组合冲头式力脉冲发生器冲击特性研究

2012-04-10何玲

制造业自动化 2012年16期

何玲

HE Ling

（贵州大学现代制造技术重点实验室，贵阳 550007）

0 引言

在机械、航空等领域中存在着各种冲击，产品的抗冲击性能是反映其质量和可靠性的重要指标。随着人们对产品精度可靠性要求的提高，以及航空航天等行业发展的需要，产品的抗冲击性能越来越受到重视，与之相应的冲击机也在不断发展。力脉冲发生器是冲击机的关键部件，力脉冲发生器以冲击脉冲力的形式向被冲击体施加载荷，冲击脉冲力的关键参数是冲击脉冲峰值和冲击脉宽。然而目前广泛使用的力脉冲发生器所能提供的冲击脉冲主要受其冲头内的填充材料决定。一般情况下，冲头采用单一材料填充，如橡胶、毡垫、铅等。由于冲头材料的单一性，从而使冲击脉冲峰值和脉宽调节范围具有局限性。而在对冲击脉冲峰值和脉宽调节范围较大的情况，使用单一材料填充作为冲头的力脉冲发生器很难满足加载条件。本文以组合材料组成的冲头为研究对象，通过实验法确定组合材料冲头对冲击脉冲的调节能力，提出一种增大力脉冲发生器冲击脉冲调节范围的有效方法。

1 冲击实验

在冲头材料和形状及其他加载参数不变的情况下，为实现减小冲击脉冲峰值增大脉宽的要求，将由单一材料制成的冲头更换为由金属材料和高分子材料组成的组合式冲头。为确定该方法的可行性和实现方法，以组合冲头为试件进行了冲击实验。

1.1 实验装置和测量方法

实验目的在于研究两种不同材料组合而成的组合冲头试件所形成的冲击脉冲，以脉冲力峰值、脉宽和冲量3个参数为目标分析冲击脉冲变化情况。冲击实验中，改变高分子材料力学性能及其轴向尺寸，分析这2个因素对冲击脉冲的影响。

实验设备、测量仪器包括SSH-5冲击实验机、9683A力传感器、GX-1高速摄像机、PXI4472B数据卡。实验中，组合冲头与力传感器的安装如图1所示。金属材料与紧固螺钉通过螺纹联接，而高分子材料中间为通孔，其被金属材料压紧在力传感器上。实验时，金属材料受冲击锤作用向下压迫高分子材料，冲击过程中金属材料的变形量极小，且远远小于高分子材料。实验中忽略金属材料的变形量，认为冲击过程中的变形均发生在高分子材料上。

图1 组合冲头试件的装夹

本实验中，金属材料为45钢，其形状为头部球状底部圆柱形。高分子材料分别为3种聚氨酯橡胶，聚氨酯橡胶材料在工程上以标准尺寸条件下的HA硬度表示材料力学特性，文中也以HA硬度表示其材料特性。实验中的聚氨酯橡胶材料HA硬度分别为60、80、90。其形状为圆环状，高度分别为5和10mm。图2所示为聚氨酯橡胶试件，图中从左至右，聚氨酯HA硬度分别为60、80、90。

图2 胶垫材料

1.2 实验

对组合冲头试件进行了不同冲击速度条件下的冲击实验，得到冲击脉冲曲线如图3所示。由图可知，脉冲曲线为半正弦波，冲击脉冲峰值与冲击速度成正比。HA60组合试件冲击脉宽与冲击速度成反比。当冲击速度大于1m/s时，厚度10mm硬度HA80的组合试件上的冲击脉宽基本相同，冲击速度对脉宽的影响较小。对HA90组合试件，冲击脉宽与冲击速度成反比。高分子材料硬度增大，脉冲曲线的波动性增大，随高分子材料厚度增大曲线波动性也增大。将组合试件视为一个由高分子材料和金属材料组成的二自由度振动系统，高分子材料与金属材料弹性模量相差越大，该系统的振动幅度越小，表现为脉冲曲线的波动性越小。随着高分子材料硬度的增大其弹性模量增大，组合试件中两元件的弹性模量愈加接近，系统振动幅度增大。由于振幅较大，在冲击过程的恢复阶段，冲击力峰值越小则脉宽也越小。此时，冲击脉宽与冲击脉冲力一样随冲击速度增大而增大，如图3(e)和3(f)。随高分子材料硬度的增大，冲击脉冲峰值增大，冲击脉宽减小。同时，随高分子材料厚度增大，冲击过程中其变形量增加，脉冲峰值减小脉宽增大。

图4给出了冲击速度与冲击冲量的关系，两者间基本呈线性关系变化，冲击冲量与冲击速度成正比。该直线的斜率与高分子元件的材料、厚度有关。随高分子元件厚度增大，其变形量增大冲击作用时间延长，冲击冲量增大。高分子材料硬度从HA60增加到HA80，冲击冲量-冲击速度曲线斜率增长幅度较大，两种曲线较为离散。高分子材料硬度从HA80增大到HA90时，曲线斜率略为减小，HA90的曲线位于HA80曲线下方。其中，10mm的HA90高分子元件对应的冲量-冲击速度曲线与5mm的HA80曲线基本重合。冲击冲量先随高分子材料硬度增大而增大，随后又随其增大而略为减小。通过实验所得的冲量-冲击速度直线，可方便地估算不同冲击速度对应的冲击冲量。

图3 冲击脉冲曲线

图4 冲击冲量-冲击速度曲线

2 冲击脉冲的调节

如图5所示，冲击脉冲峰值-冲击速度曲线近似于直线，脉冲峰值与冲击速度成正比，随高分子材料硬度增大该直线斜率增大。由图6可知，冲击脉宽-冲击速度曲线也近似于直线，随高分子材料硬度的增大脉宽减小，但曲线的变化规律有所不同。材料HA60和5mm的HA80对应的脉宽-冲击速度直线斜率小于零，按单调递减规律变化。而当材料硬度增大时，10mm的HA80和HA90对应的脉宽-冲击速度直线斜率变为略大于零。这与组合冲头试件所形成的二自由度振动系统中材料的特性和尺寸、结构等因素有关。冲击冲量随材料硬度增大而略有减小。

图5 冲击力峰值-冲击速度曲线

相同冲击速度变化条件下，随着高分子材料硬度的增大，冲击脉冲峰值变化幅度增大。总体上，冲击脉宽随高分子材料硬度增大而减小，其随冲击速度变化的变化幅度相应减小。随高分子材料硬度的增大，由于冲量-速度曲线斜率减小，冲量随速度的变化幅度略为减小。

高分子元件的厚度对冲击脉冲也具有调节作用。随着高分子元件厚度的增加，其在冲击过程中的允许变形量增大，脉冲峰值-冲击速度直线的斜率减小，峰值随厚度的增加而减小。随高分子元件厚度的增加冲击脉宽减小，同时高分子材料硬度越低脉宽对厚度的变化越敏感，在图6中表现为高分子材料相同的5mm和10mm两条脉宽-冲击速度直线相距越远。由图5和图6中脉冲峰值和脉宽的变化规律可认为，相同材料的高分子元件随其厚度的增加硬度减小，即材料相同的10mm高分子元件硬度小于5mm胶垫。随高分子元件厚度增加，相同冲击速度条件下产生的冲击冲量增大。

高分子元件厚度增加，脉冲峰值减小的同时引起冲击速度对冲击脉冲峰值调节范围减小。冲击脉宽随高分子元件厚度增加而增大，冲击速度对其调节范围也相应增大。由冲击冲量-速度曲线可知，高分子元件厚度增加直线斜率基本相等，则冲击速度对冲击冲量的调节范围保持不变。

图6 冲击脉宽-冲击速度曲线

由以上分析可知，在冲头材料、冲击速度和冲击质量确定的情况下，可通过在冲头底部添加不同硬度和尺寸材料的方法实现冲击脉冲峰值、脉宽和冲量的调节。作者通过其它实验数据已知，在冲击速度为从1m/s增加到2m/s范围时：使用本冲击实验中的钢制试件单独进行冲击实验时，其所得冲击脉冲峰值50-140kN，脉宽0.8-0.7ms；使用与本实验中的钢制试件尺寸形状完全相同的聚氨酯材料进行冲击实验时，其所得冲击脉冲峰值约为3-9kN，脉宽约21-19ms。在使用单一材料作为冲头时，冲击脉冲峰值和脉宽的调节范围较小，而通过使用组合式冲头，可实现冲击脉冲的调节范围3-140 kN，脉宽21-0.7ms，调节范围明显增大。

3 组合冲头式力脉冲发生器

在冲击速度和质量确定的情况下，冲击脉冲力主要靠力脉冲发生器进行调节。根据组合冲头试件的冲击实验结果，在冲头材料和冲击速度和冲击质量等条件确定的情况下，为增大冲击脉冲的调节范围，可将力脉冲发生器中单一材料的冲头更改为组合式冲头。

在冲击速度确定且较大的条件下，如要求冲击脉冲峰值较小，脉宽较大时，可令组合式冲头中的高分子材料硬度较小。相同条件下，如需脉冲峰值进一步减小、脉宽继续增大时，可使用厚度较大的相同高分子材料。当要求脉冲峰值减小幅度较小，脉宽增长幅度较小时，可使高分子材料硬度、厚度均取较小值。反之，当冲击速度较低，却要求脉冲峰值较大、脉宽较小时，取高分子材料硬度大、厚度小，甚至可不使用高分子材料，直接使用金属冲头。