民航座椅水平冲击试验中工装碰撞的研究

王 锐，洪 涛

(航宇救生装备有限公司 综合试验技术研究室，湖北 襄阳 441003)

0 引言

动态水平冲击试验是在试验室环境下模拟再现产品在真实碰撞时的工况，为产品研发改进提供有力的参考及为性能鉴定提供保障，具有成本低、效率高的优点。利用液压缓冲缸来实现不同产品所需的冲击波形的试验台更是具有结构简单、成本低、可靠性高等优点。民航座椅的水平冲击试验能模拟飞机失事时座椅的实际工况及乘客的过载情况。在座椅的冲击试验过程中，若因工装滑动而与其他部件发生碰撞会造成部分能量被吸收与释放，导致试验波形的上下震荡超出容差范围，使试验失败。为此，本文研究了水平冲击试验中因工装滑动产生的碰撞对输出波形的影响。

1 工作原理

液压缓冲缸的结构简图如图1所示，试验件装在台车上，台车前端有一个冲杆，液压缓冲缸的四周开有小孔，这些小孔可以任意被堵死或与外界连通，从而调节液压缓冲缸与外界的开口大小。台车在橡皮绳的作用下以一定的速度冲向液压缓冲缸，冲杆插入液压缓冲缸后缸内的液体受挤压从四周小孔流出从而形成小孔节流现象，因此液压缓冲缸内外会有一定的压力差，台车因冲杆的受力而产生一个加速度。试验件的加速度与台车一致，根据试验波形的要求计算出液压缓冲缸内任一位置所需开启孔的面积从而满足试验波形要求。

图1 液压缓冲缸原理简图

2 数学模型与仿真模型

2.1 工装未滑动的数学模型

民航座椅14g冲击试验波形如图2所示,T为冲击脉宽，ms；a为台车加速度，m/s2；t为时间，ms。

图2 14g波形图

液压缓冲缸液体流量方程为：

(1)

其中：Q为流量，L/min；Cd为节流系数；Av为缓冲缸剩余小孔总面积(冲杆前端面与液压缓冲缸底面距离间缸内所有小孔的总面积)，cm2；ρ为缓冲液密度，kg/m3；Δp为液压缓冲缸内外压差，Pa；v为台车速度，m/s；A杆为冲杆的截面积，cm2。

从流量方程中推导出剩余总面积方程为：

(2)

冲杆受力方程为：

(3)

其中：M为台车质量，kg。

前80 ms台车运动方程为：

(4)

其中：v0为台车初速度，m/s；l为台车减速运动的位移，m。

后80 ms台车运动方程为：

(5)

其中：lT/2为台车前80 ms位移，m。

2.2 工装滑动发生碰撞的数学模型

当台车上某一工装未固定紧时，冲击过程中该工装会在台车上滑动而与相邻部件发生碰撞。设松动工装的质量为m，与台车摩擦力为f，与其相碰撞部件的距离为s，工装在开始滑动的时刻为t1。则相对运动时工装的运动方程为：

(6)

其中：a1为工装加速度，m/s2；v工为工装速度，m/s；v1为工装开始相对台车滑移时速度，m/s；l1为开始相对运动时工装位移，m；l工为工装位移，m。

相对运动时台车的运动方程为：

(7)

当l工-l=s时工装与其他部件发生碰撞，且为完全弹性碰撞。碰撞方程为：

(8)

其中：v2为碰撞后工装速度，m/s；v3为碰撞后台车速度，m/s。

碰撞后工装相对台车向后滑动，摩擦力方向与之前相反，台车受到的摩擦力也反向；当工装回到台车的初始位置时再次与台车发生碰撞，如此往复下去。

2.3 仿真模型

工装未滑动的仿真模型如图3所示。图3中，1为台车整体质量，2为位移传感器，3为台车位移与液压缓冲缸剩余小孔的总面积的函数关系式，4为液压缓冲缸，5为开度可变的节流阀。

图3 工装松动AMESim仿真模型

工装滑动发生碰撞的仿真模型如图4所示。图4中，1为可滑动工装质量，2为带有间隙的弹簧阻尼器，3为台车除去工装之外的质量，4为位移传感器，5为台车位移与液压缓冲缸剩余小孔的总面积的函数关系式，6为液压缓冲缸，7为开度可变的节流阀。

图4 工装碰撞AMESim仿真模型

3 动态仿真结果与试验结果

3.1 工装未滑动的动态仿真

根据民航座椅14g水平动态冲击试验的波形要求计算出台车动态水平冲击过程中任意时刻的位移、速度、加速度值，再结合冲杆的截面积，台车、试验件、工装的质量再加上合适质量的配重质量计算出台车在任意位移值液压缓冲缸内剩余孔总面积。输入所有的参数进行动态仿真，得到台车动态水平冲击的加速度仿真波形如图5所示。

图5 正常台车加速度仿真波形

由图5可以看出：台车的最大加速度峰值为-15g，峰值点对应的时间为75 ms，脉宽180 ms，满足试验波形要求，仿真可行。

3.2 工装滑动的动态仿真

在试验现场测量出可滑动工装的质量、与台车的摩擦力以及可滑动工装与台车上固定工装的距离，输入所有的参数进行动态仿真，得到台车动态水平冲击的加速度仿真波形如图6所示。

由图6可以看出：仿真结果与理论分析结果基本一致；可滑动工装与台车在冲击过程中反复发生碰撞，且每次碰撞都会导致台车加速度值有一定的跳跃，有些次碰撞甚至会引起台车发生震荡，跳跃更大。整个加速度波形曲线不光滑，可能会导致波形不合格，试验失败。

图6 工装滑动时台车加速度仿真波形

3.3 工装滑动的真实试验结果

根据民航座椅14g水平动态冲击试验的波形要求，计算出台车动态水平冲击过程中任意时刻的位移、速度、加速度值；结合冲杆的截面积、台车整体质量计算液压缓冲缸的孔位分布。液压缓冲缸四周的小孔是一排排地布满整个缸的，孔的分布并不是任意位置都有的，在实际的排孔中是先计算出每一排孔的总面积再合适分布到每一个孔。具体计算方法是：先计算出前一排最后一个孔位位置所对应的加速度值及剩余所有排的孔总面积，然后计算出当前排最后一个孔位位置所对应的加速度值及其剩余所有排的孔总面积，这两个总面积之差就是当前排孔的总面积，再根据实际调试的情况对孔面积进行相对修正以满足试验要求。此次试验时由于试验人员疏忽，台车上一个工装螺栓未拧紧，试验的波形图如图7所示。

图7 工装滑动时台车加速度波形

由图7可以看出：由于实际排孔不是连续的，试验波形并不是十分平滑；当台车冲杆正在封闭液压缓冲缸内的一个个孔的瞬间时，缸内剩余孔总面积突然减小即液压缓冲缸节流口变小，而由缸内排出液体的流量基本没有变化，所以缸内外此刻的压力差变化率会大于这一段位移值所要求的压差变化率，台车加速度会有一个阶跃的跳动；同样当冲杆在液压缓冲缸内某一段位移内没有封闭任何孔时即节流口没有变化，但液体流量变小，因此缸内外压力差变化率会小于此位移段所要求的压力差变化率，台车此刻加速度值会变得平缓。

台车加速度的峰值为15.16g，峰值点对应的时间为82 ms，脉宽为200 ms。从图7可以看出台车加速度值存在上下震荡，超出了试验要求波形的容差范围，试验波形不合格。对整个波形进行分析计算，试验波形的总的积分面积满足要求，上下震荡的部分存在能量的吸收与释放，导致试验波形局部超出容差范围。能量的吸收与释放是由弹性元件产生，反复检查发现台车上有一工装松动，固定拧紧后再次试验，所得的试验波形如图8所示。

图8 工装未滑动时台车加速度波形

由图8可以看出：同样由于排孔的不连续性，试验波形依然不是十分平滑。台车加速度的峰值为15.21g，峰值点对应的时间为78 ms，脉宽为200 ms。工装固定紧后没有了能量的吸收释放及部分损失，试验波形恢复正常，满足试验要求。

4 结论

本文计算了民航座椅14g水平冲击试验中台车在任意时刻的位移、速度、加速度值及液压缓冲缸内孔的分布；建立了台车因工装滑动发生碰撞的数学模型并进行了分析；在AMESim中建立相应的仿真模型，研究了水平冲击试验中因工装滑动与其他部件碰撞时对输出波形的影响；最后结合实际的试验结果可知动态冲击过程中因工装滑动发生碰撞引起的能量吸收与释放会导致波形的上下震荡，严重时波形会超出容差范围，导致试验失败。