基于标定冲击系数的锤击过载计算方法.pdf

第 卷 第期 年月探 测 与 控 制 学 报J o u r n a l o fD e t e c t i o n&C o n t r o lV o l N o A u g 收稿日期:作者简介:柳海斌(),男,甘肃会宁人,硕士,副研究员.基于标定冲击系数的锤击过载计算方法柳海斌,李冰,高阁(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 ;机电动态控制重点实验室,陕西 西安 ;中国兵器工业试验测试研究院,陕西 华阴 )摘要:针对W J 锤击机由于缺少不同齿数、配重和冲击过载值之间的对应关系而造成使用不便的问题,提出标定获取冲击系数计算锤击过载的方法.该方法利用能量法建立锤击机运动模型并计算击锤速度,基于加速度定义和应力传播的弹性碰撞接触时间推导出锤击加速度大小等于冲击系数和撞击速度的乘积,通过标定锤击机典型齿数的冲击系数,利用试验配重在某一齿数下的过载测试值即可计算出其他齿数对应的冲击过载值.验证结果表明,标定冲击系数计算锤击过载方法反映了锤击机冲击过载和配重、齿数间的相互关系,齿、齿、齿、齿、齿过载计算值与实测值最大误差小于.关键词:锤击;冲击过载;冲击系数中图分类号:T J 文献标志码:A文章编号:()I m p a c tC o e f f i c i e n tC a l i b r a t eB a s e dH a m m e rO v e r l o a dC a l c u l a t i o nM e t h o dL I U H a i b i n,L IB i n g,GAOG e(X ia nI n s t i t u t eo fE l e c t r o m e c h n i c a l I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,X ia n C h i n a;S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo nE l e c t r o m e c h a n i c a lD y n a m i cC o n t r o lL a b o r a t o r y,X ia n C h i n a;N o r i n c oG r o u pT e s t i n ga n dR e s e a r c hI n s t i t u t e,H u a y i n ,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h e i n c o n v e n i e n t o f u s i n gW J h a mm e r t e s t i n gm a c h i n ed u e t o t h e l a c ko f c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd i f f e r e n t t o o t hn u m b e r s,c o u n t e r w e i g h t sa n di m p a c to v e r l o a dv a l u e s,am e t h o do fc a l i b r a t i n gt oo b t a i n t h e i m p a c t c o e f f i c i e n t t oc a l c u l a t e t h eh a mm e r o v e r l o a dw a sp r o p o s e d T h i sm e t h o du s e dt h e e n e r g ym e t h o dt oe s t a b l i s ht h eh a mm e r i n gm a c h i n em o t i o nm o d e la n dc a l c u l a t e dt h eh a mm e rs p e e d B a s e do nt h ed e f i n i t i o no f a c c e l e r a t i o na n d t h e e l a s t i c c o l l i s i o nc o n t a c t t i m e o f s t r e s sp r o p a g a t i o n,t h i sm e t h o dd e d u c e d t h a t t h eh a mm e r i n ga c c e l e r a t i o nw a se q u a l t ot h ep r o d u c to f i m p a c tc o e f f i c i e n ta n dc o l l i s i o nv e l o c i t y B yc a l i b r a t i n gt h ei m p a c t c o e f f i c i e n to f t h et y p i c a ln u m b e ro ft e e t ho ft h eh a mm e r i n gm a c h i n e,t h ei m p a c to v e r l o a dv a l u ec o r r e s p o n d i n gt ot h en u m b e ro fo t h e rt e e t hc o u l db ec a l c u l a t e db yu s i n gt h eo v e r l o a dt e s tv a l u eo f t h et e s tc o u n t e r w e i g h tu n d e rac e r t a i nn u m b e ro f t e e t h T h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t s s h o w e dt h a t t h eh a mm e r i n go v e r l o a dm e t h o do fc a l i b r a t i n g i m p a c tc o e f f i c i e n tc a l c u l a t i o nr e f l e c t e dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ni m p a c to v e r l o a d,c o u n t e r w e i g h ta n dn u m b e ro f t e e t ho fh a mm e r i n gm a c h i n e,a n dt h em a x i m u me r r o rb e t w e e nt h ec a l c u l a t e dv a l u eo ft e e t h,t e e t h,t e e t h,t e e t ha n d t e e t ho v e r l o a da n dt h em e a s u r e dv a l u ew a s l e s s t h a nK e yw o r d s:h a mm e r i n g;i m p a c to v e r l o a d;i m p a c t c o e f f i c i e n t 引言锤击试验是引信、火工品常用的过载试验方法,用于评价引信零部件强度和火工品安定性,具有操作简单、经济实用的特点.锤击机利用了碰撞冲击原理,冲击过载和撞击面形状、材料特性、齿数、工装及配重等有关,W J 规定了锤击机技术参数、验收规则和使用要求,W J 规定了锤击机 齿、专用击锤条件下的加速度检定值.锤击机过载持续时间短,一般只有数十微秒,通常只能用来模拟过载峰值.文献 介绍了类等效模拟循环锤击试验方法,提出了“等效损伤或破坏程度,不等效实际激励”的概念,用于激发强度薄弱部位,评估引信对火炮高过载发射环境的适应性,在中大口径榴弹类引信研制、生产、试验中经常使用.文献 给出了不同配重、不同齿数下的锤击加速度测试值.文献 给出了锤击峰值加速度计算公式,由于缺乏验证,仅在分析加速度影响因素时参考使用.文献 介绍了冲击试验台半正弦波脉冲峰值加速度公式:a HKM TH,()式()中,H为跌落高度,K为缓冲器刚度,M为运动体质量,脉冲持续时间TM/K.文献 给出了一端固定、长度为L的杆在自由端受到运动物体撞击后的接触时间:tLC,()式()中,C为应力波在杆中的传播速度,为运动物体与杆的质量之比.对于W J 锤击机不同配重不同齿数的锤击过载计算、已知过载要求和受试品配重如何确定试验齿数问题,未见相关文献报道.本文针对锤击机缺少齿数、配重、过载对应关系,造成使用不便的问题,提出标定冲击系数计算锤击过载的方法.锤击过载的产生 锤击机原理试验件通过辅助工装安装在锤击机击锤上,击锤通过锤柄安装到半圆轮上,半圆轮通过机轴与机架连接.重锤悬挂在半圆轮上,用于提供半圆轮旋转的动力.机轴上安装有棘爪控制的棘轮,棘轮共有 个齿,每个齿对应 转角.试验时将击锤升高一定齿数,通过棘轮、棘爪将半圆轮固定.释放棘爪后,半圆轮在重锤重力作用下旋转,锤柄旋转至水平位置时,击锤以一定的速度击打铁砧,产生惯性冲击力.击锤升高的齿数越高,产生的惯性冲击力越大.允许使用的最高齿数为 齿.锤击机主要特征参数:)击锤质量 g g;)锤柄质量k g k g;)重锤质量 k g k g;)吊环和螺母总质量(连接重锤和半圆轮)g g;)击锤、铁砧中心线到机轴的距离为 mm;)击锤落到铁砧上时(齿)半圆轮斜边与垂直线的夹角为 ;)齿冲击加速度为 g.碰撞冲击过程碰撞冲击过程中运动体在短时间t内发生速度变化v,从而产生冲击加速度,根据加速度定义:av/t.()根据应力波理论,两弹性体接触碰撞过程中产生压缩应力波,弹性碰撞通过应力波传播,应力波速度为CE,()式()中,E为材料杨氏模量,为材料密度.应力波在弹性体自由端反射形成卸载波,当接触面处应力卸载到时,碰撞结束,对应的碰撞接触时间为tL/C,()式()中,L为长度较短的弹性体长度.冲击系数法计算锤击过载 齿数与击锤撞击速度的关系将半圆轮、锤柄、击锤及受试品视为绕机轴O运动的刚体,忽略其绕机轴转动的能量损失,同时忽略连接重锤和半圆轮的吊带在绕半圆轮释放过程中质心的变化,锤击机运动模型见图.根据能量守恒原理,建立锤击机运动方程:MgHnm g Rs i n(n)s i nmg ls i n(n)s i n(Jml)nM(nr).()击锤升高n齿,对应击锤与铁砧接触瞬间的碰撞速度:Vnnl,()式()、式()中,M为重锤、吊环、螺母总质量,m为半圆轮系统质量(含机轴、锤柄、击锤、棘轮),m为受试品质量,n为升高齿数,R为半圆轮系统质心距柳海斌等:基于标定冲击系数的锤击过载计算方法机轴的距离,r为击锤与铁砧接触瞬间重锤速度方向距机轴的距离,L为击锤和受试品总高,l为击锤中心距机轴的距离,l为受试品质心距机轴的距离,Hn为n齿对应的重锤升高量,h为受试品质心高度,为齿时半圆轮系统质心水平夹角,为齿时受试品质心与机轴连线的水平夹角,J为半圆轮系统相对机轴的转动惯量,n为n齿对应的击锤与铁砧接触瞬间半圆轮系统角速度.图锤击机运动模型F i g M o t i o nm o d e l o fh a mm e r t e s t i n gm a c h i n e 测定所用锤击机在典型齿数下的冲击参数对于试验所用锤击机,在工装、配重相同条件下,采用加速度计选取典型齿数测试冲击过载值an.确定所用测试工装和加速度计总质量m、安装在击锤上之后的质心位置h,利用式()、式(),计算典型齿数对应的击锤速度Vn.冲击系数计算锤击过载原理假设条件:)铁砧与击锤碰撞为正碰撞;)碰撞恢复系数(反跳系数)与击锤及铁砧材料、击锤碰撞面形状、碰撞速度有关;)击锤与铁砧接触瞬间碰撞开始,此时击锤速度为Vn.击锤与铁砧首次碰撞分离时刻碰撞结束,对应击锤速度为nVn,碰撞接触时间为应力波在击锤中的往返传播时间.则根据式()式(),得到n齿下的锤击冲击加速度:an(n)VnCL.()定义冲击系数Kn n()C/L,则anKnVn.()可以看出,对于同一台锤击机,在同一工装或受试品测试条件下,齿数n与齿数m冲击系数比为Kn/Km(n)/(m).()对典型齿数冲击过载测试值an和击锤速度Vn,利用式()可以计算出典型齿数对应的冲击系数Kn.根据假设条件),由于击锤及铁砧材料、击锤碰撞面形状相同,碰撞恢复系数仅与碰撞速度有关.因为碰撞速度变化不大时,碰撞恢复系数变化亦不大,所以对某一配重下n齿和m齿的冲击系数比,可以从典型齿数击锤速度、冲击系数中,选择与其速度最接近的两个齿数的冲击系数比近似代替.当已知某一配重下齿数n的过载值时,即可计算出另一齿数m对应的过载值:am(m)(n)anVnVm.()锤击过载计算锤击过载计算步骤:)确定所用锤击机模型参数,试验配重质量、质心参数,利用式()、式(),计算试验配重对应的 齿及其他所需齿数的击锤速度Vn;)用与试验配重材料相同,结构、质量等效的工装标定试验配重 齿所对应的冲击过载值a;)选取典型齿数,如齿、齿、齿、齿、齿,用加速度计测试典型齿数对应的冲击过载值an,计算典型齿数对应的击锤速度Vn和冲击系数Kn,从而确定锤击机典型齿数下的击锤速度 冲击系数特征值;)根据步骤)计算得出的试验配重在 齿和探 测 与 控 制 学 报所需试验齿数下的击锤速度,对照步骤)击锤速度冲击系数特征值参数,依据“速度最接近”原则,选取对应击锤速度下的冲击系数;)利用式(),计算试验配重在所需试验齿数下的冲击过载值.验证与结果分析 锤击过载计算根据W J 锤击机特征参数,结合实物测绘数据,复核锤击机结构尺寸、质量、质心参数,采用I NV E NT O R三维机械设计软件建立半圆轮系统(含机轴、锤柄、击锤、棘轮)三维实体模型见图,得到锤击机模型参数见表.采用同一击锤,选取齿、齿、齿、齿、齿进行锤击过载测试.加速度计及测试工装如图所示.锤击机冲击系数测试用工装质量(含加速度计)g,选取配重为 、g的工装分别进行测试.工装配重参数及击锤速度见表.锤击机冲击系数Kn测定结果见表.图半圆轮系统三维实体模型F i g T h r e ed i m e n s i o n a l s o l i dm o d e l o fs e m i c i r c l ew h e e l s y s t e m表所用锤击机模型参数T a b M o d e l p a r a m e t e r so fh a mm e r t e s t i n gm a c h i n eu s e d特征量参数值特征量参数值重锤、吊环、螺母总质量M/k g 半圆轮系统质量m/k g 半圆轮系统质心质心到机轴的距离R/mm 半圆轮系统转动惯量J/(k gm)质心与机轴中心的夹角/()击锤中心到机轴的距离l/mm 锤击瞬间重锤速度方向距机轴的距离r/mm 齿对应的重锤升高量H/mm 齿对应的重锤升高量H/mm 齿对应的重锤升高量H/mm 齿对应的重锤升高量H/mm 齿对应的重锤升高量H/mm 表工装配重参数及击锤速度T a b T o o l i n gc o u n t e r w e i g h tp a r a m e t e r sa n dh a mm e rv e l o c i t y工装质量m/k g质心h/mm齿时质心与机轴连线的水平夹角/()质心距机轴的距离l/mm击锤速度/(m/s)VV V V V 冲击系数测试工装 工装A 工装B 工装C 表锤击机冲击系数测定T a b D e t e r m i n a t i o no f i m p a c t c o e f f i c i e n to fh a mm e r t e s t i n gm a c h i n e齿数冲击速度V/(m/s)过载测定值an/g冲击系数K 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 柳海斌等:基于标定冲击系数的锤击过载计算方法图锤击机 齿标定F i g C a l i b r a t i o no f t e e t ho fh a mm e r t e s t i n gm a c h i n e利用加速度计标定工装A的 齿冲击过载值a,代入式()计算工装A在 齿下的冲击系数K.根据表计算结果,工装A 齿、齿冲击速度与冲击系数测试工装 齿、齿冲击速度接近,根据 节锤击过载计算方法和 节)“速度最接近”原则,工装A 齿、齿冲击系数比可以用冲击系数测试工装K/K 近似代替,利用式()计算得到工装A对应的 齿冲击过载计算值.同理 可 得 到 齿、齿、齿 冲 击 过 载 值.工装A、工装B、工装C冲击过载计算及测试结果见表.表不同配重锤击过载的计算值和测试值T a b C a l c u l a t e da n dm e a s u r e dv a l u e so fh a mm e ro v e r l o a do fd i f f e r e n t c o u n t e r w e i g h t s齿数工装A工装B工装C过载计算值/g过载测定值an/g过载计算值/g过载测定值an/g过载计算值/g过载测定值an/g 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 平均值 结果分析从表不同工装配重下的击锤速度计算结果来看,齿、齿、齿击锤速度随配重变化明显,符合同一配重齿数越高速度越大、同一齿数配重质量越轻速度越大的规律.齿、齿击锤速度随配重变化不明显,齿时工装A配重最重,速度却略高于其他工装,主要原因是锤击机模型参数的影响,根据 节特征参数散布范围,偏差分别取上下限时,齿、齿、齿击锤速度计算偏差约为,齿、齿速度偏差接近,说明速度计算公式及模型参数对高齿数适应性较好,低齿数时计算误差变大.从表不同配重锤击过载的计算值和测试结果对比来看,冲击过载计算值与测试结果基本符合.齿、齿、齿过载测试结果与计算值符合较好,同一配重齿数越高冲击过载值越大,同一齿数配重质量越轻冲击过载值越大.齿、齿也符合同一配重齿数越高过载越大、同一齿数配重质量越轻过载越大的规律,但冲击过载值随配重质量变化不明显,尤其齿时,工装A、工装B过载十分接近,说明低齿数使用时试验配重对过载值影响相比高齿数要小.试验所用锤击机 齿冲击加速度检定值为 g,符合W J 齿冲击加速度检定要求.表锤击机冲击系数测定配重 g,与文献 g测试配重接近,过载测试值数值接近略有不同,考虑到引信、火工品行业使用的锤击机制造年代、厂家不同,并且击锤形状也有所不同,因此使用本文方法计算锤击过载前首先需要确定锤击机模型参数,测定不同齿数的冲击参数以确定冲击系数非常必要.锤击机参数散布引起的击锤速度散布是影响冲击过载计算结果的主要因素,研究适用于击锤速度测试的方法和装置,准确测试击锤速度,探 测 与 控 制 学 报可以解决锤击机模型参数不易准确掌握、速度计算误差较大的问题,能够进一步提高本方法的工程适应性.综上分析,采用标定冲击系数计算锤击过载的方法反映了锤击过载和配重、齿数的关系,对 齿、齿、齿高齿数的计算偏差小于,对齿、齿低齿数的计算偏差小于,能够用于锤击机过载值的工程计算.结论本文提出了标定冲击系数计算锤击过载的方法,该方法利用能量法建立锤击机运动模型并计算击锤速度,基于加速度定义和应力传播的弹性碰撞接触时间推导出锤击加速度大小等于冲击系数和击锤撞击速度的乘积,通过标定获取锤击机典型齿数的冲击系数,利用试验配重在某一齿数下的过载测试值计算其他齿数的过载值.验证和分析结果表明,标定冲击系数计算锤击过载方法反映了锤击机冲击过载和配重、齿数的关系,对 齿、齿、齿高齿数的计算偏差小于,对齿、齿低齿数的计算偏差小于,能够用于锤击机过载值的工程计算.本文方法不足之处在于采用锤击机运动模型计算击锤速度,由于锤击机准确模型参数不易获取,不同齿数的击锤速度对锤击过载值计算影响较大,需要继续研究击锤速度测试方法和装置,以减少模型速度误差的影响,进一步提高计算精度.参 考 文 献:尚克志,陈武军等效模拟循环锤击试验方法J探测与控制学报,():胡风年,潘铁牛,等引信技术实践M北京:国防工业出版社,:引信设计手册 编写组引信设计手册M北京:国防工业出版社,:曹钟琪冲击试验主参数及设备容量J环境技术,():杨W,布迪纳斯R 罗氏应力应变公式手册M岳珠峰,高行山,王峰会,等,译北京:科学出版社,:国营第五五三四厂锤击试验机:W J S北京:第五机械工业部,中国兵器工业总公司国营第五二四厂锤击试验机检定规程:W J S北 京:中 国 兵 器 工 业 总 公司,王 礼 立应 力 波 基 础 M北 京:国 防 工 业 出 版 社,:(上接第 页)L IH,HEY,Z HOU H Q,e ta l As i g n a l t o n o i s er a t i oe n h a n c e m e n tm e t h o df o rn o n c o o p e r a t i v eb i s t a t i cr a d a rs y s t e mCP r o c e e d i n g s o f I E E EC I EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nr a d a r U S:I E E E,:张舒彦,鲍庆龙,林财永,等一种非合作双基地雷达目标跟踪 方 法 J科 学 技 术 与 工 程,():石林艳,蒋柏峰,王宏,等非合作探测技术与电子侦察技术的综合应用J中国电子科学研究院学报,():王慧娟,周畅,张袁鹏,等空基分布式协同探测定位精度分析J华中科技大学学报(自然科学版),():石玉璞,袁键,蔡伟一种基于拟N EWT ON法的多非合作外辐 射 源 的 无 源 融 合 定 位 算 法 J舰 船 电 子 抗,():王森,鲍庆龙,潘嘉蒙,等基于改进概率假设密度滤波器的非合作双基地雷达目标跟踪J系统工程与电子技术,():WAN GHT,WANGJ,J I AN GJZ,e t a l T a r g e t d e t e c t i o na n dD OAe s t i m a t i o n f o rp a s s i v eb i s t a t i c r a d a r i n t h ep r e s e n c eo fr e s i d u a l i n t e r f e r e n c eJ R e m o t eS e n s i n g,():李坤明雷达辐射源信号的分选及识别方法研究D西安:西安电子科技学,徐欣,刁联旺,于永生雷达辐射源类型识别分析J计算机与数字工程,():柳海斌等:基于标定冲击系数的锤击过载计算方法