缓冲系统设计及缓冲性能测试

徐楠 王美娜 褚福常

（江苏徐州工程机械研究院，江苏徐州 221000）

灾害现场，往往出现道路阻断等复杂环境，在救援车辆无法驶入或非常危险的救援场合，急需一种研发超低空投放装备，满足救援车辆吊挂并超低空投放快速进入灾害现场，实现精准投放，开展救援工作。超低空投放缓冲系统由起吊装置、防护货台及空投缓冲装置组成，其中缓冲装置的防护性能对超低空投放过程起着尤为重要的影响，性能良好的缓冲防护装置将大大降低空投车辆在着地过程中的冲击作用力，保障救援车辆超低空投放安全可靠，因此抗冲击缓冲技术研究是保障车辆超低空投放的关键因素之一。为此本文以缓冲气囊、橡胶垫、蜂窝纸板组合缓冲装置为研究对象，开展超低空投放缓冲装置设计及跌落冲击测试，通过瞬态冲击测试记录仪器记录着陆冲击过载。

1 缓冲气囊设计与缓冲原理

气囊缓冲的基本原理是依靠压缩载荷下的变形吸收能量，因此缓冲特性主要取决于气囊的变形特性。带有排气孔的气囊，是指气囊在缓冲过程中具有排气能力，受到着陆冲击时，冲气气囊受到压力，囊内气体通过排气孔向外排泄散耗能量，达到对冲击能量的吸收实现缓冲着陆。自充气气囊是通过对气囊结构设计实现吸收外界大气压，起吊后通过气囊结构件的自重将压缩的气囊展开，气囊进行自充气，该气囊优点是不用另带气源，只利用外界大气压充气，缓冲系统更加简单、轻便。本文设计自充气气囊，结构图如图1 所示，2 为气囊，呈圆柱体，800mm×1000mm ，1 和4 为木制板材，超低空投放前，以木制板材1 自身重力实现气囊展开，实现自充气。

图1 缓冲气囊结构示意图

2 跌落试验及性能测试

试验时，通过遥控脱钩器起吊超低空投放缓冲系统，1 吨配重代替救援车辆（实战使用依据空投车辆重量确定气囊个数），从1.6m 的高度自由落体，模拟灾害现场救援车辆的超低空投放，保障配重着地速度为5m/s。试验如图2 所示，从上至下，依次为，1 遥控脱钩器（吊钩）、2 吊索、3 配重（紧固在防护货台上）、4 蜂窝纸板、5 橡胶垫、6 空投防护货台、7 气囊，配重四个方向各安装1 个冲击过载加速度传感器，连接至数据采集系统。

图2 缓冲测试系统示意图

3 分析与讨论

车辆空投跌落，要求车辆可以承受30g 过载冲击。试验过程中，经过多组测试，分别为无气囊缓冲装置、有气囊缓冲装置、有气囊缓冲装置条件下调节气囊排气孔面积大小等。无气囊缓冲装置跌落测试如图3 所示，由图可以看出存在两次明显的加速度剧增，4 个通道采集冲击加速度，其中最大峰值为97g，通过高速摄像机采集跌落过程，该点为缓冲测试系统最先着地冲击载荷位置。实验表明，无缓冲气囊时，缓冲测试系统着地冲击加速度较大，起吊平衡与冲击载荷关系密切，跌落冲击过载最大采集位置为跌落过程中先着地点，最小为后着地点。

图3 无缓冲气囊跌落试验冲击载荷

有气囊缓冲装置跌落测试过程数据波形如图4 所示，试验数据如表1 所示，其中，垂直地面向上为加速度正向，垂直地面向下为加速度负向。试验表明，如图4 所示，在缓冲装置的试验条件下，距离地面1 米进行配重跌落试验，跌落物的冲击加速度峰值为35g，有效的降低跌落物体的冲击作用，效果达到60%以上；试验表明，气囊缓冲装置可以较好的缓冲着地冲击加速度，橡胶垫有效的缓冲跌落冲击过程中，刚性材质间相互碰撞产生的冲击力；蜂窝纸板具有吸能效果，由于蜂窝纸板变形后，配重与空投系统产生空隙，无法形成刚性一体，可以看到明显2 次触地反弹。

表1 跌落冲击试验着陆冲击过载

图4 缓冲气囊跌落试验冲击载荷

经多次试验表明，气囊缓冲效果，第一次最佳，反复使用，缓冲效果降低；排气孔较小时，空投系统有明显反弹，排气孔较大时，缓冲性能降低，无明显反弹现象。同时，针对气囊的缓冲效果研究，以排气孔的开口面积为研究对象，进行多次试验。研究表明，排气孔面积较小，冲击加速度数据波形震荡明显，表明重物在跌落过程中有反弹现象；排气孔面积较大，缩短气囊排气时间，削弱缓冲作用，因此排气孔的开口面积大小是影响气囊缓冲效果的重要因素。

4 结论

本文针对救援车辆超低空投放过程中降低着陆过载冲击，设计了缓冲气囊，通过空投载重、空投高度及排气孔开口大小，设计了缓冲气囊及气囊缓冲性能优化方案，并开展试验验证，得到如下结论：

4.1 气囊、橡胶垫、蜂窝纸板组合缓冲装置可以较好的降低空投装备着陆冲击过载加速度，有效降低跌落物体的冲击作用力，效果达到60%以上，符合设计要求。

4.2 空投跌落过程中，将被空投件及空投系统紧固，成为刚性一体，防止跌落过程中，相互冲击，产生二次撞击。

4.3 气囊缓冲装置缓冲效果，排气孔大小与空投着地缓冲冲击时间、空投物体重量、着地冲击加速度大小有显著关系。

4.4 跌落释放试验前，应将空投货台保持大致与跌落地点水平，防止跌落着地过程中，货台先着地点产生较大过载冲击。