摆锤式冲击响应谱试验机的调试方法

王招霞，宋 超

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

摆锤式冲击响应谱试验机的调试方法

王招霞，宋 超

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

文章对摆锤式冲击响应谱试验机的调试方法进行了实践总结。介绍了摆锤式冲击响应谱试验机的结构组成和工作原理。基于大量的调试试验和对调试结果的分析研究，总结了摆锤式冲击响应谱试验机的主要技术指标和冲击试验谱形的调试方法、调试规律等，为今后摆锤式冲击响应谱试验机的研究和应用提供一定的技术参考。

摆锤式冲击机；冲击响应谱；时域谱

0 前言

航天器在运输、发射、在轨运行或返回期间受到的各种瞬态载荷称为冲击载荷。冲击环境可能引起产品结构以及性能损坏甚至失效，因此冲击试验成为检验和暴露航天器研制过程中存在的设计问题和加工缺陷的环境模拟试验项目之一。冲击是一种非稳态的瞬态过程，是比一般振动更为复杂的一种现象。随着大量火工品的应用，爆炸冲击环境逐渐被人们所重视，航天工作者也越来越关注能更真实地模拟航天器产品承受实际冲击环境的冲击响应谱试验。

冲击响应谱（以下简称冲击谱）是对受到机械冲击作用的一系列单自由度系统的最大响应（位移、速度、加速度）作为各个系统固有频率的函数的描述，其加速度时间历程为振荡衰减形式，持续时间可达 10～20 ms，它的特点一般来说加速度幅值较高，可达103～104g，能量分布在较宽的频率范围内，而且幅值有正有负。由于最初冲击试验模拟设备的能力有限，模拟这种复杂的振荡衰减波形是很不容易的，但随着冲击谱模拟装置的不断改进和发展，现已经能够很好地模拟这种冲击环境。目前，由于摆锤式冲击响应谱试验机（以下简称摆冲试验机，该试验系统简称为摆冲试验系统）的结构简单紧凑、操作方便、价格便宜，并具有一定的模拟性和重复性等优点，因此在国内外被广泛使用。

1 摆冲试验系统的工作原理

摆冲试验系统（如图1所示）主要包括：

1）摆冲试验机——带有摆锤的自动提升装置、释放和制动装置；

2）冲击试验控制器——用于摆锤提升角度和摆锤释放的控制；

3）冲击数据采集系统——冲击数据采集和冲击谱分析功能（用于冲击试验条件控制和冲击响应测量）；

4）冲击采集系统的其他辅助装置——冲击传感器、信号调节器等；

5）弹性缓冲器——大多采用橡胶材料，用于调整复杂冲击波形的幅值和持续时间，通过改变其刚度可以改变台面的运动，以最终满足冲击谱的要求；

6）基座——用于支撑台面和支架，有足够的质量并固定在地基上，在冲击试验过程中不允许产生位移。

图1 摆冲试验系统的原理图Fig.1 Principle of a Balance Hammer SRS test system

试验时，摆冲试验机的起吊臂牵引摆锤上升到预定位置后，释放钩张开，摆锤自由落下，锤头击打安装试验件的水平台面。平台受到摆锤冲击，反复撞击试验台基座上的弹性缓冲器，从而产生衰减的复杂振荡冲击波形。测量系统通过传感器和电荷放大器等记录台面运动的时间历程响应，冲击采集系统将运动的时间历程处理成为冲击谱，得到冲击谱试验数据曲线。

2 摆冲试验系统的性能指标及其调试方法

摆冲试验系统在启用前，需要测试和了解摆冲试验机的性能和指标，以确保其满足冲击试验要求。下面就摆冲试验机的几个主要性能指标及其调试方法分别进行说明。

2.1 最大激励能力

这里的最大激励能力指的是冲击谱及其对应的时域谱在满足试验要求的情况下，冲击试验机满载和空载时所能达到的最大冲击量级。

通常情况下，当缓冲器刚度不变时，摆锤提升角度越大冲击量级也越大；当缓冲器刚度减小时，试验量级会有小幅度的减小。因此我们在研究摆冲试验机的最大激励能力时，应取摆锤提升的最大极限位置（一般摆角在 90°时）和刚度较大的缓冲器，分别进行空载和满载时激励的极限调试，研究试验机极限激励时达到的最大冲击量级。图2为摆冲试验机在空载最大激励试验时的频域图和时域图，冲击谱图中的最大量级为7 860 g，时域谱图中的最大量级为2 500 g。

图2 摆冲试验机最大激励试验曲线Fig.2 The spectrum under the max force

2.2 重复性

重复性是指在相同条件下，摆冲试验机做两次以上的冲击所获得的冲击谱的一致程度，测试摆冲试验系统重复性的目的是保证测试数据的准确可靠。

调试时，任选一种缓冲器，在缓冲器不变的情况下，分别选取大、中、小3种摆锤提升角度，进行多次冲击，比较同一角度下采集到的冲击谱波形，如果获得的冲击谱均在容差带内（容差带一般取±6 dB），则认为摆锤在这个角度下的重复性较好。如图3为摆锤角度在40º时，连续冲击4次所获得的冲击谱曲线均在容差带内，所以此摆冲试验机摆锤角度在 40º时有较好的重复性。若大、中、小3种角度下的重复性均满足要求，即可认为这台摆冲试验机的重复性满足使用要求。

图3 摆锤在偏角40º时的冲击谱形Fig.3 The spectrums at the hammer angle of 40º

2.3 台面均匀度

台面均匀度是指以台面中心点响应为基准，测量台面边缘某些有代表性的点的冲击谱响应（如图4所示），将其与中心点的冲击谱响应进行比较，一般要求偏差在±6 dB以内。测试台面均匀度是用来检验台面设计的合理性，以保证台面各点试验数据的正确有效。如图5所示，某摆冲试验机各测点的冲击谱均在±6 dB的容差带内，则认为此摆冲试验机的台面均匀度满足使用要求。

图4 测点位置分布示意图Fig.4 The schematic diagram of the measurement positions

图5 各测点响应谱曲线图Fig.5 The spectrums of the measurement points

2.4 谱形调试

目前的摆冲试验系统仅限于模拟在双对数坐标系中由上升段和平直段组成的冲击谱，谱形如图6所示。

图6 冲击谱形Fig.6 The form of a shock response spectrum

根据冲击谱试验规范，可筛选出几个典型的冲击谱形，分别对其进行调试。调试的目的是研究冲击谱形的影响因素及其影响规律，为摆冲试验系统的投入使用建立冲击调试试验数据库。冲击谱形的变化主要包括3个方面（图6）：1）冲击量级G（平直段部分）；2）拐点频率f1（平直段与上升段的交点）；3）斜率S（上升段部分）。

一般情况下，当缓冲器的刚度不变时，摆锤的提升角度增大，产生的冲击量级G也增大；反之，摆锤的提升角度减小，产生的冲击量级G也减小。摆锤提升角度对冲击谱上升段的斜率 S和拐点频率 f1的影响较小。当摆锤提升角度不变时，缓冲器的刚度减小，则拐点的频率f1减小，斜率S也相应变小，试验量级G也会有小幅度的减小。总之，冲击量级G的调节以调节摆锤提升角度为主，拐点频率f1和斜率S的调节以调节缓冲器刚度为主。实际上，调节任一冲击谱形都需同时调整提升角度和缓冲器刚度。

当用橡皮作为缓冲器时，一般情况下，橡皮硬则刚度大，橡皮软则刚度小。几块同样软硬的橡皮叠加起来使用时，其总性能是变软，刚度比其中任一块橡皮的刚度都要小；同样软硬的橡皮，厚的刚度比薄的刚度要小。所以冲击谱拐点和斜率的调节过程主要是各种软、硬、薄、厚橡皮的拼凑过程。

除了摆锤提升角度和缓冲器的刚度对冲击谱形有较大的影响外，试验件的动态特性和装夹方式（包括装夹位置、装夹螺钉数量、螺钉拧紧力矩等等）对冲击谱形也有一定的影响。这些影响因素之间错综复杂，没有一定规律，因此为了保证试验结果满足试验要求，冲击谱试验前应对试验系统进行预调。

预调时，一般选用结构响应特性相似的模拟件或质量模拟块来代替真实产品，其质量以及与冲击台台面的质心相对位置应尽量与真实产品一致。试验前先将模拟件或质量模拟块与夹具的组合体安装在摆冲试验机台面上，进行冲击谱预调试验，通过控制传感器进行冲击谱的测量，得到一个控制谱。假如这个控制谱不理想，可通过调整摆锤提升角度、缓冲器的刚度、组合体的装夹方式等影响因素来反复调试，直到连续两次测得的控制谱满足试验要求为止，就可以进行正式的冲击谱试验。

当成功调试出一种谱形后，要记录下摆锤提升的角度和所用缓冲器的刚度等信息，作为数据库中一种谱形的数据信息。依此类推，每次调试完成后，都要对有关重要信息进行登记记录，日积月累就会形成一套有较高参考价值的摆冲试验机调试数据资料。

3 结束语

通过大量的调试研究，本文总结出了摆冲试验机主要性能指标的调试方法和调试规律。研究结果表明，对一个确定的摆冲试验机来说，影响其性能的因素主要有3个：摆锤提升角度；缓冲器的刚度；试验件与夹具组合体的装夹方式。其中前两者对冲击谱形的影响具有一定的规律性。本文介绍的调试方法也可推广应用于其他类似的机械式冲击试验设备，这将有助于更好地开展冲击试验研究工作。

（References）

[1]《力学环境试验技术》编著委员会.力学环境试验技术[M].西安:西北工业大学出版社,2003-09

Abstract:Based on the structure and principle of a Balance Hammer SRS test system and numerous tests,this paper reviews the applications of the Balance Hammer SRS test system,as well as its main technical specifications and debugging methods for impact test spectrum,which would serve a help for study and application of the Balance Hammer SRS test system.

Key words:balance hammer SRS test system; shock response spectrum; time domain spectrum

Debugging of a balance hammer SRS test system

Wang Zhaoxia,Song Chao (Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering,Beijing 100094,China)

V416.2

B

1673-1379(2010)03-0336-03

10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.013

2009-09-24；

2009-10-14

王招霞（1974—），女，高级工程师，主要从事航天器动力学环境试验的研究工作。联系电话：（010）68116406。

Article ID:1673-1379(2010)03-0336-03

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.013