（机械制造及其自动化专业论文）跌落式冲击试验监控系统.pdf

摘要 摘要 本论文的主要内容是g t s h o c k _ 1 2 0 v 跌落式冲击试验系统的监测和控制系统的设 计。本系统软件主要是针对g t s h o c k - 1 2 0 v 跌落式冲击试验机，采用上位机的控制界 面发送命令，下位机执行命令的方式，实现了对跌落冲击试验自动监测和控制。 论文在论述本系统软件设计之前，先介绍了课题的背景，然后对冲击试验过程 建立了力学模型，并分析了影响冲击波形的因素，其中主要因素包括提升高度、台 面质量、波形发生器刚度和缓冲垫的形状和刚度等。同时也为该系统设计选择了相 应的硬件，在论文最后对本系统的功能进行了调试和检测，测试结果表明本软件系 统能够安全、可靠、自动控制冲击试验。 为保证系统能够安全、可靠的运行。设计本系统时，在设计思想上借鉴了扫描 工作方式和中断工作方式的思维，把上位机发送的命令分成两类，一类按照扫描工 作方式，p l c 接收并完成上位机发送命令的功能，主要是用于一般执行命令，此类 命令只有当所有动作都完成后才可以接收新的命令，以保证命令执行的安全性；另 一类是按照中断工作方式来处理上位机所发送的命令，当紧急情况发生时，可以通 过此类命令控制试验系统，以保证在紧急情况下试验系统的安全性。在输入和输出 的方面，本系统采用了命令互锁和输出联锁的方式，避免了因误输入而引起的不正 确的输出，从而进一步保证了系统的安全性。 g t s h o c k 一1 2 0 v 跌落式冲击试验机的研制，使我国的冲击试验系统达到国际先进 水平，改变我国高水平、高性能冲击试验系统依赖于国外的局面。 目前，g t s h o c k 1 2 0 v 跌落式冲击试验系统的监测和控制系统已投入使用有半年 多，运行稳定、安全、可靠，得到用户的满意。 关键词跌落冲击试验；p i _ c ；串口通讯；测试方法 a b s t m c i a b s t r a c t t h i s p a p e rd e s i g n e dt h em 0 1 l i t 嘶n g 柚dc o n n d l l i n gs y s t 鼬o fd l d ps h o c km h i n cf b r g t s h o c k _ 1 2 0 v 砸s8 y s 衄n 心dt 0m 叽i t o r 蛆dc 锄血川b y 孤0 咖撕o n 断i tw h e ni n l p 虻t i n gt e s t 啪s b e i n g a r l di ts d sc o 蛐蛐db yc o n 虹o lj n t e r f a c e0 nu p p 髓。o n 缸d 1 1 e x e c u t e sc 0 衄眦d b yl o w 盯 c o n 乜枷e l 1 1 1 ep a p 盯缸ti n 仃d d u c e c lm eb a c k 霉【d u n do f “sp m j e c l h 衄b u i l t 血em e c h 觚i c sm o d e lo f i m p a c tt e s t ，柚d 锄a l y z e dl h e 自c t o 璐t h a ta f i b c tw a 、c i 研mo fi n l p 甄gt 鼯lt h em a i n 矗酣o r sa r en l e h e i g h to f b e i l l g1 i f i c d ，m em 蹈o f 忸b l c 勘a r d ，m er i g i d i t yo f w 批g e i 岫妇衄dl h ef i g l l r e r i 茸蛐，o f b u 圩hl u l d e r l a y i ts e l e 曲e dt h ec o r 瑚p o n d 耐h 柚m 哪髓f b rl h i ss y 妇髓f i n a l l y d e b u 鹤i l l ga 1 1 dt e g 血g l l l ef 岫c 石o n so fi h es y s t 咄s o f h 阳i c ，拍di h er e s u hd e m o 璐n 劬酣t h a tm es ”t e ms o f h v a 托h a ds a f e l y c r e d j b l y 锄l t 叩1 抓】1 yc o n t r o l l e dm ei m p 石g 把s t t bm a l c e 姻f b t yo rc r e d i b i n t yf b r 也i sm o n i t 嘶n ga n dc 咖1 1 i i l gs y s t e 】【n o n 也eb a s i so ft h e r u n n m gm o d eo fs c 蛆明d 锄甜m i m es o r 啪”s y s t 哪d m d e d 也ec o r n m 柚d sf b m u p p 臂c 扛d l l e r i 1 1 t o 咖p a n sw h 即d e s i 印c d t h i ss y s 觚i 0 n e i s 瑚咖e d b y p l ca c c o r d 咄t o t h e w a yo fs a 眦地； t l l i sm o d ew 船u s e df o rm n - 0 f i i l i nc o m m 趾d ，w h 锄t l l ec o 衄锄d sw e r es t b yu p p e f c o n 仃0 1 1 a n d1 0 w e rc o n 的l l 盯c o u l d 。印tt l l e mn oo t h e rm 蛆tc o 姗m 皿dh a db 湖 f i i l i s h e d s om a th a v ee n s 删c u r r t 咖髓d 哪b e i i l g 矗i l i s h e ds a f c ly t h eo t l l 材i s r e c e i v e db yp l ca c c o r d i n gt o1 1 l e 啪yo f i n t 盱i 山i n g 1 h e c 伽m a d sc 砌dc o n 仃o lm et e s ts y s t 咖 w h e t l l c rc i l r 础1 tc o m m a n dw 血d & h e d0 rn o t w h 铋t h e 甑i g c ew 鲢b e i n g a n d 廿l i ss y s t 锄i 玎锄1 0 c k s o m e i n p u t s 勰do u 咖t s f o r 血es a k eo fs a 衄s o t h a ta v o i l e d i m p r o p c ro u t p u 乜f o r m i s i i l p u t a d m 呲 黜u m dt h c 豫f b t yo f m i sm 咖d i o r i n g 蚴d c o n 仃0 1 1 i i l gs y s t 1 皿ed r o ps h o c km 叩h i n co f g t s h o c k - 1 2 0 v 瑚曲e d 也e 血锄d a ll c v e lo f 也a 仁锄dc h a n g 酣 m es 扭t i l so f d 印朗d i n go n o v e r 辩鹊d r 叩s h o c k m a c h j n e t h ei n i 谢n g 柚dc o 咖u i n gs y s t e mo ft l l ed r o ps h o c km a c h i f o rg t s h o a 0 1 2 0 vh a v e b nu s e d f o r m o r c t h 姐h a l fay e a l u s 懿啪僦s f i e dw i l h 血es o 脚a r es y s t 锄嫱nn l n ss 诅b l y s a f c l y 蚰dc r e d i b k k e y w o r d sn l ed d 0 ps h o c kt c s t ； p l c ； s c r i a lp 嘣c o m 盯n l n i c 撕o n ； t e s tm 血0 d s i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，郎：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：旦捧导师签名：垃日期：型乙耻 1 1 冲击试验的概述 1 1 1 冲击试验的概念 第1 章绪论 各种工业产品在实际使用和运输过程中经常经受冲击环境。冲击试验是环境与 可靠性试验的一种，其目的就是要确定产品在使用和运输过程中的承受非重复性机 械冲击的适应性，其结构的完好性以及该产品耐冲击载荷作用的置信度 1 。冲击是 指系统在瞬态激励下的运动，它的特点是激励的作用时间远远小于系统的运动周期， 这意味着是种突然的、猛烈的运动【3 】。冲击也可以看作是振动环境的一种特例【】4 。 “。冲击一般分为简单冲击和复杂冲击，简单冲击的幅值随时间变化的曲线按照国际 标准可以近似为简单的几何图形，如半正弦波、梯形波、锯齿波等；复杂冲击的冲 击幅值随时间变化的曲线呈复杂的衰减振荡波形【1 】。容易与冲击试验概念相混淆的是 碰撞试验的概念，关于两者的区别是：碰撞试验是为了确定重复性冲击所引起的累 积损伤对产品的影响，是比冲击较弱的多次的重复的能量激励。而冲击试验是产品 受到瞬恚激励，其力、位置、加速度、速度发生突然变化的现象，是不同于累积损 伤的破坏，而属于相对于产品结构强度来说是极限应力的峰值的破坏。国家标准电 工电子产品基本环境试验规程中这样规定的：“冲击与碰撞均属于冲击范畴。两 者的区别在于冲击是运输或使用过程中遇到的非经常性的、非重复性的冲击力。而 碰撞是在运输或使用过程中多次出现的经常重复的冲击力”【。在工程实际问题中， 由于冲击带来的严重破坏性，如强烈的冲击会引起结构瞬时断裂、仪器仪表精度降 低、元件损坏、甚至失灵。随着现代科学技术迅速发展，对电子器件、仪器仪表及 机电产品的质量的可靠性和运输包装件在运输过程中耐冲击强度的评定，提出了更 高的要求。 1 1 2 冲击试验的方法概述 对冲击环境的模拟方法一般有三种：第一、带有容差的冲击脉冲成形法，第二、 冲击谱模拟法，第三、仿真复现法。其中第三种方法出现于上世纪7 0 年代，所用到 的专用设备比较复杂，试验代价高昂，只有在非常特殊的场合中应用。广泛应用的 是第一、二种方法。对此两种方法，我国标准g b 2 4 2 3 5 咱l 、g j b l 5 0 一8 5 、g t b 3 6 0 8 7 以及国际i e c 一6 8 2 2 9 等标准都有规定 7 “”。随着环境模拟理论和计算机技术的发 以及国际i e c 一6 8 2 2 9 等标准都有规定7 “”。随着环境模拟理论和计算机技术的发 北京工业大学工学硕士学位论文 展，以及控制系统功能的不断完善，冲击试验技术发生了变化，用数字式控制振动 台系统进行冲击谱模拟已经成为冲击环境试验的趋势。在研究结构的耐冲击能力过 程中，布洛特( b l o t m a ) 于1 9 6 3 年提出冲击响应谱( s h o c kr e s p o n s es p e c t r u m ) 的概念，冲击响应谱实验技术开始得到发展和应用。冲击响应谱是以系列的不同频 率、具有一定阻尼的线性单自由度系统受到冲击力产生的最大响应与系统频率的关 系曲线。国内外普遍采用等效损伤原则模拟复杂振荡冲击环境1 1 8 ”】，即用冲击响应 谱作为模拟冲击环境标准，如产品在规定的时间历程内在冲击模拟装置产生的冲击 激励作用下产生的冲击响应谱与实际冲击环境的冲击响应谱相当的话，就可以认为 该产品经受得了冲击环境的考核。近年来，关于冲击响应谱试验的技术已经成为冲 击试验的研究趋势，广泛应用于冲击环境的模拟试验中【l 】。目前国外针对冲击响应谱 试验技术的研究日益成熟和完善，并已经研制出冲击谱试验的电动式实时控制系统， 具有非常好的试验效果。但国内关于冲击响应谱试验的研究集中在理论层次面上的 较多，能够实际应用的成果也很少【l 】。就目前的冲击试验水平看，国内外主要采用的 还是第一种方法。冲击脉冲成形法试验多以理想脉冲试验为主，主要是以简单脉冲 产生的冲击效果来模拟实际的冲击环境【“1 0 】。利用跌落冲击机和摆式小型冲击枫按 照g j b l 5 0 、m i l 一8 1 0 等各项标准进行的冲击环境试验【“1 1 】。规定的典型冲击波形有： 梯形波、后峰锯齿波、半正弦波等，对于冲击波形法模拟冲击试验时，都会涉及到 冲击加速度的峰值、冲击持续时间等方面的要求。冲击加速的峰值时指加速度的最 大值；冲击加速度增长时间是指加速度从零值增长到最大值所经历的时间“；冲 击加速度持续时问( 脉宽) 是指加速度从零值升到最大值，然后有从最大值降到零 值所经历的时间f 1 2 】。如图卜l 所示，我国g b 2 4 2 3 5 8 1 规定的三种波形的容差要 求。图中a 为脉冲加速度峰值，d 为脉宽” 。 雕。 葛dh 舰 一也i 】鲥 ，尸藿。 ) d 阳舰- 图卜1 冲击波形容差 f 谵1 - ia c c e p t e d 幻l 既姐c eo f t l i ei m p 8 c tw a v e f b 皿 a ) 半正弦波 a ) h a l f 每i n ew a v e b ) 梯形波c ) 后峰锯齿波 b ) t 呻e i d a lw a v e f o 】c ) r 髓rp e a l 优0 mw a v c f o 皿 当然在实际中冲击波形法不可能模拟实际的复杂冲击环境，由于实际环境产生 的冲击是一种复杂的瞬态振动或是变化的持续时间的复杂冲击。这也是冲击波形法 的不足之处，不过在目前来说，此方法还是应用比较广泛。 第l 章绪论 1 1 3 冲击试验的标准 在冲击试验的过程中，一般参考的冲击环境试验的标准有【“3 2 6 】： 冲击台试验标准：g b 2 4 2 3 - 1 9 9 5 ； 碰撞台试验标准：j j g 4 9 7 2 0 0 0 ； 国家军事标准：g j b l 5 0 、g j b 3 6 0 ； 美国军事标准：m ，s t d - 8 1 0 ： 国际标准：i e c - 6 8 - 2 2 9 ； 1 2 国内外冲击机的发展现状和产品 1 2 1 冲击机发展现状 在机械、电子等制造行业产品的生产、运输等过程中，存在各种冲击，因而产 品的抗冲击性能成为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，产品的抗冲击性能将越来越受到 重视。与之相应的冲击试验机也在不断发展，以力脉冲发生器的发展为标志，冲击 试验机的发展大致经历了三个阶段i ”一4 1 。 第一阶段是早期以橡胶、毡垫、弹簧等作为波形发生器的机械式冲击机。这类 冲击试验机的自动化程度往往较低，只能产生单一波形类型。第二阶段则是以自动 控制理论的发展，自动化设备的兴起，新材料的发展为基础，以使用特制材料与液 压或气动控制结合为特征的波形发生器作为缓冲器，不同的脉冲发生器对应不同波 形，这种波形发生器精确度比较高，性能也比较稳定。第三阶段是上个世纪八十年 代末以来，随着计算机应用与集成电子技术的快速发展，以能在一台缓冲器上产生 多种波形的智能化波形发生器为特征，并辅以高度自动化的控制以及数据分析设备 的新型冲击试验机。这种冲击试验机现在正逐步替代第二代冲击台，并广泛流行1 3 3 4 1 1 2 2 国外冲击机发展现状和主要产品 这些产品主要有，美国l a b 公司生产的跌落式冲击试验台、美国m t s 公司生产 的8 8 6 系列冲击试验机、美国a v c 0 公司生产的s m 系列冲击试验机、日本吉田精机株式 会社生产的a s q 系列冲击试验机、l a n s m o n t 公司机械式跌落式冲击台、美国t e a m 公 司的振动冲击台等都属于第三代产品7 1 4 17 1 。以美国l - a b 公司生产的跌落式冲击试 北京工业大学工学硕士学位论文 验机一a u t o s h o c k 1 1 w 系列为例。a u t o s h o c k i i “系列冲击试验机是全自动型冲击试 验机，可以模拟实际的冲击脉冲和冲击能量。可帮助材料制造商进行系统测试并对 产品进行更加合理的设计。该试验机采用计算机控制，可实现数据的分析。其控制 界面图如图卜4 所示，其技术参数见表卜l 【1 8 1 。 表卜l 冲击试验机技术参数 1 a b l e 1 1t e c h n i c 8 1p a 姗e t 盯a b o u ti 唧tt e 8 t 型号 a s i i 2 4a s i i 3 6a s i i 4 8a s i i 6 0 台面尺寸m 6 1 0 8 1 09 1 0 6 1 01 2 2 0 1 2 2 01 5 2 0 1 5 2 0 振脚重量k g 1 7 0 02 3 0 05 8 0 08 2 0 0 标准重量k g 9 01 4 02 7 04 0 0 最大载重k g 6 0 06 0 09 0 09 0 0 机台重量k g 2 3 0 03 2 0 05 8 0 08 4 0 0 1 2 2 0 8 6 01 6 3 0 1 0 7 0 1 9 3 0 1 6 3 0 2 3 0 0 1 6 3 0 机台尺寸m 2 7 5 02 7 5 02 8 0 02 8 5 0 脉宽时间m b 1 o 一6 52 0 6 53 o 6 51 o 一6 5 自由下落最大速度m s7 3 7 77 加速下落最大速度s 1 2 21 1 6 1 1 61 1 3 最大加速度g 6 0 0 6 0 06 0 06 0 0 单相或三相电源：0 5 5 _ o 6 9 肝a ( 8 0 一1 0 0 p s i ) 气压：1 5 2 肝a ( 2 2 0 p s i ) 电源及其要求 氨气 图卜2a 呦s h o d 【i 刑系列冲击试验机控制界面 f i g 1 2c 乜di n t e r f 如eo f 血ei l p a c tt 鼯tm a c h i n eo f a u t o s h o c k i is e r i e s 第l 章绪论 1 2 3 国内冲击机发展状况和产品 我国于1 9 8 7 年实施g j b1 5 0 _ 8 6 军用设备环境试验方法，1 9 8 8 年实施g j b3 6 0 8 7 电子及电气元件试验方法的项国军标。上述标准中的冲击试验规范规定了冲击运 动及容差要求【3 】。从国内近几年引进美国m t s 公司和美国a v c 0 公司的同类设备的情况 看，引进的设备能够产生满足以上标准要求的三种波形( 半正弦波、后峰锯齿波和梯 形波3 1 。 沈阳新乐精密机器公司研究员级高工于治会研究了一种跌落冲击机的设计原理 ( 是一种长持续时间的小型跌落冲击台，并对其结构特点，工作原理、冲击参数做了 研究和改进措施) 1 ”。随后又研究了装有等压缓冲器跌落冲击台，解决了冲击加速度 增长时间( 或持续时间) 与冲击加速度幅值之间的矛盾关系( 幅值大时持续的时间小， 幅值小时持续的时间长) 唧】。但冲击加速度波形不规范，在低幅值加速度时，加速度 波形接近半正弦波，在高幅值时，其波形变尖。他还研究了凸轮式跌落冲击机的原理 与调整，凸轮式跌落冲击机是一种连续多次的机械冲击装置，广泛用干材料、元器件、 产品及其零部件的强度和寿命试验【2 0 】。西北工业大学航天工程学院吴斌设计了气压驱 动冲击实验台，连续冲击速度快，结构简单控制灵活。为冲击试验的速度和操作的方 便性和提高效率都起到了重要的作用【2 ”。西北机械厂仇雪琴同志正在研究一种新颖的 冲击试验设备( 1 0 0 k g 冲击试验机) ，该产品的研制将会填补国内高水平、高性能冲击 试验系统的空白【”。上海交通大学的冯雷、赵刚、朱旭东等就冲击试验测控系统做了改 进，他们设计了基于p c 的冲击试验全自动测控系统，完全代替了手动控制台的冲击试 验自动测控系统可在软件界面上再现控制台的控制面板，并实现的数字化显示【2 甜。为 冲击试验的控制和测量都带来极大的方便，改善了操作环境和工作强度。 目前，苏州市苏南振动仪器有限公司，姒s 系列高加速度冲击试验台，主要用于航 天、航空、船舰、兵器、电子、汽车等工业领域的科研、生产考核产品的抗冲击能力， 适用于试验冲击加速度较大的器件、部件和整机的冲击试验该系列产品采用自动提升， 自由冲击高度预置。冲击能量高，操作简便、安全、可靠。冲击加速度、脉冲持续 时间、脉冲速度变化量，通过测量仪控测后，显示在显示屏上。如图卜3 所示。 图卜3 郴系列高加速度冲击试验台 f i 晷1 - 3t h eh i 曲c d e 曲ni m p tt e s tm e c h i o f h a ss e r i e s - 5 - 北京工业大学工学硕士学位论文 就目前国内的测控系统来看，在自动测试和控制方面还没有把所要控制的各个动 作分解开，同时可以通过设置可把各个动作有机的结合起来，即在控制的灵活性方面 还不尽人意，同时在界面显示及界面控制和人机交换等方面也不是很理想。总的来看， 由于美国、日本、欧洲等国家和地区在冲击试验方面的研究以及在冲击试验台的研制 上都比我国开展的早，所以他们的研发水平都高于我国的现有水平。国内冲击试验设 备的生产厂家要积极吸取国外冲击试验设备的先进经验，并逐步趋近于国际先进水平。 1 3 课题的来源和研究意义 1 3 1 课题来源 北京金时科技有限公司为改变我国高水平、高性能冲击试验系统依赖于国外的局 面，填补国内高端冲击试验系统的空白，设计和研制g t s h o c k 一1 2 0 v 跌落式冲击机的机 械系统。其测控及分析系统主要委托北工大开发研制，实现冲击试验系统的自动控制 和与上位机的实时通讯与监控，并且通过上位机实现更好的人机交互界面、改善控制 环境、实时显示冲击机的执行动作和当前所处的状态。 1 3 2 课题研究目的和意义 1 3 2 1 课题研究目的冲击试验是用于考核和评定产品的抗冲击性、可靠性的一种测试， 所以冲击试验系统本身的安全可靠性显得尤其重要，随着科学技术的进步，计算机技术的 发展，人们对新产品的开发提出了更高的要求。因此新研制的g t s h o c k 1 2 0 v 跌落式冲击 试验系统必须满足使用方便和可视化测控的要求。 本课题的研究目的主要是： ( 1 ) 研制g t s h 0 c k 1 2 0 v 跌落式冲击机的监控系统，使该冲击试验的监控系统能 达到同类产品的国际水平。 ( 2 ) 改变国内依赖进口跌落冲击试验台的局面，推动国内该领域的技术进步。 ( 3 ) 提高我国冲击试验的效率及改善冲击试验的工作环境，实现以人为本，以安 全原则，以产生符合国家军事标准( g j b1 5 0 1 8 8 6 ) 的波形为目的。 1 3 2 2 课题研究意义改变我国高水平、高性能冲击试验系统依赖于国外的局面，填补 国内高端冲击试验系统的空白，使我国的冲击试验系统达到国际先进水平，为提高人民的 生活水平提供了产品可靠试验的技术保证。 第1 章绪论 1 4 课题的研究内容 ( 1 ) 冲击试验台的工作原理的理论分析。 ( 2 ) 对冲击试验机装置的分析和一些硬件的选择。 ( 3 ) 冲击试验台自动控制软件的设计。包括上位机软件的设计，主要用于对下 位机发送命令和控制下位机的动作和状态，同时也用于实时读取并显示当前试验和 冲击机所处的状态；通讯部分的设计，通讯部分是软件的桥梁部分，是上、下位机 的交流通道，也是本软件的关键所在，是关系到整个软件的安全性、使用性和生命 力所在；下位机控制程序的设计，此部分的设计非常重要，也是本软件设计的一个 重点，对于上位机来说，此部分可以看成是一个执行部分，其主要是执行上位机所 发送的命令。而对于执行元件( 如一些电机、电磁阀、开关等) 来说，此部分是控 制部分，用来控制一些执行元件；数据采集程序的设计，数据的采集主要是采集冲 击时冲击加速度的值，以便能够观察和分析冲击试验时的冲击波形；对整个系统的 调试。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章跌落式冲击试验理论分析 2 1 跌落式冲击试验的力学模型 在前一章中曾提到过跌落冲击试验的脉冲波形冲击加速度的峰值、冲击持续时 间( 脉宽) 等概念，谈到这些概念之前，先介绍跌落冲击试验的工作模式。沈阳新 乐精密机器公司的于治会同志所发表的一种小型跌落冲击台的应用与改进文中 提到：跌落冲击试验是指将装有试件的工作台面提升到一定高度h ，然后突然释放， 工作台便沿着轨道垂直自由落下，并与底部的缓冲器相碰，由于缓冲器的制动作用， 使工作台面产生方向向上的冲击加速度 1 ”。其冲击试验的示意图如图2 一l 所示。其 力学模型可表示如图2 2 所示。 图2 1 冲击试验台示意图 f i g 2 - 1t h e 眈p l a i l a t i o no f i m p a c tt 鼯tm c c h i n e 悼世蓐 缸k 图2 2 冲击试验力学模型 f i g 2 - 2m e c h 锄i c 8m d e lo f i m p a c tt e s t 从上述模型中可以看出。从力学和运动学的角度看，可将其以二阶线性常微分 方程的形式表示如下： m r + c r + k x = p 目i x + 2 善西o ：r + 国；x p k = o 式中卜带试件工作台的质量； x 缓冲垫位移； z 缓冲垫相对平衡位置位移； 卜作用在缓冲垫上的力； c 粘性阻尼系数； 善相对阻尼系数，善= c ( 2 朋x ) ； l 卜缓冲垫的刚度； ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 第2 章跌落式冲击试验理论分析 系统固有圆频率，= k m 。 西北机械厂的仇雪琴同志在一种新颖的冲击试验设备中提到：在引进、借鉴、 消化、吸收美国m t s 公司生产的8 8 6 2 4 1 型及美国a v c o 公司生产的s m 一1 l o 型等冲 击实验系统的有关资料的基础上，结合国内的研制经验拟定的。按8 8 6 2 4 1 型整机 配套万能冲击脉冲波形发生器的模式研制样机，采用微机控制和监测冲击脉冲，并 实时显示和打印出实际冲击的脉冲波形及其容差带、速度变化及容差、峰值加速度 和脉冲持续时问等。台体与地面之间采用空气簧缓冲减振，不需要专用地基，采用 油一气制动系统，消除了二次冲击。具有较好的综合技术性能和整机造型【3 】。因为 考虑到地基的振动影响。采用了隔振系统，其力学模型如图2 3 所示。 波形发 器弹簧 度x1 隔振器 簧刚 度k2 蓦窿质 量l 图2 3 带隔振系统的冲击试验力学模型 f i g 2 3m e c h 锄i c sm o d e lo f i l n p a c tt e s t 埘也s y s t c r ns e p 跏_ n g 台d ms 咖u n d i n g s 从以上两种模型来看，都是把冲击试验看成一个二阶常系数微分振动方程的形 式。对微分方程的求解便可得到冲击试验的加速度的幅值，对于此两种模型的不同 在于，第一种模型是忽略地基的振动影响，把试验简化为线性单自由度系统振动方 程。对于第二种模型主要是考虑到了地基的振动，从而加上了隔振系统，于是就把 冲击试验等效成两个线性单自由度系统的组合。由于线性微分方程描述的系统是线 性系统，线性系统满足叠加原理。所谓叠加原理是指如果系统在f ( t ) 激励下的响应 为x ( t ) ，系统在g ( t ) 激励下的响应是y ( t ) ，则当以f ( t ) 和g ( t ) 的线性组合 c f ( t ) + d g ( t ) 激励下的响应是c x ( t ) + d y ( t ) 下面就对这两种力学模型及加速度做进 一步的分析。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 冲击试验的力学分析 2 2 1 对冲击试验的分析 在绪论中也曾经提到，当对产品进行冲击试验时，对冲击台的冲击加速度幅值 和持续时间( 或增长时间r 。) 提出不同的要求。嘞是冲击加速度的最大峰值；f 。是 冲击加速度由零值升到最大值经历的时间；h 是冲击加速度由零值升到峰值然后降 到零值所经历的时间。一般情况下，当小时f 0 ( 或岛) 长；大时r o ( 或气) 短， 即和f 0 ( b ) 是两个互相矛盾的物理量，有时要求冲击台在较高值时有较长的 r 0 ( 岛) 值，为解决这对相矛盾的两个物理量，下面分别从两种模型入手来分析它们 之间的关系3 甜。 2 2 1 1 对第一种模型的冲击试验的分析如图2 2 所示，其对应的微分方程也可 如( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 所述，即解得： x = a e o 。一s i n ( 1 一f 2c f + p ) + p k ( 2 3 ) 当以静平衡位曼为坐标原点时，则( 2 1 ) 可以写成 m z + c z + k z = 0 ( 2 4 ) z = a 7 e 如一s i n ( 1 一善2 国+ 伊) ( 2 5 ) 在( 2 1 ) 和( 2 2 ) 式中 当o t 时， p = m g ；当t f 0 时，p = 0 。 在( 2 4 ) 和( 2 5 ) 式中 厂一 a 7 e 如。是幅值，其中a7 = 、z ；+ o + 善幻。甄吼) 2 ， 妒= 盘，c 智( 。粕国d 眈o + 喜西o z o ) ) ，d = l f 2 o 因为缓冲垫内摩擦比金属弹簧太1 0 0 0 倍以上，同时其阻尼很少孝mo ，所以式( 2 2 ) 简化为( 2 6 ) 式。 r + 础；x p k = o( 2 6 ) 其微分方程的通解为 x = as i n ( 脚o t + 口0 ) + p k ( 2 7 ) x = a 国o c o s ( 国o t + 妒o )( 2 8 ) x 2 一a 国2 0s i n ( t + ) ( 2 9 ) 因为对于此微分方程的解有，当t = o 时，x = o ，文= 乏；万，所以得到： s i n ( ) = 一p ( i ( a )( 2 1 0 ) 第2 章跌落式冲击试验理论分析 c 。s ( ) ：面( a ) a - ( ( p 旧2 + ( 压面，) 2 ) 1 7 2 t g ( 吼) = 一归瓦丽) = 一a r c t g ( 扣7 函面) ) ( 2 1 1 ) ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) 所以对于加速度的关系式有：由( 2 9 ) 和( 2 一1 2 ) 可以得到 x = 一( ( p ，m ) 2 + ( 2 9 脚m ) ) “2s i n ( 芷，mt 十) ( 2 1 4 ) 对于冲击试验来说。人们关心的是首次冲击加速度幅值口。的大小。有以上的推理可 以看出： 口。= ( ( 一p 帅2 + ( 2 9 册m ) ) “2 = 悖2 + ( 2 9 甜，m ) ) ”2 ( 2 1 5 ) 由( 2 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 式可以得到： 芷 ff o a r c t g ( p ( 2 朋) = 石，2( 2 1 6 ) “= ( 石2 + a r c t g ( p ( 2 朋) ) f k ( 2 1 7 ) 由此可见，冲击试验的加速度口0 ，冲击试验的加速度上升时间都与试验台的高度和冲 击波形发生器的刚度和试件与冲击台面的总质量有关。当跌落高度较大时， a r c t g ( p ( 2 脚) 的值很小，几乎可以忽略，这样“一( 石2 ) m k ，则“在h 较 高的情况下可以认为只与质量和缓冲器的刚度有关系。对于半正弦波，在实际冲击 试验的过程中其波形并完全是正弦状，在低加速度冲击时，加速度波形一般为准半正 弦脉冲；在高加速度冲击时，由于缓冲垫的非线性变形，加速度波形往往出现两种 现象： ( 1 ) 是趋向上尖下宽的钟形波橡胶是种非线性弹性材料，其弹性刚度随应力的 图2 4 冲击波形k 值的关系 f i g 2 4r e l a t i o 璐l l i po f i m p a c 痂1 9w a v e f o r f nw i n lk 增大而增加，若用它做缓冲垫，冲 击力很大时其变形将超出线性范 围致使刚度不断增加。这种非 线性变形过程可划分为若干个阶 段在每个阶段中大致视为常数， 相邻下一阶段的值比前一阶段的 值大。所以前一阶段的加速度脉冲 持续时间要比相邻下一阶段的持 续时间长一点依次类推，实际冲 击过程就是这些阶段的连续合成， 各个半正弦脉冲加速度的包络线 就是上尖下宽的实际加速度形【忆13 1 ，如图2 4 所示。冲击力越大，上尖下宽现象越 严重。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 是加速度从某值开始随跌落高度增加变化不大( 甚至减小) ，并出现高频激 励。饱和现象与激励现象，当用海绵橡胶做缓冲垫时，当台面高于某高度后，刚度 随冲击力的增加而减小造成的，使得加速度幅值增加不多甚至有所减少。若跌落高 度继续增加，海绵胶垫将蠕变而失效，致使冲头与基座产生刚性碰撞，加速度波形 后沿出现高次谐波，这就是“激励现象”。若采用经预紧的工业用细羊毛毡作缓冲 垫因其介质均布冲击波形对称平滑：但当冲击力高于9 4 1 【n c m 2 时，毛毡会破 坏，同时产生上述两种现象，除了跌落高度因素外，工作台总负荷过大以及冲头与 缓冲垫接触面积太小也是缓冲垫非线性变形的原因。研制冲击台的目的首先是能产 生较好冲击加速度脉冲其次是能在较高的加速度下有较长的脉宽值。提高值 很容易，只要增大跌落高度h 即可，所以延长“值便成了关键，为此必须合理地选 择m 和k 的太小【1 2 1 。 2 2 1 2 对第二种模型的冲击试验的分析力学模型如图卜9 所示，此力学模型的 分析与第一种的力学模型的分析基本是一样的，在这里主要是在第一种模型的基础 上加上隔振系统。而对整个的冲击试验过程是一样的，所以可以把第二种的力学模 型可以看成是在第一种模型的分析的基础上，再加上外界基础的震动对试验所产生 的影响。下面就关于隔振方面的一些考虑作如下分析：所谓隔振就是在振源和振动 体之间设置隔振系统，以减少或隔离振动的传递。有两种隔振， 即主动隔振和被动 隔振。把振源与地基隔离开来以减少它对周围的影响而采取的措施叫主动隔振：为 了减少外界振动对设各的影响而采取的隔振叫被动隔振。对于本设计的隔振系统， 属于被动隔振，主要是周围的振动经过地基的传递会使冲击试验台的基座产生振动， 为了减少这一影响，设计了隔振系统，也就是图2 3 的下半部分。如图2 5 所示。 基座质 量ml j 下f _个“ 隔振器弹广_ r 厂。一 勰f 串一一般。y 地基广j 、了歹7 7 艺髟7 7 7 j 图2 5 隔振系统力学模型图 f i g 2 5m e c h 锄i c sm o d e lo f s y s t e ms e p a m t i l l g 丘d ms u 肿嘲d m g s 在图2 5 中x 表示基础受振动的影响引起的位移，或称为响应；y 表示周围环境引起 第2 章跌落式冲击试验理论分析 的地基的位移，也可称为激励。假设激励为简谐激励时，下面对其运动方程表示如 下： 设y = y s i n ( t ) m ，譬= 一c ，( 主一 ) 一足，( x y ) ( 2 1 8 ) m ix + c 2x + k 2 x2c 2r + 石2 y ( 2 1 9 ) 下面对微分方程( 2 一1 9 ) 求解： x _ 卫1 + 盖2其中置是通解，x 2 是特解 五= a e 。“s i n ( 1 一善2 o f + 尹) ( 2 2 0 ) 置：y ，一 丝竺! 丝垒! 。i 。( 国t + 庐) ( 2 _ 2 1 ) 一l 7 = = = = = = = = = = = = = ；= = ：= = = = = = = 一a 1 i l 、叫l 妒， o j ， ( 1 一 ，l 2 足2 ) 2 + ( c 2 国k 2 ) 2 。 z 2 = y 2 ，2 + 1 ( 1 一，2 ) 2 + 4 善2 ，2s i n ( 国t + ) ( 2 2 2 ) 卢= iz 2i y = 4 善2 ，2 + 1 ，( 1 一，2 ) 2 + 2 ，2 ( 2 2 3 ) 所以，由( 2 2 0 ) 和( 2 2 2 ) 式得： x _ a e 埘s i n ( 廊”p ) + y ，下堑笙墨苎婪s i n ( t ( 2 - 2 4 ) ( 1 一m 1 2 k 2 ) 2 + ( c 2 国k 2 ) 2 t d _ 骂群= 掣= p z s ， ” 地基的振幅 y t 善= c 2 ( 2 m i 世2 ) ( 2 2 6 ) 5 足2 m l ( 2 2 7 ) ，= 国o l 一2 善2 ( 2 2 8 ) ，= 旦 ( 2 2 9 ) 0 式中，带试件工作台的质量； c 粘性阻尼系数； 掌相对阻尼系数； 置，阻尼器剐度； 系统固有圆频率： 共振频率； 环境简谐振动的角频率： 口放大因子： t 。隔振系数； ，频率比； 对于隔振系统，只有y ) 2 时，才会起到隔振的作用，当，) j 时，亭的值 越小，隔振效果会更好。所以，隔振系统一般都用近似一个无阻尼的弹簧，但在实 北京工业大学工学硕士学位论文 际工作过程中，在振动系统中无阻尼的情况只是理想的状态，实际上的小阻尼总是 存在，同时在小阻尼的情况下对系统通过共振区是有帮助的，也是人们所期望的。 所以综合隔振和防止共振的现象，一般采用小阻尼的弹簧系统来实现。 从以上分析来看，从( 2 2 4 ) 式可以看得出，其前半部分是x 1 的值，是方程( 2 1 9 ) 的通解，从振动的角度来看，是属于瞬态振动部分，随着时间t 的增大，此项将趋 于零。后半部分是x 2 的值，是方程( 2 1 9 ) 的特解，从振动的角度分析看，是属于 稳态振动部分。从整个隔振系统考虑，主要是针对外界环境的激励引起的稳态响应， 所以后半部分( 即稳态振动部分) 是我们考虑的隔振的主要方面，为了达到隔振的 效果，当然所谓的隔振都是在y ) 2 的条件下来考虑的；y 2 时，是无法起到 隔振效果的。我们理想的隔振效果是采用一无阻尼的弹簧来实现。但我们也注意到 当，= 兰* 1 时，会使得放大因子变的非常的大，这样不但没有起到隔振的效果， 国0 反而使得机器的振幅放大很多，这也就是所谓的共振区，在此过程中，要经过共振 区，其共振频率，= 1 2 善2 ，也就是说当环境的振动在共振区附近时，由( 2 2 3 ) 式和，= ! “1 可以得到“l + l ( 4 f 2 ) ，此时善越大，p 将越少，此时的阻尼对防 0 止共振现象大有帮助，从实际情况考虑，无阻尼的情况也是不存在的，所以用小阻 尼的弹簧来隔振是较实际和理想的办法。以上是对冲击试验和隔振系统的分析。 2 2 2 对冲击试验的总结 对于半正弦波，在前从理论做了详细的阐述，由于半正弦波随时间连续变化， 其波形的产生可以通过在被试验的产品的撞击脉冲发生器的过程中，对被试验产品 施以线性或准线性的弹力。这种弹性体可以用高强度塑料、气体或液压弹簧来实现i 。“ ”j 。梯形波由于存在水平段，要求发生器能施加一个不随时间而变化的恒力，因而 梯形波的产生需要弹性体和弹力控制机构共同作用来完成一般是通过金属材料或纤 维材料制成薄壁盒状，并将其按层叠放，在受到冲击时被压坏而产生永久变形。使 冲击脉冲加速的稳定在梯形波的峰值，该装置是通过改变其形状和厚度来调节梯形 波的上升时间【_ “” ；还有一种梯形波发生器是采用弹性体与液体或气体弹簧串接式 的脉冲发生器。对于后峰锯齿波现在广泛采用的主要是冲击铅块法和快速失压法。 前者利用铅块受压时的非弹性，通过改变铅块的尺寸和形状来得到不同脉宽后峰锯 齿波形。日本吉田精机株式会社的a s q 系列冲击试验台产生后峰锯齿波就是采用此 方法，利用模制圆锥形铅块作为脉冲发生器，当圆锥底面积不变时产生的锯齿波形 脉宽随着锥度角的增大而减少【7 2 4 1 。美国m t s 公司8 4 6 2 4 l 系列冲击试验台采用的 是快速失压式的后峰锯齿波发生器【7 2 5 1 。 第2 章跌落式冲击试验理论分析 2 3 本章小结 本章先是从力学和运动学的角度，分析了冲击试验，并建立了力学模型。在此 建立了两种模型。随后便对这两种模型做了详细的分析，先是分析了第一种的模型， 并总结出影响冲击试验的一些参数，包括：跌落的高度、冲击试验台的质量、缓冲 器的刚度以及缓冲垫的形状和接触面积等。同时对所产生的波形的可能形状做了一 些预计，并对产生其原因做了相应的分析。针对第二种力学模型也做了相应的分析， 尤其是对隔振系统的分析较为详细阐述，并对隔振效果做了分析和对一些影响参数 做了总结。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章冲击试验工作过程和装置介绍 3 1 冲击试验过程及其试验台结构的介绍 3 1 1 冲击试验过程 冲