張 林，劉建斌，郭競(jìng)堯，張永濤

(西北機(jī)電工程研究所, 陜西 咸陽 712099)

高速運(yùn)動(dòng)零件的碰撞特性實(shí)驗(yàn)研究

張 林，劉建斌，郭競(jìng)堯，張永濤

(西北機(jī)電工程研究所, 陜西 咸陽 712099)

常規(guī)的自動(dòng)武器結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)計(jì)算所引用的恢復(fù)系數(shù)為定值且取值范圍較大，從而導(dǎo)致理論計(jì)算和樣機(jī)測(cè)試結(jié)果常有差距。為了研究自動(dòng)武器零件在射擊過程中的碰撞行為，組建了一套實(shí)驗(yàn)裝置，模擬了自動(dòng)武器常用的高強(qiáng)度材料在單自由度、面接觸仿真條件下的碰撞，通過激光測(cè)振儀測(cè)試模擬零件的速度變化，從而獲取恢復(fù)系數(shù)和接觸時(shí)間等參數(shù)，分析了該條件下的動(dòng)力學(xué)相應(yīng)規(guī)律。研究結(jié)果表明，碰撞的恢復(fù)系數(shù)和接觸時(shí)間受多參數(shù)影響。

工程力學(xué)；高速碰撞；單自由度；面接觸；恢復(fù)系數(shù)；接觸時(shí)間

自動(dòng)武器中各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)，絕大部分是依靠零件之間的碰撞進(jìn)行能量傳遞，而在自動(dòng)武器的設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的大部分計(jì)算又是零件之間碰撞的計(jì)算，其中恢復(fù)系數(shù)是重要的輸入?yún)?shù)。而利用現(xiàn)有計(jì)算手段對(duì)零件之間碰撞進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般取碰撞恢復(fù)系數(shù)為定值且取值范圍較大(0.3～0.5)[1]，在理論計(jì)算和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的對(duì)比之下發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值往往有一定的差距，影響了對(duì)火炮動(dòng)力學(xué)研究的精度和可靠性。由于自動(dòng)武器中的零件受力極其惡劣，所有依靠撞擊進(jìn)行傳遞能量的撞擊形式均為面接觸，并且碰撞速度的范圍較大，常用的對(duì)碰撞及其恢復(fù)系數(shù)的研究方法在一定程度上均無法準(zhǔn)確測(cè)定其碰撞恢復(fù)系數(shù)。

在本研究中，模擬了一種自動(dòng)武器中零件的工作狀況，通過兩臺(tái)激光測(cè)振儀測(cè)試參碰試件的碰撞過程，直接測(cè)量參碰試件的速度變化，得到碰撞速度變化曲線，從而求得該種高強(qiáng)度材料的恢復(fù)系數(shù)及碰撞接觸時(shí)間的變化特征和規(guī)律。

1 碰撞實(shí)驗(yàn)與測(cè)試方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置介紹

為了模擬自動(dòng)武器中零件的真實(shí)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)律，組建了一套實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)圖如圖1所示。主、被動(dòng)參碰試件直接安裝在導(dǎo)軌中，形成單自由度，參碰試件與導(dǎo)軌之間的間隙小于0.05 mm，該間隙尺寸通過修配來保證。主動(dòng)參碰試件的一側(cè)與氣缸桿接觸，通過氣缸的推動(dòng)提供初始速度，且與被動(dòng)參碰試件碰撞前，已和氣缸脫離，保證處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)參加碰撞。參碰試件的速度變化通過兩臺(tái)激光測(cè)振儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主動(dòng)參碰試件由1#激光測(cè)振儀經(jīng)過反射鏡監(jiān)測(cè)其非碰撞面的速度變化，被動(dòng)參碰試件由2#激光測(cè)振儀直接監(jiān)測(cè)其非碰撞面的速度變化。

本次研究選用某自動(dòng)武器常用的高強(qiáng)度材料30CrNi2MoVA，主、被動(dòng)參碰試件的硬度分別為33HRC和55HRC，按照常用的外形尺寸簡(jiǎn)化后制成參碰試件，試件的制作工藝、材料與實(shí)際使用狀態(tài)相同。主動(dòng)參碰試件尺寸為46 mm×45 mm×108 mm，質(zhì)量為1.5 kg；被動(dòng)參碰試件尺寸為78 mm×45 mm×78 mm，質(zhì)量為2.0 kg。被動(dòng)參碰試件上有兩種碰撞接觸面積，分別為46 mm×9 mm和46 mm×27 mm，如圖2所示。

1.2 碰撞參數(shù)分析

恢復(fù)系數(shù)和碰撞接觸時(shí)間是碰撞實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的基礎(chǔ)性參數(shù)。恢復(fù)系數(shù)的大小表征碰撞前后動(dòng)能變化的大小，即從能量的角度來看，恢復(fù)系數(shù)的實(shí)質(zhì)在于表征碰撞過程中的動(dòng)能損失。兩物體在單自由度下的正碰撞如圖3所示。

對(duì)于圖3中的碰撞過程[1]，恢復(fù)系數(shù)e定義為兩物體碰撞前的初始速度之差和碰撞后的分離速度之差的比[2]，即

(1)

式中：vA0和vB0分別是主、被動(dòng)參碰體碰撞接觸時(shí)的速度，m/s；vA和vB分別是主、被動(dòng)參碰體碰撞分離時(shí)的速度，m/s。

碰撞接觸時(shí)間為

t=tA-tA0=tB-tB0

(2)

式中：tA=tB為碰撞分離的時(shí)刻;tA0=tB0為兩物體碰撞接觸的時(shí)刻，s。

1.3 測(cè)試方法與步驟

在自動(dòng)武器零件的高速碰撞實(shí)驗(yàn)中，通過氣缸的運(yùn)動(dòng)給主動(dòng)參碰試件提供一個(gè)初始速度，速度方向沿導(dǎo)軌朝向被動(dòng)參碰試件。導(dǎo)軌上均勻地涂抹上潤(rùn)滑劑，保證在碰撞試件運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦條件沒有波動(dòng)性變化。在主動(dòng)參碰試件運(yùn)動(dòng)一段距離后，氣缸運(yùn)動(dòng)行程結(jié)束，主動(dòng)參碰試件與氣缸桿脫離并沿導(dǎo)軌自由運(yùn)動(dòng)，直至與被動(dòng)參碰試件發(fā)生碰撞。參碰試件的測(cè)試面上貼有激光測(cè)振儀指定的反射貼膜，兩臺(tái)激光測(cè)振儀分別全程監(jiān)測(cè)參碰試件測(cè)試面的速度變化量。

根據(jù)兩臺(tái)激光測(cè)振儀所記錄的主、被動(dòng)參碰試件的碰撞接觸時(shí)的速度以及碰撞分離時(shí)的速度，按照碰撞恢復(fù)系數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算得出不同碰撞速度和不同碰撞接觸面積下的恢復(fù)系數(shù)；再根據(jù)激光測(cè)振儀記錄的時(shí)間，按照碰撞接觸時(shí)間的計(jì)算公式得出碰撞接觸時(shí)間。在分析碰撞問題時(shí)，可將碰撞等效為一個(gè)彈簧阻尼系統(tǒng)，如圖4所示。在得到碰撞恢復(fù)系數(shù)和碰撞接觸時(shí)間這兩個(gè)重要的參數(shù)后，即可用相關(guān)模型得到彈簧阻尼系統(tǒng)的等效剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，進(jìn)而可對(duì)碰撞過程進(jìn)行數(shù)值模擬[3-6]。

實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施步驟如下：

1)氣缸桿收回，主動(dòng)參碰試件與氣缸桿接觸，系統(tǒng)處于準(zhǔn)備狀態(tài)。

2)輸入主動(dòng)參碰試件需要達(dá)到的碰撞速度及質(zhì)量參數(shù)，計(jì)算出氣缸需要的氣體壓力，并控制氣路系統(tǒng)達(dá)到該壓力值。

3)通過控制系統(tǒng)控制氣缸進(jìn)氣通路上的電磁閥打開，主動(dòng)參碰試件在氣缸桿的推動(dòng)下開始加速；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始記錄1#、2#激光測(cè)振儀的測(cè)試數(shù)據(jù)。

4)氣缸桿運(yùn)動(dòng)行程結(jié)束，主動(dòng)參碰試件達(dá)到最大直線運(yùn)動(dòng)速度。

5)主動(dòng)參碰試件繼續(xù)沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，直至與被動(dòng)參碰試件發(fā)生碰撞。

6)主動(dòng)參碰試件和被動(dòng)參碰試件完成相互碰撞后的運(yùn)動(dòng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄結(jié)束，單次實(shí)驗(yàn)過程結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果討論

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過上述實(shí)驗(yàn)步驟得到實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線的y軸為測(cè)試電壓值，測(cè)試電壓與速度的換算關(guān)系為v=kU,k=2 m/(s·V)。

在圖5中，上方曲線表示被動(dòng)參碰試件的電壓隨時(shí)間的變化，下方曲線表示主動(dòng)參碰試件的電壓隨時(shí)間的變化。碰撞過程可以分為碰撞壓縮階段和碰撞恢復(fù)階段[7-8]。取被動(dòng)參碰試件的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)tB0=107.38 ms作為碰撞壓縮階段開始的時(shí)間點(diǎn)；主動(dòng)參碰試件的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生突變時(shí)的速度設(shè)為vA0；由于激光測(cè)振儀測(cè)試的是電壓變化量，由測(cè)試電壓與速度的換算關(guān)系v=kU就可得到參碰試件的速度變化量，故取被動(dòng)參碰試件碰撞后被測(cè)試面速度變化前4次振蕩的平均值為其碰撞分離速度vB，且第1次達(dá)到該速度的時(shí)間點(diǎn)tvB為碰撞恢復(fù)階段結(jié)束的時(shí)間點(diǎn)；取主動(dòng)參碰試件碰撞后被測(cè)試面速度變化前4次振蕩的平均值為其碰撞分離速度vA；根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，被動(dòng)參碰試件的初始速度vB0=0 m/s。由該曲線圖可知，發(fā)生碰撞時(shí)，被動(dòng)參碰件的速度由vB0=0 m/s迅速增加到8 m/s左右，后在此速度上下波動(dòng)。主動(dòng)參碰件的速在碰撞后急劇減小，最后基本穩(wěn)定在2 m/s左右。

根據(jù)式(1)即可算得碰撞恢復(fù)系數(shù)e，根據(jù)式(2)即可算得碰撞接觸時(shí)間t。

在碰撞接觸面積為46 mm×9 mm的情況下，于4～11.2 m/s的速度范圍內(nèi)進(jìn)行了34個(gè)速度點(diǎn)的碰撞實(shí)驗(yàn)；在接觸面積為46 mm×27 mm的情況下，于3.2～11 m/s的速度范圍內(nèi)進(jìn)行了36個(gè)速度點(diǎn)的碰撞實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到恢復(fù)系數(shù)和碰撞接觸時(shí)間隨碰撞速度變化的對(duì)比曲線如圖6、7所示。

2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

從圖6和圖7中的各個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分散程度來看，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)的一致性較好，可信度較高。

由圖6可得以下結(jié)論：

1)恢復(fù)系數(shù)在單自由度、面接觸的碰撞條件下并不是一個(gè)常數(shù)。

2)總體上說，恢復(fù)系數(shù)隨著碰撞速度的增大而呈一定規(guī)律性的增大，但對(duì)于碰撞接觸面積為46 mm×9 mm的情況，恢復(fù)系數(shù)在碰撞速度達(dá)到11 m/s后還有一個(gè)下降的趨勢(shì)，這個(gè)特征還需根據(jù)材料特性進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

3)同時(shí)還可以看出，恢復(fù)系數(shù)不僅和碰撞速度有關(guān)，與碰撞接觸面積也有關(guān)。定性上看，在相同碰撞速度下較小的碰撞接觸面積相比較大的接觸面積的恢復(fù)系數(shù)要高，若要從定量上給出碰撞接觸面積對(duì)恢復(fù)系數(shù)大小影響的規(guī)律還需大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作支撐。

由圖7可得以下結(jié)論：

1)碰撞接觸時(shí)間隨著碰撞速度的增大而減小。

2)同時(shí)還可以看出，碰撞接觸時(shí)間也與碰撞接觸面積有關(guān)。定性上看，在相同的碰撞速度下較小的碰撞接觸面積相比較大的接觸面積的碰撞接觸時(shí)間要短。

文獻(xiàn)[9]通過測(cè)量不同高度彈性體下落時(shí)所需時(shí)間，得到的結(jié)果顯示恢復(fù)系數(shù)與物體碰撞時(shí)的速度無關(guān)；文獻(xiàn)[10]借助聲音傳感器采集鋼珠與玻璃板間彈跳碰撞產(chǎn)生的脈沖聲信號(hào)，測(cè)得恢復(fù)系數(shù)隨碰撞初速度增大而略微減小，并且與文獻(xiàn)[11]結(jié)論吻合；文獻(xiàn)[6]采用高速光學(xué)采集系統(tǒng)拍攝石墨磚的碰撞過程，通過圖像處理算法獲得碰撞前后的速度等參數(shù)，得到恢復(fù)系數(shù)和隨碰撞速度的增大而增大，同時(shí)隨著碰撞速度的增大，恢復(fù)系數(shù)的增大趨勢(shì)越來越小，逐漸趨于平緩，而碰撞接觸時(shí)間隨碰撞速度的增大而減小，與文獻(xiàn)[12]中的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致。

以上文獻(xiàn)中的研究結(jié)果的不同結(jié)論結(jié)合本文的研究結(jié)果說明，物體的絕對(duì)恢復(fù)系數(shù)以及碰撞接觸時(shí)間和碰撞的外部條件有關(guān)[13]，即與物體的材料及材料的機(jī)械性能(如鋼材的熱處理硬度)、碰撞接觸面形勢(shì)(點(diǎn)接觸、線接觸、面接觸)、碰撞速度等因素有較大關(guān)系，而與物體的外形、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等其他因素是否有不可忽略的關(guān)系尚待驗(yàn)證。

故物體絕對(duì)恢復(fù)系數(shù)的函數(shù)可以表示為

e=f(C,S,v)

(3)

式中：C為材料及其機(jī)械性能的輸入?yún)?shù)(可能包含材料的彈性模量E及泊松比ν)；S為碰撞接觸面形勢(shì)的輸入?yún)?shù)(可能包含點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸的判斷，面接觸中包含面積)；v為碰撞速度。

物體的碰撞接觸時(shí)間的函數(shù)可以表示為

t=g(C,S,v)

(4)

兩個(gè)絕對(duì)恢復(fù)系數(shù)不同的物體發(fā)生碰撞的共同恢復(fù)系數(shù)可根據(jù)文獻(xiàn)[13]的推導(dǎo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3 結(jié)束語

筆者采用直接測(cè)量碰撞速度變化的方法，對(duì)某自動(dòng)武器常用的高強(qiáng)度材料，在單自由度面接觸碰撞的條件下進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在仿真零件實(shí)際使用的條件下，碰撞恢復(fù)系數(shù)并不是一個(gè)常數(shù)，并且它不僅與碰撞速度有一個(gè)相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，同時(shí)還與碰撞接觸面積有關(guān)，即較小的碰撞接觸面積相比較大的碰撞接觸面積,在相同碰撞速度下的恢復(fù)系數(shù)高；碰撞接觸時(shí)間隨著碰撞速度的增大而減小，同時(shí)碰撞接觸面積對(duì)它的影響與對(duì)恢復(fù)系數(shù)的影響相反。

筆者采用的實(shí)驗(yàn)方法直觀、可重復(fù)性好，并且直接測(cè)試參碰試件的速度變化，避免將直接物理量測(cè)量轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接物理量測(cè)量帶來的誤差，可信度高。所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，可以對(duì)自動(dòng)武器的動(dòng)力學(xué)分析提供新的輸入?yún)?shù)。

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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

張林(1992—)，男，碩士研究生，主要從事火炮自動(dòng)機(jī)技術(shù)研究。E-mail：919310356@qq.com

TJ35

A

1673-6524(2017)01-0079-05