高速运动零件的碰撞特性实验研究

张 林，刘建斌，郭竞尧，张永涛

(西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099)

高速运动零件的碰撞特性实验研究

张 林，刘建斌，郭竞尧，张永涛

(西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099)

常规的自动武器结构动力学计算所引用的恢复系数为定值且取值范围较大，从而导致理论计算和样机测试结果常有差距。为了研究自动武器零件在射击过程中的碰撞行为，组建了一套实验装置，模拟了自动武器常用的高强度材料在单自由度、面接触仿真条件下的碰撞，通过激光测振仪测试模拟零件的速度变化，从而获取恢复系数和接触时间等参数，分析了该条件下的动力学相应规律。研究结果表明，碰撞的恢复系数和接触时间受多参数影响。

工程力学；高速碰撞；单自由度；面接触；恢复系数；接触时间

自动武器中各个机构动作的实现，绝大部分是依靠零件之间的碰撞进行能量传递，而在自动武器的设计中，结构动力学的大部分计算又是零件之间碰撞的计算，其中恢复系数是重要的输入参数。而利用现有计算手段对零件之间碰撞进行计算时，一般取碰撞恢复系数为定值且取值范围较大(0.3～0.5)[1]，在理论计算和样机实验的对比之下发现，计算值与实测值往往有一定的差距，影响了对火炮动力学研究的精度和可靠性。由于自动武器中的零件受力极其恶劣，所有依靠撞击进行传递能量的撞击形式均为面接触，并且碰撞速度的范围较大，常用的对碰撞及其恢复系数的研究方法在一定程度上均无法准确测定其碰撞恢复系数。

在本研究中，模拟了一种自动武器中零件的工作状况，通过两台激光测振仪测试参碰试件的碰撞过程，直接测量参碰试件的速度变化，得到碰撞速度变化曲线，从而求得该种高强度材料的恢复系数及碰撞接触时间的变化特征和规律。

1 碰撞实验与测试方法

1.1 实验装置介绍

为了模拟自动武器中零件的真实碰撞运动规律，组建了一套实验测试系统，系统组成简图如图1所示。主、被动参碰试件直接安装在导轨中，形成单自由度，参碰试件与导轨之间的间隙小于0.05 mm，该间隙尺寸通过修配来保证。主动参碰试件的一侧与气缸杆接触，通过气缸的推动提供初始速度，且与被动参碰试件碰撞前，已和气缸脱离，保证处于自由运动状态时参加碰撞。参碰试件的速度变化通过两台激光测振仪进行监测，主动参碰试件由1#激光测振仪经过反射镜监测其非碰撞面的速度变化，被动参碰试件由2#激光测振仪直接监测其非碰撞面的速度变化。

本次研究选用某自动武器常用的高强度材料30CrNi2MoVA，主、被动参碰试件的硬度分别为33HRC和55HRC，按照常用的外形尺寸简化后制成参碰试件，试件的制作工艺、材料与实际使用状态相同。主动参碰试件尺寸为46 mm×45 mm×108 mm，质量为1.5 kg；被动参碰试件尺寸为78 mm×45 mm×78 mm，质量为2.0 kg。被动参碰试件上有两种碰撞接触面积，分别为46 mm×9 mm和46 mm×27 mm，如图2所示。

1.2 碰撞参数分析

恢复系数和碰撞接触时间是碰撞实验中测量的基础性参数。恢复系数的大小表征碰撞前后动能变化的大小，即从能量的角度来看，恢复系数的实质在于表征碰撞过程中的动能损失。两物体在单自由度下的正碰撞如图3所示。

对于图3中的碰撞过程[1]，恢复系数e定义为两物体碰撞前的初始速度之差和碰撞后的分离速度之差的比[2]，即

(1)

式中：vA0和vB0分别是主、被动参碰体碰撞接触时的速度，m/s；vA和vB分别是主、被动参碰体碰撞分离时的速度，m/s。

碰撞接触时间为

t=tA-tA0=tB-tB0

(2)

式中：tA=tB为碰撞分离的时刻;tA0=tB0为两物体碰撞接触的时刻，s。

1.3 测试方法与步骤

在自动武器零件的高速碰撞实验中，通过气缸的运动给主动参碰试件提供一个初始速度，速度方向沿导轨朝向被动参碰试件。导轨上均匀地涂抹上润滑剂，保证在碰撞试件运动过程中的摩擦条件没有波动性变化。在主动参碰试件运动一段距离后，气缸运动行程结束，主动参碰试件与气缸杆脱离并沿导轨自由运动，直至与被动参碰试件发生碰撞。参碰试件的测试面上贴有激光测振仪指定的反射贴膜，两台激光测振仪分别全程监测参碰试件测试面的速度变化量。

根据两台激光测振仪所记录的主、被动参碰试件的碰撞接触时的速度以及碰撞分离时的速度，按照碰撞恢复系数的计算公式计算得出不同碰撞速度和不同碰撞接触面积下的恢复系数；再根据激光测振仪记录的时间，按照碰撞接触时间的计算公式得出碰撞接触时间。在分析碰撞问题时，可将碰撞等效为一个弹簧阻尼系统，如图4所示。在得到碰撞恢复系数和碰撞接触时间这两个重要的参数后，即可用相关模型得到弹簧阻尼系统的等效刚度系数和阻尼系数，进而可对碰撞过程进行数值模拟[3-6]。

实验的具体实施步骤如下：

1)气缸杆收回，主动参碰试件与气缸杆接触，系统处于准备状态。

2)输入主动参碰试件需要达到的碰撞速度及质量参数，计算出气缸需要的气体压力，并控制气路系统达到该压力值。

3)通过控制系统控制气缸进气通路上的电磁阀打开，主动参碰试件在气缸杆的推动下开始加速；数据采集系统开始记录1#、2#激光测振仪的测试数据。

4)气缸杆运动行程结束，主动参碰试件达到最大直线运动速度。

5)主动参碰试件继续沿导轨运动，直至与被动参碰试件发生碰撞。

6)主动参碰试件和被动参碰试件完成相互碰撞后的运动，数据采集系统记录结束，单次实验过程结束。

2 实验数据分析与结果讨论

2.1 实验数据分析

通过上述实验步骤得到实验测试曲线，如图5所示。实验测试曲线的y轴为测试电压值，测试电压与速度的换算关系为v=kU,k=2 m/(s·V)。

在图5中，上方曲线表示被动参碰试件的电压随时间的变化，下方曲线表示主动参碰试件的电压随时间的变化。碰撞过程可以分为碰撞压缩阶段和碰撞恢复阶段[7-8]。取被动参碰试件的运动速度发生突变的时间点tB0=107.38 ms作为碰撞压缩阶段开始的时间点；主动参碰试件的运动速度发生突变时的速度设为vA0；由于激光测振仪测试的是电压变化量，由测试电压与速度的换算关系v=kU就可得到参碰试件的速度变化量，故取被动参碰试件碰撞后被测试面速度变化前4次振荡的平均值为其碰撞分离速度vB，且第1次达到该速度的时间点tvB为碰撞恢复阶段结束的时间点；取主动参碰试件碰撞后被测试面速度变化前4次振荡的平均值为其碰撞分离速度vA；根据实验条件，被动参碰试件的初始速度vB0=0 m/s。由该曲线图可知，发生碰撞时，被动参碰件的速度由vB0=0 m/s迅速增加到8 m/s左右，后在此速度上下波动。主动参碰件的速在碰撞后急剧减小，最后基本稳定在2 m/s左右。

根据式(1)即可算得碰撞恢复系数e，根据式(2)即可算得碰撞接触时间t。

在碰撞接触面积为46 mm×9 mm的情况下，于4～11.2 m/s的速度范围内进行了34个速度点的碰撞实验；在接触面积为46 mm×27 mm的情况下，于3.2～11 m/s的速度范围内进行了36个速度点的碰撞实验。根据实验数据得到恢复系数和碰撞接触时间随碰撞速度变化的对比曲线如图6、7所示。

2．2 实验结果讨论

从图6和图7中的各个实验数据点的分散程度来看，实验状态的一致性较好，可信度较高。

由图6可得以下结论：

1)恢复系数在单自由度、面接触的碰撞条件下并不是一个常数。

2)总体上说，恢复系数随着碰撞速度的增大而呈一定规律性的增大，但对于碰撞接触面积为46 mm×9 mm的情况，恢复系数在碰撞速度达到11 m/s后还有一个下降的趋势，这个特征还需根据材料特性进一步实验来验证。

3)同时还可以看出，恢复系数不仅和碰撞速度有关，与碰撞接触面积也有关。定性上看，在相同碰撞速度下较小的碰撞接触面积相比较大的接触面积的恢复系数要高，若要从定量上给出碰撞接触面积对恢复系数大小影响的规律还需大量的实验数据作支撑。

由图7可得以下结论：

1)碰撞接触时间随着碰撞速度的增大而减小。

2)同时还可以看出，碰撞接触时间也与碰撞接触面积有关。定性上看，在相同的碰撞速度下较小的碰撞接触面积相比较大的接触面积的碰撞接触时间要短。

文献[9]通过测量不同高度弹性体下落时所需时间，得到的结果显示恢复系数与物体碰撞时的速度无关；文献[10]借助声音传感器采集钢珠与玻璃板间弹跳碰撞产生的脉冲声信号，测得恢复系数随碰撞初速度增大而略微减小，并且与文献[11]结论吻合；文献[6]采用高速光学采集系统拍摄石墨砖的碰撞过程，通过图像处理算法获得碰撞前后的速度等参数，得到恢复系数和随碰撞速度的增大而增大，同时随着碰撞速度的增大，恢复系数的增大趋势越来越小，逐渐趋于平缓，而碰撞接触时间随碰撞速度的增大而减小，与文献[12]中的数据变化趋势基本一致。

以上文献中的研究结果的不同结论结合本文的研究结果说明，物体的绝对恢复系数以及碰撞接触时间和碰撞的外部条件有关[13]，即与物体的材料及材料的机械性能(如钢材的热处理硬度)、碰撞接触面形势(点接触、线接触、面接触)、碰撞速度等因素有较大关系，而与物体的外形、环境温度、环境湿度等其他因素是否有不可忽略的关系尚待验证。

故物体绝对恢复系数的函数可以表示为

e=f(C,S,v)

(3)

式中：C为材料及其机械性能的输入参数(可能包含材料的弹性模量E及泊松比ν)；S为碰撞接触面形势的输入参数(可能包含点接触、线接触和面接触的判断，面接触中包含面积)；v为碰撞速度。

物体的碰撞接触时间的函数可以表示为

t=g(C,S,v)

(4)

两个绝对恢复系数不同的物体发生碰撞的共同恢复系数可根据文献[13]的推导进行实验验证。

3 结束语

笔者采用直接测量碰撞速度变化的方法，对某自动武器常用的高强度材料，在单自由度面接触碰撞的条件下进行了研究。实验结果表明，在仿真零件实际使用的条件下，碰撞恢复系数并不是一个常数，并且它不仅与碰撞速度有一个相对应的关系，同时还与碰撞接触面积有关，即较小的碰撞接触面积相比较大的碰撞接触面积,在相同碰撞速度下的恢复系数高；碰撞接触时间随着碰撞速度的增大而减小，同时碰撞接触面积对它的影响与对恢复系数的影响相反。

笔者采用的实验方法直观、可重复性好，并且直接测试参碰试件的速度变化，避免将直接物理量测量转变为间接物理量测量带来的误差，可信度高。所得的实验结论，可以对自动武器的动力学分析提供新的输入参数。

)

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Experimental Study on the Impact Property of High Speed Moving Parts

ZHANG Lin, LIU Jianbin, GUO Jingyao, ZHANG Yongtao

(Northwest Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xianyang 712099, Shaanxi, China)

Recovery coefficients cited for conventional automatic weapons structural dynamics calculations are a fixed value with a large range of possible values, leading to the gap between theoretical calculations and prototype test results. In order to study the collision behavior of automatic weapon’s parts in the shooting process, we establish a set of experimental devices to simulate commonly used high-strength material of the automatic weapon’s impact in simulation conditions of single degree of freedom and surface contact, through which we use laser vibrometer testing for the simulation of the speed change of parts, thereby obtaining restitution coefficient and the contact time parameters for the analysis of the corresponding law of dynamics under the conditions. The research results show that the restitution coefficient and the contact time of the collision are affected by multiple parameters.

engineering mechanics; high speed crash; single degree of freedom; surface contact; restitution coefficients; contact time

10.19323/j.issn.1673-6524.2017.01.016

2016-06-31

张林(1992—)，男，硕士研究生，主要从事火炮自动机技术研究。E-mail：919310356@qq.com

TJ35

A

1673-6524(2017)01-0079-05