粗率操作造成的冲击试验方法探究

粗率操作造成的冲击试验方法探究

邓林涓 ,许鹏 ,刘毅 ,杜延春 ,叶超 ,王弘达

山东省计量科学研究院 济南  250014

摘要

粗率操作造成的冲击试验是仪器设备研发过程中必备的质量控制手段，主要是模拟实际运输及工作环境中所经受的冲击效应。通过冲击试验，可以发现产品结构设计缺陷，进而改进产品的结构设计，本文主要对冲击试验进行探究。

关键词：冲击试验；质量控制。

1 背景

仪器设备在移动、搬运和使用过程中往往会受到碰撞、倾跌等情况，这些情况往往会导致设备零部件结构及内部电路的破坏，因此，在设备的研制过程中，粗率操作造成的冲击试验成为质量控制的必备手段。

粗率操作造成的冲击试验有很多种，包括冲击、自由跌落、角跌落和面跌落等，本文针对冲击试验进行研究。冲击试验并非用来重现实际情况下遭受的冲击，而是通过设定不同的试验严酷等级评价设备对于设计要求的满足程度。

2 试验设备

冲击测试系统一般包括冲击台体、测量控制系统等，如图1所示。

图1 冲击测试系统图

冲击台体用于装载被测样品，产生相应的冲击波形，包括半正弦波，后峰锯齿波和梯形波。试验时，根据工作或运输环境的冲激响应谱选择相应的波形进行试验，当响应谱未知时，可以优先选用半正弦波。不同的波形由波形发生器生成，往往采用橡胶、毛毡、高强度塑料等。目前市面常见的冲击台体的工作方式包括凸轮式、气动式等，不同的台体各有优缺。凸轮式往往结构简单，便于维护，造价成本较低，但是其能达到的加速度范围有限，凸轮结构往往需要润滑油维护等造成实验室污染。气动式台体更容易达到相应的加速度及脉冲持续时间，但是成本较高，气动结构需要维护，气缸占用面积较大等。

测量控制系统主要包括加速度传感器、信号放大器、计算机等。测量控制系统需要采集并实时显示台体冲击时的加速度、脉冲持续时间等信息。

3 试验主要参数

冲击试验测试主要参数包括加速度、脉冲持续时间和重复频率。

重复频率可以通过测量控制系统进行设定，加速度和脉冲持续时间是衡量冲击台精确度的关键参数。而这两个参数主要跟冲击台体高度H，缓冲垫刚度X和台体总重量M有关。

加速度主要受台体高度的影响，和缓冲垫弹性关系较小，高度越高，加速度越大，在试验过程中，如果峰值加速度与标准值相差不大，可以通过调整台体高度来达到标准值。

脉冲持续时间主要受缓冲垫刚度X大小的影响，不同材质的缓冲垫性能差异较大，目前实验室一般使用硫化橡胶及毛毡搭配使用。对同一种材料才说，一般厚度越大，其刚度越小。因此，一个冲击台需要搭配不同材质的多套发生器，在实际使用过程中，往往需要通过多组缓冲垫搭配使用。缓冲垫在长期使用过程，经受大量冲击后往往会发生形变，如果缓冲垫形变饱和，台体和基座的冲击容易导致台体的损坏，因此有必要对缓冲垫进行定期的更换。

台体重量是加速度、脉冲持续时间相关度较大的参数。台体验收后，往往会根据现场实际情况，通过调整台体高度和缓冲垫形成固定的搭配组合来满足试验严酷度等级。但是实际过程中，由于被测样品重量不同，导致每次台体的实际重量发生变化，造成测试的误差，因此可以采用增加配重的方法进行验收标定，此时台体总重量为：

此时，台体重量可以看成一个恒定值，标定时，配重值选取最大试验样品的重量。试验时，样品和配重搭配得到总重进行试验，这样得到的误差较小，但是需要设计较好的配重模块，便于重量的线性增减。当被测样品重量差距不大，严酷度等级脉冲持续时间差距不大，仅加速度差距较大时，对于不同重量的被测样品仅需调整测试高度，在标定时可以通过大量的试验数据进行数据拟合处理，使用同一种波形发生器时，获取高度和被测样品重量的关系，试验时根据被测样品重量直接获取测试高度。

冲击台体性能参数主要包括脉冲波形、试验台速度变化量、加速度峰值重复性、速度变化量重复性、加速度峰值横向运动比等。验收时，需要对其产生的脉冲波形进行检定，加速度峰值和对应的脉冲持续时间等应该符合标准的规定。

试验台速度变化量的积分区间从脉冲前0.4D积分到脉冲后0.1D（D为脉冲持续时间），应控制在标称值的±15%，按下式得到：

式中：为第次测量时标准加速度计测量的速度变化量，

为第次测量时试验台标称的的速度变化量。

加速度峰值重复性应满足以下指标：

台体速度变化量的重复性应≤15%，胎面中心位置的冲击加速度峰值横向运动比应≤30%。

4 测试

    测试时，可以先调节波形发生器刚度，根据前期标定值选取近似的波形发生器，再逐渐增加，厚度增加，刚度减小，脉冲持续时间增加，同时高度越小。在调节波形发生器的过程中，随着波形发生器厚度的增加，加速度下降的幅度会大于脉冲持续时间的的上升幅度。调整的过程往往出现不稳定的情况，需要反复的不断调整来减小误差。

5 问题探究

冲击试验过程往往会遇到较多问题，例如：目前市面的波形发生器通常由橡胶、毛毡等材料制成，在大量试验后往往会出现形变导致发生波形变化，因此只能定期更换波形发生器解决。在进行小加速度试验时，如果频次较高，冲击强度大，产生的谐波容易导致冲击测量仪无法区分有效信号从而影响测量精度。这些问题在目前的设备中较为普遍，如何通过改善结构解决问题意义重大。

6 总结

    随着产品设计及使用中对产品质量可靠性的越来越重视，冲击试验也得到越来越多的关注。目前，冲击试验还存在着些许问题，这些问题未来通过进一步的研究将得到不断完善。