。当产品试件较重，带来的影响不可忽略时，加工相应的模拟件在正式检测前调试即可。本文所用的试验数据均采自没有安装试验件的冲击台面，传感器在台面中心偏右后位置。另外，试验台的重复性和台面均匀度均已得到了验证，本文不再赘述。

2.1 加速度调整

加速度量值即冲击量级，是冲击能量的体现。试验发现，摆锤质量和摆臂长度一定时，加速度主要跟摆锤的摆角相关。在前、后波形发生器均为钢质，摆锤摆角分别为30°、45°、60°和90°时，相应谱波形见图2。

图2 钢性波形发生器冲击谱

表1 在钢性波形发生器下摆角对冲击谱的影响

从表1 中可以得出，波形发生器为钢，在改变摆角时，谱型拐点频率在1 400 Hz 左右基本不变，上升斜率为9..5dB基本不变，只有加速度随着摆角的增大而明显从1 200g 增大到5 000g。

调整前波形发生器为钢，后波形发生器为4 mm 橡胶，摆角分别为30°、45°、60°和80°时，波形见图3。

从图3 和表2可以得出，更换后波形发生器为橡胶后，谱型上升斜率基本不变，拐点频率随着摆角的增大略有增大，加速度值仍随着摆角的增大而增大，但量值相对纯刚性波形发生器有少许减小。

2.2 拐点频率调整

拐点频率即谱型图上平直段与上升段的交点对应的频率值。根据上文描述，试验中主要通过改变前后波形发生器来测试拐点的频率变化。图4 和表3是摆角在60°时试验调试结果。

图3 4 mm 橡胶波形发生器冲击谱

表2 在4 m 橡胶波形发生器下摆角对冲击谱的影响

图4 摆角60°冲击谱

表3 摆角60°波形发生器对冲击谱的影响

从结果可以得出，随着后波形发生器橡胶厚度从2 mm逐级增加到10 mm，拐点频率依次从1 100 Hz 下降到600 Hz，加速度也呈下降趋势。前波形发生器为钢时，高频响应加速度较大，而采用5 mm 毛毡，可以明显降低高频加速度值，同时上升斜率也有所减小。这表明毛毡可起到高频滤波的效果。

2.3 上升斜率调整

在冲击响应谱试验中，一般认可的控制调整范围6～9 dB。故在之前调试的基础上针对前后波形发生器做了改进，将上升斜率降到了6dB。结果见图5 和表4。

从所有的调试中可知，后波形发生器主要决定了谱型的上升斜率。橡胶厚度增加时，上升斜率相应降低。不论前波形发生器使用橡胶还是毛毡，都能使上升斜率下降到6 dB，但毛毡前波形发生器产生的谱型低频加速度小。

图5 上升斜率冲击谱

表4 摆角60°波形发生器对冲击谱的影响

3 结语

通过大量的试验研究，本文总结出新型摆锤式冲击谱试验台主要性能指标的调试方法和调试规律。结果表明，对现用的新型摆冲试验台来说，获得所需模拟冲击环境的三要素主要通过改变摆锤提升角度和前、后波形发生器完成。这几个调试因素对冲击谱形的影响具有一定的规律性和复杂性。在营构所需的冲击环境时，需借助一定的经验综合考虑。本文获得的调试结论可帮助设备使用者更好地理解设备操作原理和技巧，也将有助于开展后续的相关类型机械式冲击试验的研究和产品开发工作。

［1］《力学环境试验技术》编著委员会.力学环境试验技术［M］.西安：西北工业大学出版社，2003.

［2］张建华.航天产品的爆炸冲击环境技术综述［J］.导弹与航天运载技术，2005（3）：30-36

［3］马斌捷，张建华，吴江.火工品爆炸加载方法在火箭分离冲击环境模拟试验中的应用与效果［J］.强度与环境，2007，34（5）：1-7.

［4］穆瑞忠，张建华，皮本楼.航天器的冲击谱模拟试验方法［J］.强度与环境，2008，35（5）：32-37.

［5］王招霞，宋超.摆锤式冲击响应谱试验机的调试方法［J］.航天器环境工程，2010，27（3）：336-338.

［6］皮本楼，张建华.响应板式爆炸冲击模拟装置试验仿真分析［J］.强度与环境，2009，36（3）：45-49.

［7］王冰，田振强，张巧寿.摆锤式冲击响应谱试验台的仿真研究［J］.强度与环境，2012，39（3）：36-31.