某装置液压阻尼器的阻尼孔试验

丁 雪，叶良武，程博宇，汪罗杰

（国营第四四五厂，浙江 杭州 310000）

0 引言

海权是决定国家和民族命运的重要因素。近代我国受到的历史屈辱，大多是来自于海上。没有一只强大的现代化海军，就不可能维护海权。建立一只强大的海军，一直是我国领导人和全国人民的共同愿望。在现代战争中，海军的作用更加的突出，自从导弹武器系统装备军舰后，海军军舰的作战能力就发生了质的飞跃，各种型号军舰的对抗，也主要是导弹武器的对抗，与之配套的舰载导弹发射装置也逐步走向成熟。发射装置是海军舰艇中不可替代的舰载武器，其具有发射率高、反应速度快、操控方便、持续作战能力强、用途广泛等特点。各国海军对于发射装置的研究也是越来越重视。发射装置在发射过程中所产生的后坐力对发射装置的射击精度、发射装置和甲板的固定以及发射装置自身结构强度都会产生负面影响。因此，减小发射装置发射过程中产生的后坐力对于提高发射装置的技术水平具有深远的意义。本文将通过试验[1-2]研究发射装置中的液压阻尼器[3-7]，选择出合适的阻尼孔的孔径，这将对提高舰炮的性能具有重要意义。

1 液压阻尼器

1.1 液压阻尼器介绍

阻尼器是一个机器构件，是一种通过提供运动阻力，削减运动能力的装置。按照构成元素的不同，可以分为弹簧阻尼器、液压阻尼器、脉冲阻尼器、旋转阻尼器、风阻尼器、粘滞阻尼器、阻尼铰链、阻尼滑轨等。其中液压阻尼器是一种对速度反应灵敏的减震装置，它借助特殊结构阀门控制液压缸活塞移动以抑制管道或设备周期性载荷和冲击载荷影响。由于液压阻尼器具有防腐性强、摩擦阻力小、寿命长、可用于高温工作等优点，主要用于防止设备因地震、水锤、汽锤、风载、安全阀排汽及其它冲击载荷所造成的破坏。

液压阻尼器是一种用来延长负载作用时间，限制负载速度、位移，以及吸收并转化能量的装置。在诸多高速液压系统中，液压缸活塞或者被执行件运行速度往往高达十几米/秒，这样就会产生强大的冲击压力、噪声，甚至机械碰撞。所以在运动结束之前一定要做适当的缓冲和制动，从而防止损坏部件、降低噪声，提高系统的工作性能和寿命[8]。

1.2 液压阻尼器作用

液压阻尼器是一种可以吸收冲击力，并减少由于冲击所产生的振动的装置。液压阻尼器利用充满液压油的液压缸，通过阻尼控制阀的作用，在液压缸两腔产生压力差，从而对负载产生阻尼力，该阻尼力的大小与负载速度有关。液压阻尼器可以吸收负载冲击、限制负载位移。因此，液压阻尼器已被广泛地运用在军工、枪炮、航空等领域。其可以在发射装置发射产生后坐力时，提供运动的阻力，耗减运动能量，从而可以起到缓震的作用。液压阻尼器中的阻尼孔可以控制液体的流量，起到关键的阻尼作用，从而减小后坐力。本文将对液压阻尼器中的阻尼孔的孔径大小进行研究，选择出大小合适的阻尼孔的孔径。

1.3 液压阻尼器工作原理

液压阻尼器是一种速度敏感性的装置。当由力所引起的运动超过允许速度时，阻尼器将锁定、带载，并将速度限制在一个叫做闭锁后速度或渗漏率（bleed rate）的速度值。因此，测试液压阻尼器时，所关注的参数如下：额定载荷下的闭锁速度（lock-up velocity）、闭锁后速度或渗漏率、等值弹簧刚度（stiffness）。

1）正常工况下活塞杆速度V＜闭锁速度V闭，对管道的作用力很小。

2）当发生瞬间冲击载荷时，V增大达到V闭时，液压油推动阀芯，使阀芯克服弹簧力关闭，液压油只能从阻尼小孔（节流阀）流过，形成阻尼力FN，使阻尼器闭锁。从而实现减振、抗振动的目的。

3）对于抗安全阀排汽型阻尼器，由于阀芯不设阻尼小孔，液压介质无法流动，因此，闭锁后速度V闭=0。从而实现液压阻尼器对管道的持续拉力。

本次试验所用的液压阻尼器一般由活塞杆、阻尼柱、油缸、复位弹簧等部件组成，图1为液压阻尼器的结构示意图。当管道或设备受到冲击产生位移时，使得活塞杆产生压入油缸的运动，活塞在内缸筒里相对往下移动。此时，活塞阀门被冲开向上，内缸筒腔内活塞下侧的油流向活塞的上侧，若其运动速度较小时，油缸内的油经阻尼孔可以从下腔流入到上腔，此时由于流道畅通，阻力很小，从而允许与液压阻尼器连接的管道或设备产生自由移动。同时，这一部分油也通过底部阀门上的小孔流入内、外缸筒之间的油腔内。这样就有效地衰减发射装置发射时产生的后坐力对于设备的冲击。当发生瞬间冲击载荷时，其运动速度突然增大，油冲开底部的阀门流向内缸筒，同时内缸筒活塞上侧的油经活塞阀门上的小孔流向下侧。此时当液压油流过小孔过程中，会受到很大的阻力，油流受阻产生了阻尼力，从而实现缓冲的目的。

图1 液压阻尼器的结构示意图Fig.1 Schematic diagram of hydraulic damper structure

2 液压阻尼器试验研究

2.1 试验平台搭建

本试验主要研究当液压阻尼器中阻尼孔的孔径大小不同时，负载的试验位移和液压阻尼器活塞杆移动位移之间的关系，从而选择最为合适的阻尼孔的孔径尺寸。试验平台主要由无线释放器（可以通过遥控对试验负载的下落进行控制）、试验负载（通过控制试验负载的下落高度模拟不同的后坐力）、液压阻尼器（4种不同型号）、试验支架、试验底座（用于固定液压阻尼器）以及位移传感器（获取液压阻尼器活塞杆移动位移）组成。图2和图3分别表示试验平台的结构示意图和试验过程实物图，图4是试验中使用的4种型号的液压阻尼器的实物图。

图2 试验平台结构示意图Fig.2 Schematic diagram of test platform structure

图3 试验过程实物图Fig.3 Physical diagram of the test process

图4 4种液压阻尼器实物图Fig.4 Physical diagram of four types of hydraulic dampers

2.2 试验方法

通过调节试验负载与液压阻尼器之间的高度，从而使得试验负载下落对液压阻尼器产生不同的冲撞力。试验中试验负载从不同的高度下落产生的冲击力可以模拟发射装置发射过程产生的后坐力。

具体的试验方法：首先调节试验负载与液压阻尼器之间的高度（分别为 200 mm，450 mm，800 mm），通过无线释放器对试验负载的下落进行远程遥控，当负载分别从不同的高度下落撞击到液压阻尼器之后，位移传感器会记录液压阻尼器活塞杆的移动位移。

2.3 试验结果分析

本试验中有4种型号的液压阻尼器，分别是1#、2#、3#、4#，它们的阻尼孔的孔径大小分别为6.5 mm，7.5 mm，8.5 mm，9.5 mm。通过对比表1的理论参数与试验数据（误差需控制在3%以内），从而选择出液压阻尼器中的最优阻尼孔经。表1中：Mm表示模拟试验跌落块的质量；Hm表示模拟试验跌落的高度；Vm表示模拟试验跌落的初速度；Smax表示模拟试验的液压阻尼器活塞杆的最大位移。

表1 试验的理论参数Tab.1 Theoretical parameters of the test

图5表示试验负载接触到1#液压阻尼器后的行程时间与液压阻尼器的活塞杆位移之间的关系，从图中可以得出随着负载跌落的高度 H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不断地增加，阻尼器活塞杆的位移也是相应的增加。随着行程时间增加，活塞杆位移急剧增加，当行程时间分别达到150 ms，120 ms，112 ms左右时，阻尼器活塞杆位移达到最大值，而后位移开始逐渐的减小，并最终趋于不变。

图5 1#液压阻尼器的行程时间与液压阻尼器活塞杆位移关系图Fig.5 Relation diagram of travel time of 1# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper piston rod

图6表示 2#液压阻尼器被负载冲击后的行程时间与液压阻尼器的活塞杆位移之间的关系，从图中可以得出随着负载跌落的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不断地增加，阻尼器活塞杆的位移也是相应地增加。随着试验负载与液压阻尼器接触时间增加，液压阻尼器的活塞杆位移急剧增加，当行程时间分别达到225 ms，200 ms，150 ms左右时，阻尼器活塞杆位移达到最大值，而后位移开始逐渐减小，并最终趋于恒定。

图6 2#液压阻尼器的行程时间与液压阻尼器活塞杆位移关系图Fig.6 Relation diagram of travel time of 2# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper pistion rod

图7 表示 3#液压阻尼器受到负载冲击后的行程时间与液压阻尼器的活塞杆位移之间的关系，从图中可以得出随着负载跌落的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不断地增加，液压阻尼器活塞杆的位移也相应增加。随着行程时间增加，活塞杆位移急剧增加，当行程时间分别达到250 ms，200 ms，150 ms左右时，液压阻尼器活塞杆位移达到最大值，而后位移开始逐渐的减小。

图7 3#液压阻尼器的行程时间与液压阻尼器活塞杆位移关系图Fig.7 Relation diagram of travel time of 3# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper piston rod

图 8表示液压阻尼器的阻尼孔为 4#时，试验负载接触到液压阻尼器后的行程时间与液压阻尼器的活塞杆位移之间的关系。从中可以看出，随着试验负载与液压阻尼器之间的高度H（H=200 mm，H=450 mm，H=800 mm）不断增加，液压阻尼器活塞杆位移也相应的增加。随着试验负载与液压阻尼器接触时间增加，当行程时间分别达到 200 ms，180 ms，170 ms左右时，液压阻尼器活塞杆位移急剧增加到最大值，随即位移缓慢减小。

图8 4#液压阻尼器的行程时间与液压阻尼器活塞杆位移关系图Fig.8 Relation diagram of travel time of 4# hydraulic damper and displacement of hydraulic damper pistion rod

当试验负载与液压阻尼器之间的高度H=200 mm时，4种型号的液压阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞杆移动的最大位移分别为：95.26 mm，147.6 mm，183.63 mm，229.84 mm。

当试验负载与液压阻尼器之间的高度 H=450 mm时，4种型号的液压阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞杆移动的最大位移分别为 108.18 mm，168.11 mm，226.145 mm，263.05 mm。

当试验负载与液压阻尼器之间的高度 H=800 mm时，4种型号的液压阻尼器（1#、2#、3#、4#）的活塞杆移动的最大位移分别为：122.065 mm，184.23 mm，253.48 mm，292.34 mm。

通过比对试验测出的4种型号的液压阻尼器活塞杆移动的最大行程与理论要求的最大行程得出，选择 4#液压阻尼器的阻尼孔的误差最小，当试验负载与液压阻尼器之间的高度 H=200 mm，450 mm，800 mm时，最大行程的试验与理论的误差值分别为2.89%，2.14%，0.77%，此时的误差值在4种类型的液压阻尼器中达到最小，且均在最大误差范围之内。所以，应选择 4#液压阻尼器，其最优阻尼孔经为9.5 mm。

3 结束语

本文运用试验的方法模拟了发射装置发射炮弹时产生的后坐力对液压阻尼器的冲击，将理论参数与试验所得数据相比对，为发射装置中的液压阻尼器选择了大小合适的阻尼孔的孔径。本试验的研究对后续的发射装置中的液压阻尼器的孔径大小的选择问题具有一定的参考价值，同时也对减小发射装置发射过程中产生的后坐力问题具有一定的借鉴作用。