冲击疲劳试验机加载机构运动稳定特性研究

　　自动机是自动武器的核心部件，其主要承力构件的寿命问题一直受到广泛关注。自动机工作时主要承受冲击载荷，其破坏属于冲击疲劳破坏。为研究冲击载荷下自动机关重件的损伤、疲劳寿命及失效的规律、影响因素和控制方法，研制自动机关重件冲击疲劳试验机有着重要的意义。目前，美国、日本、欧洲等国家和地区研制的冲击试验机水平较高，而国内冲击试验机的研制起步较晚，产品结构基本相近于国外同类产品，但质量上存在一定差距。国内外冲击试验机大多数属于单次冲击试验机，也有一些科研机构研制出可进行多次冲击的试验机，如苏州大学研制的多冲碰撞试验机[1]。该冲击疲劳试验机能够提供较大的冲击能量，但冲击频率较低、试件结构较简单、体积较大，不适于自动机关重件的冲击疲劳研究。南京理工大学王学颜等对自动武器疲劳强度做了专门研究[2]，所使用的冲击疲劳试验机的冲击脉冲不可调节。目前暂无适用面宽的自动武器自动机关重件冲击疲劳研究的试验机，因此，迫切需要研发一种冲击疲劳试验机用于对多种自动武器关重件进行冲击疲劳试验。

　　在研制冲击疲劳试验机过程中，核心问题是如何解决试验机加载问题，加载机构的重要要求之一是保证该机构产生冲击脉冲的稳定性。作者以冲击疲劳试验机的冲击加载机构为研究对象，提出结构设计方案，并通过数值仿真计算证明其可行性。

　　1 加载机构

　　对冲击加载机构的基本要求为:

　　( 1) 冲击加载机构能够对冲头加速到恒定速度后，与冲头分离，使冲头自由冲击试件。随后，机构将冲头复位，使冲头随机构回复稳定运动。

　　( 2) 冲击频率为 300 ～ 1 000 次/min，冲头最大冲击速度达 5 m/s。

　　( 3) 加载机构运动为周期性往复运动，要求其运动具有稳定性。

　　1. 1 方案设计

　　文中研制的冲击疲劳试验机采用多次冲击试验法进行零件冲击疲劳试验。试验时，零件按实际工况进行夹持，按零件实际所受冲击力，利用脉冲载荷进行冲击模拟加载，加载机构为含间隙的碰撞机构。以双凸轮 - 框式平底滑块机构作为冲击疲劳试验机的加载机构，如图1( a) 所示。加载机构采用由加速凸轮和定位凸轮组成的双凸轮结构( 图 1( b) ) ，两凸轮分别与传动轴固定，两凸轮间无相对运动。加速凸轮右侧轮廓为余弦加速曲线 ( 升程角180°，升程80 mm) ，其左侧轮廓为正弦减速曲线 ( 回程角 180°，回程80 mm) 。因加速凸轮轮廓在90° ～270°范围内与滑块运动无关，为避免干涉滑块运动，切除加速凸轮上半部分。定位凸轮仅右侧与滑块接触，右侧过渡段轮廓采用余弦加速曲线，左侧过渡段采用正弦减速曲线。定位凸轮复位段角度 15°，定位凸轮与加速凸轮的复位段为对顶角。复位段轮廓曲线按等宽凸轮规律设计，该段范围内两凸轮轮廓半径之和恒等于滑块内部空间高度。在凸轮与滑块接触面间安装铜垫片，铜垫片减少摩擦便于更换。为保证滑块与凸轮机构的分离，切除滑块后侧下底部，使定位凸轮不与滑块下底部接触，如图1( c) 所示。图1( a) 所示为双凸轮机构的起始位置，此时滑块与凸轮对称面夹角为 0°，凸轮机构按顺时针方向旋转。加载机构运动过程如图 2 所示，以浅灰色表示前面的加速凸轮，深灰色表示后面的定位凸轮。在 1/4行程内，滑块仅与加速凸轮作用，滑块在加速凸轮的推动下获得冲击速度。当凸轮转过 90°后，滑块与凸轮分离。滑块继续向下运动，直到冲头与试件接触冲击开始。完成冲击后，滑块向上运动，与两凸轮的过渡段碰撞。进入复位段后，滑块在加速凸轮和定位凸轮的共同作用下与凸轮机构同步运动，此时加速凸轮和定位凸轮均与滑块接触。