中量级冲击试验机冲击特性研究

闫寒　孙自强　吴家鑫

摘 要：中量级强冲击试验机是《军用设备环境试验方法 冲击试验》（GJB 150.18—1986）规定的标准考核设施之一。其冲击环境特性的研究对冲击机试验具有十分重要的作用。我国的中型冲击机仿照美国进行设计，考核标准也参照美国标准制定，导致我国对中型冲击机的冲击环境特征、影响冲击环境的因素、现有标准本身及应用中存在的问题不是十分清楚。为了探索中型冲击机冲击环境特性，对中型冲击机进行了多次试验，对冲击响应结果进行分类与对比研究，得出了冲击环境特性，并通过结果进行拟合，预测不同工况下的冲击环境。

關键词：中型冲击机;环境特性;冲击环境

中图分类号：U674文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）11-0036-04

Research on Impact Characteristics of Middleweight

Impact Testing Machine

YAN Han1，2 SUN Ziqiang1 WU Jiaxin1，2

（1.Shenyang University of Technology，Shenyang Liaoning 100870;2. Naval Research Institute of PLA，Beijing 100161）

Abstract： The medium-sized strong impact testing machine is one of the standard assessment facilities specified in the Environmental Test Methods for Military Equipments Shock Test（GJB 150.18-1986）. It is very important to study the characteristics of impact environment for the experiment of impact machine. Chinas medium-sized impact machines were designed in imitation of the United States，and the assessment standards were also formulated with reference to American standards. As a result，  it wasn't clearly for Chinese to the impact environment characteristics of medium-sized impact machine， the factors affecting the impact environment， the existing standards themselves and the problems existing in the application. In order to explore the impact environment characteristics of the medium-sized impact machine， the medium-sized impact machine had been tested for many times ， and the impact response results obtained were classified and compared， and the impact environment characteristics obtained were matched by the results to predict the difference Impact environment under working conditions.

Keywords： medium impact machine;environmental characteristics;impact environment

1 研究背景

我国海军要求装舰设备在上舰之前必须经过冲击试验考核，考核合格后的设备方可安装到舰艇上。试验方法主要有三种，即舰艇水下爆炸试验、虚拟冲击试验以及冲击试验机模拟冲击试验[1]。装舰设备的破坏标准在不同国家有不同的要求，但所有海军强国都要求装舰设备必须通过冲击考核方能上舰，并要求对首制舰进行实船水下爆炸试验考核[2]。

我国的《军用设备环境试验方法 冲击试验》（GJB 150.18—1986）规定，不同重量的舰船设备必须在相应冲击机上进行冲击试验考核。该标准沿用了美国MIL-S-901D的要求进行编制。

国内外的一些科学家对中量级强冲击试验机（以下简称中型冲击机）的冲击试验进行了大量研究。何斌等人对中型冲击机的冲击环境特性进行了研究，得出了随着质量增加，需要加大锤高来保证冲击环境达标的结论[3]。王旭建立了摆锤优化设计的数学模型，并分析了优化结果的有效性[4]。王涛和郑相周等人将中量级强冲击试验机摆锤部分进行结构简化，得出摆锤部分若干个典型的参数，以转动中心转轴所受冲量为研究对象，列出各参数与转动中心转轴所受冲量之间的关系式。[5]。以上研究人员虽然得出了相应的研究成果，但是没有对中型冲击机冲击试验结果进行探索，没能准确地找出标准中对于冲击机冲击环境的要求范围，并不能指导试验的具体实施。

本文进行了大量的中型冲击机冲击试验，并进行了中型冲击机的台面与槽钢冲击环境特征对比与分析，得出标准中考核工况的冲击环境范围，为今后的试验设计工况提供参考。

2 中型冲击机冲击试验介绍

2.1 中型冲击机简介

中型冲击机为摆锤式垂直冲击试验台，可以进行垂直方向的冲击试验，主要用于质量为120～3 400 kg的舰船设备的冲击环境试验考核。

安装好试验所用试件之后，选择砧板行程为0 mm、38 mm和76 mm。冲击机如图1所示，试验布置方案如图2所示。

2.2 测点布置

冲击试验的测量参数为摆锤台面和槽钢表面的加速度。为了保证试验结果的有效性，分别在台面与槽钢上放置两个测点，测点位置如图3所示。

2.3 冲击环境试验工况

本文根据《军用设备环境试验方法 冲击试验》（GJB 150.18—1986）中的总体思路要求进行工况设置，试验安装如图4所示。该试验根据质量、锤高与砧板行程的不同，共进行了15个工况试验，试验工况如表1所示。根据试验类型对工况进行分类，第一类工况为锤高较低且砧板行程为76 mm，第二类工况为锤高较高且砧板行程为76 mm，第三类工况为锤高较高且砧板行程为38 mm。例如，测量的设备质量为600 kg，砧板行程为76 mm的工况，进行了锤高为300 mm与锤高为600 mm的试验，分别为第一类工况与第二类工况，而对于该质量的设备，也在砧板行程为38 mm且锤高为600 mm的工况进行试验，则该工况为第三工况。试验采用加速度传感器与低频振子测量了台面与槽鋼的冲击环境。

3 试验结果分析

3.1 台面与槽钢时域分析

对加速度进行积分，得出速度时域曲线，并对结果进行分析。图5是质量为1 000 kg的第二工况台面与槽钢速度响应曲线。根据相关试验数据可知，对设备冲击响应产生重要影响的频率范围为4～400 Hz，对滤波后的加速度曲线进行积分，得到槽钢与台面速度曲线后进行对比分析。

由图5可以看出，槽钢的最大速度响应高于台面上的速度。为了保证验证准确性，将所有的台面速度与槽钢速度进行对比，得到如图6所示的曲线。

由图6可以得知，槽钢的最大响应速度均高于台面的最大响应速度，约高出30%。

3.2 台面与槽钢的冲击环境分析

中频段冲击谱速度是判断冲击环境的重要标准。因此，对试验结果进行中频段冲击环境的对比分析，对冲击加速度响应进行冲击谱绘制，并绘制三折线规整谱。以工况5的结果为例，将其台面与槽钢的冲击环境进行对比，结果如图7所示。由图可知，台面上测点的谱速度为2 m/s，槽钢上测点的谱速度为2.2 m/s。槽钢的冲击环境略高于台面的冲击环境。

将所有工况的谱速度进行对比，得出结果如图8至图12所示。

从3个工况对比图可以得出：第一类工况由于锤高最低，所以谱速度最小，第二与第三类工况虽然砧板行程不同，但谱速度相差不大。可见，砧板行程对谱速度的影响并不大。

第一类工况的台面谱速度范围为0.5～1.5 m/s，而第二类工况与第三类工况的谱速度在1.4～2.7 m/s。第一类工况的槽钢谱速度范围为0.7～1.7 m/s，而第二类工况与第三类工况的谱速度在2.0～3.5 m/s。相同工况下，槽钢的冲击环境要强于台面上的冲击环境，谱速度平均高于台面0.9 m/s左右。

3.3 工况预测

对质量[M]、谱速度[V]与锤高[H]进行拟合，得出谱速度拟合曲线如图13所示，拟合方程如式（1）所示。该方程可以预测不同质量、不同锤高工况下，得出的冲击环境是否符合预期标准。

[H=-328.594 57+0.572 9M+312.413 85V-1.280 13×10-5M2-6.699 61V2-0.062 6×MV]    （1）

4 结论

本文通过试验对中型冲击机槽钢与台面上的冲击环境特征进行了分析，得出如下结论。

①中型冲击机的槽钢最大加速度响应比台面的最大加速度响应高30%;由试验结果得出，相同工况下槽钢的谱速度平均高于台面0.9 m/s。

②随着质量的增加，需要增加锤高来达到冲击环境所需要的考核标准。而考核标准的范围是第一类工况时，槽钢谱速度范围为0.7～1.7 m/s，而第二类工况与第三类工况的谱速度都在2.0～3.5 m/s。

通过对多次试验数据进行总结分析，得出考核标准的范围，并且对其冲击环境结果进行分类与对比研究，得出冲击环境特性，并对结果进行拟合，预测了不同工况下可能得出的冲击环境。

参考文献：

[1]王贡献，褚德英，张磊，等.舰船设备冲击试验机研究进展[J].振动与冲击，2007（2）：152-159，183.

[2]刘建湖，潘建强，何斌.各主要海军国家设备抗冲击标准之比较[J].应用科技，2010（9）：17-25.

[3]何斌，唐佳炜.强碰撞中型冲击机冲击环境特征[J].噪声与振动，2012（6）：49-53.

[4]王旭，李天匀，郑相周.中量级强冲击试验机摆锤的优化设计[J].中国造船，2013（3）：29-35.

[5]王涛，郑相周，孙维方.中量级级强冲击试验机摆锤部分的优化设计[J].机械科学与技术，2016（1）：63-66.