冲击与碰撞试验之缓冲器

一、缓冲器

缓冲器是形成各种形状的冲击脉冲波形的装置，是冲击、碰撞试验台的重要组成部分之一。

1、形成半正弦和三角形冲击脉冲的装置

半正弦和三角形冲击脉冲通常由各种回弹装置来产生。用撞击质量和脉冲形成装置组合起来模拟典型的无阻尼单自由度的弹簧质量系统，冲击脉冲是该系统的半周振荡。冲击脉冲形成装置起着弹簧的作用，使用完全线性的或准线性的弹簧（力与变形成线性关系）将产生半个正弦脉冲。逐渐增大非线性硬化弹簧特性能产生近似于三角形的尖脉冲。

（1）橡胶型。它的脉冲形成装置是属于准弹性脉冲形成装置，因为是高弹性的，通常用来产生需要的半正弦脉冲。当变形大时，就产生三角形脉冲或抛物线尖顶脉冲。该装置的材料可用橡胶和类似橡胶的塑料，并且对多次冲击脉冲是可重复使用的。

（2）高强度塑料。它的脉冲形成装置是准弹性的脉冲形成装置，通常用于要求有高的动态弹性刚度来产生脉冲持续时间短的半正弦脉冲。很多高强度塑料都可使用，例如、聚丙烯、偏二氮乙烯、乙酰均聚树脂和纤维层压酚醛塑料。通常把脉冲形成装置的最大应力设计在弹性极限之内，所以，允许重复使用多次。当这些材料与具有适当线性刚度的材料串压在一起使用时，就能产生三角形脉冲。

（3）液体与准液体弹簧。液体弹簧的脉冲形成装置是准弹性脉冲形成装置，通常用来产生半正弦脉冲。液体弹簧是个液压缸，在脉冲形成过程中液体（例如液压油）在液压缸里受到压缩。改变结构设计能改变弹簧的刚度，从而改变脉冲持续时间和峰值加速度。这种弹簧能重复使用，不需要补充液体。

（4）气体弹簧（可变力）。它的脉冲形成装置是一种弹性脉冲形成装置，它可以用来产生某些形状的对称脉冲，各种形状的对称脉冲的改变取决于弹簧初始的预载或预载压力、初始容积及冲击过程中容积的变化。通常在预充气压力低、容积大大减小（相对于初始容积而言）的情况下会产生尖脉冲。该装置常用的气体是氮气。

2、矩形和梯形脉冲形成装置

矩形和梯形脉冲要求脉冲形成装置能施加一个不随时间（和变形）而变的恒力。这样的装置可能是弹性的也可能是非弹性的。

（1）模铸的成形铅体。模铸的小铅球和不同形状的铅块用于制作可压环的矩形脉冲形成装置，这些装置只限于产生较短的冲击脉冲。每次试验后，这些铅球或铅块要更换，但铅可以重新熔化和模制。

（2）蜂房式。蜂房式脉冲形成装置是非弹性的脉冲形成装置。它可以用金属材料或纤维材料薄壁盒制成，这些薄壁盒在受载时被压坏并产生永久变形。这种脉冲形成装置可以做成能产生可控制上升时间的梯形脉冲，每次试验后峰房要更换。

（3）气体弹簧（准恒力）。气体弹簧常用于产生矩形或梯形脉冲。这种弹簧的预充气压力通常很高而容积变化很小（相对于初始容积而言），在弹簧变形时能产生准恒力。当这种弹簧与橡胶件或液体弹簧串接使用时能产生梯形脉冲。

电动和液压伺服振动台都可以用来产生矩形脉冲。

3、四分之一正弦形和后峰锯齿形脉冲形成装置

用于产生四分之一正弦形脉冲的脉冲形成装置，其压缩弹簧刚度应该是线性的。用于产生后峰锯齿形的脉冲形成装置，其压缩弹簧刚度应是非线性的。当力达到蜂值时，力的输出值迅速衰减到零。由于脉冲的不对称性，所以，这些脉冲总是用非回弹装置来产生。

（1）模铸的成形铅体。模铸铅体的脉冲形成装置是一种非弹性变形型的脉冲形成装置。铅体的形状决定了冲击脉冲的形状。例如，压扁一个圆锥形铅体能产生近似锯齿形的后峰冲击脉冲。这种铅体只能用一次，因为它的形状在冲击时被破坏了，但铅可以重新熔化并模铸。

（2）蜂房式。不同的蜂房结构可产生非对称的脉冲。若蜂房是三棱柱形，其接触的横截面积随变形的增大，能产生锯齿形脉冲。

（3）变截面的预充气气缸。这种气缸与准弹性材料串接使用可以提供恒定或强化弹簧刚度装置与输出力快速衰减装置的综合系统。脉冲上升时间部分由准弹性材料控制，而最大加速度幅值和下降时间则由气缸控制。

典型的脉冲波形发生器类别见表4.4.2。

表4.4.2 典型的脉冲波形发生器类别

4、各种缓冲器的比较

各种缓冲器的比较见表4.4.3。表中列举了从缓冲器的能量、波形、二次回跳与调整等方面来对弹性缓冲器和非弹性缓冲器做了详细的比较，以供读者参考。

缓冲器结构形式举例

（1）弹性缓冲器。弹性缓冲器大多采用橡胶材料，在冲击运动中缓冲器受到的是冲击力，所以对缓冲器来说，研究的是冲击刚度，冲击刚度是载荷在高于1m／s的速度冲击下测得的力和变形之间的关系。冲击刚度与静刚度、动刚度之间的关系为

K动=(1.3～2.2)K静

K冲=(1.5～2.0)K动

表4.4.3 各种缓冲器的比较

橡胶的刚度与橡胶的硬度（弹性模量）、橡胶的组合情况、橡胶的厚度以及橡胶的打击面积有关。所以，要得到大的脉冲持续时间时，可以采取软橡胶甚至海绵，也可减小像胶的打击面积，尽量不使橡胶周围受到约束使其变形自如。这样，刚度不会增大，也可以增加橡胶的厚度以减小刚度。若要得到小的脉冲持续时间，情况正好相反。新的橡胶缓冲器须预先承受一定次数的冲击，其刚度才趋于稳定，这须在使用中逐渐掌握。

（2）产生半正弦波的立体缓冲器。这是一种弹性缓冲器，容器内充有一定压力的气体。其结构如图4.4.22所示。这种缓冲器安装在冲击台工作台面底部，当冲击台向下冲击时，缓冲器的冲头撞击砧座，使冲头向上运动.压缩容器内的气体产生冲击脉冲。砧座的材料可以是刚体，也可以是弹性体，由于容器内气体受压且气体又是弹性体，所以产生的冲击脉冲波形是半正弦形的，而且波形也比较好。

（3）产生三种典型波形的气体缓冲器。这种缓冲器在容器内充有一定压力的气体，结构如图4.4.23所示。

当缓冲器冲头撞击砧座时，若砧座是弹性体，其刚度小于容器内气体的刚度时，冲击使砧座发生弹性变形而气缸内的活塞不产生移动，此时产生的冲击脉冲是半正弦形的。如果砧座刚度大于气缸内气体的刚度时，冲击使活塞产生移动，活塞上方的气体在活塞离开初始位置就迅速进入活塞下方，由于冲击对台面产生的作用力突然，迅速地衰减并接近零（仅有的极小力是由于活塞杆的存在面保留的，一般为原力的1／10），此时，产生的冲击脉冲是后峰锯齿脉冲。如果在此结构的基础上稍做调整和改进就可以产生梯形脉冲。

（4）产生后峰锯齿波形的气体缓冲器。这种缓冲器的结构如图4.4.24所示。缓冲器容器的下腔充有液体，活塞2上面充有压力气体，利用液体的节流作用，使力-变形曲线呈非线性，这样，波形的前沿呈直线上升状态，压力增大到一定程度（即冲击时冲头向上运动压缩下腔的液体使压力增加），使活塞1向上移动产生间隙时，液体迅速流入活塞2下方，使工作台受的力降到接近零，则产生后峰锯齿形脉冲。

（5）液压缓冲器。这种缓冲器可产生后峰锯齿波．如图4.4.25所示。在活塞腔内充满液体，冲击时，活塞向上运动，液体从中间节流孔流入活塞2下方的腔内，产生的力-变形曲线是非线性的，当活塞1向上移时，活塞1上方的液体迅速流向活塞1的下方（活塞D＝D1＜D2），使工作台所受力迅速下降至接近零，从而产生后峰锯齿波。

二、强碰撞冲击试验机

这是一种规定冲击机试验的试验设备，又称冲击机规范。这种试验主要用于考核电工电子产品经受非接触性水下爆炸、空中爆炸、近距离脱靶炮火等冲击影响的适应性和结构完好性。

舰载电工电子产品在使用和运输过程中可能遇到的冲击条件有：舰载各种火炮（包括导弹）单发和齐发所激起的局部冲击，其中包括大炮炮口的冲击波（又称气浪冲击）；敌方炮弹、导弹和空中武器在舰船上方附近爆炸所激起的冲击；自投式敌敌方攻击的水中兵器，如水雷、鱼雷、深水炸弹在紧靠船体下方爆炸所激起的非接触性水中爆炸冲击等。

上述这些冲击有的是直接作用在产品上，有的是通过船体本身结构的传递作用在产品上。通常安装在甲板、舷侧板和上层设施上的电工电子产品易受到炮弹、炸弹、导弹等空中爆炸的冲击。这些冲击往往使产品的结构和性能受到很大的影响，甚至被破坏。随着舰载各种产品愈来愈多，而且愈来愈依赖它们的作用，因而对它们的使用可靠性要求也愈来愈高，为了保证舰船电工电子产品的可靠使用，为了保证在海上航行时生命财产的安全，特别是对参与战斗的舰船，为了保证不贻误战机，必须在试验室内重现上述冲击的影响，必须对产品进行考核。

英国首先着手进行舰载设备在室内模拟受到水下爆炸冲击的影响的，英国从第二次世界大战早期的战争损坏报告中得知，非接触性水雷和大型空投炸弹所产生的冲击负荷导致了舰载设备的大量损坏，为了减少这种损坏，英国于1939年初首先研制出了适用于舰船轻型设备冲击试验用的冲击机。由于这种试验机在当时较好地起到了提高产品质量的作用，因此、美国于1940年就进行了仿制，设计制造了第一台轻量级强碰撞冲击试验机，接着又于1942年研制出了中量级强碰撞冲击试验机，随后前苏联、日本也相继仿造出上述两种设备。美国在此之后不仅做了大量的理论研究，而且通过试验对理论进行了充分的论证，并以标准的形式规定下来。我国的船用电机电器设备自1966年以来就一直以这种强碰撞冲击试验作为冲击试验考核标准，从1983年开始，舰船电子设备也以这样的强碰撞冲击试验作为冲击考核。GJB4.1，GJB150和BJB360中都规定了强碰撞冲击试验方法。

现场遇到的冲击一般可分为简单冲击和复杂冲击，水下和空中爆炸所产生的冲击是十分复杂的、呈现瞬态振动的形式，其冲击持续时间远比一般冲击要长得多，而且很难用数学形式来描述它或者用一种具有数学形式的冲击来模拟它或模拟它对产品的影响。舰船用电工电子产品一般都具有重量大、体积大的特点，若用规定脉冲波形的冲击机来进行试验，一方面模拟不出爆炸所产生的那种大加速、长持续过程的复杂冲击或其影响；另一方面，这种冲击机与强碰撞冲击机相比易受负载本身特性的影响，强碰撞冲击机就是针对受到剧烈的、但又不是毁灭性的爆炸所产生的影响而设计的。爆炸引起的剧烈冲击能使整个船体运动，所以，这种试验方法特别适用于安装在舱壁或甲板上的设备。就试验的再现性而言，这种冲击机不如规定脉冲波形的冲击机，但大量使用表明，用这种试验机对产品试验所得的结果与现场爆炸对产品造成的损坏和失效是一致的。

强碰撞冲击机是一种规定试验机的试验方法，其特点是将试验机的结构、尺寸、运动、操作方法都以标准的形式规定下来。目前，我国国家军用标准规定的试验机有3种形式，即轻量级试验设备（见图4.4.26和图4.4.27）、中量级试验设备（见图4.4.28）和重量级试验设备（见图4.4.29)。

轻量级强碰撞冲击机主要由固定被试验样品用的试验砧板、垂直落下的落锤和圆弧摆动的摆锤组成。试验时，通过落锤和摆锤自由下落的能量给砧板以冲击负荷，然后由砧板直接或通过过渡架传递到试验样品上。砧板在正常安装位置时受落锤的垂向冲击，当绕垂直轴转动90°成侧向冲击位置时将受摆锤的侧向冲击。这样就可使试验样品受到三个相互垂直方向的冲击。

中量级强碰撞冲击机主要由摆锤、砧板和工作台等组成，试验时通过安装架固定试验样品，摆锤摆动撞击工作台砧座，将能量传递给试验样品。试验样品的安装为水平安装和倾斜安装。

重量级试验设备是通过浮动冲击平台安装固定试验样品并经受水下爆炸试验。

来源：《力学环境试验技术》