孫自強(qiáng)，朱小明，楊麗紅

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海豪高機(jī)電科技有限公司，上海 201614）

隨著世界形勢(shì)的發(fā)展，在相對(duì)穩(wěn)定的國(guó)際局勢(shì)下，一些不安定的因素日益凸顯，如世界各地頻發(fā)的汽車(chē)炸彈、人體炸彈等恐怖襲擊事件以及局部戰(zhàn)爭(zhēng)的爆發(fā)。這些事件對(duì)民用建筑、軍事防護(hù)及居民安全造成了極大威脅。在此背景下，研究相應(yīng)的加固措施和防護(hù)性能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗爆和抗沖擊性能越來(lái)越重要[1]。加固措施及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定通常需要經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值驗(yàn)證，對(duì)于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模型的驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)是最可靠、最準(zhǔn)確的方法，但成本高、數(shù)據(jù)獲取困難。并且，爆炸產(chǎn)生的火球阻礙了高速攝像對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程的捕捉，很難觀測(cè)爆炸過(guò)程中結(jié)構(gòu)的響應(yīng)[2]。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的實(shí)驗(yàn)室加載技術(shù)模擬爆炸沖擊波對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)加載，研究結(jié)構(gòu)在爆炸載荷下的響應(yīng)。

液壓缸是液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行元件，作為能量的轉(zhuǎn)換裝置它將系統(tǒng)供給的壓力能轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)工作設(shè)備做往復(fù)運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能[3]。普通結(jié)構(gòu)的液壓缸其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)相當(dāng)廣泛了，而且相當(dāng)一部分已經(jīng)有了自己標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的定型產(chǎn)品。然而特殊結(jié)構(gòu)的液壓缸由于其使用范圍的特殊性其應(yīng)用就沒(méi)有那么普遍了，即使這樣，但隨著人們對(duì)于新事物的不斷開(kāi)發(fā)和探索，使得特殊結(jié)構(gòu)的液壓缸在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中所占據(jù)的地位不斷得到提升。在某些特殊的工況中要實(shí)現(xiàn)特殊的工作目的，必須采用特殊結(jié)構(gòu)的液壓缸才能完成工作的進(jìn)程。在模擬爆炸，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)性的沖擊實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一款高速?zèng)_擊缸是理想的替代產(chǎn)品。

1 沖擊缸的國(guó)內(nèi)發(fā)展及研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)于沖擊缸的研究始于20 世紀(jì)70 年代，起步晚于國(guó)外。我國(guó)的一些科研院校如中南工業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)沙礦冶研究院、北京鋼鐵學(xué)院等，作為國(guó)內(nèi)先驅(qū)對(duì)于液壓式?jīng)_擊缸進(jìn)行了大量的研究工作，但在那時(shí)我國(guó)的制造工藝水平有限，加上國(guó)外的技術(shù)封鎖，沖擊缸的研究大多止步于理論研究，一直未能收獲較為滿意的產(chǎn)品。我國(guó)開(kāi)展高速?zèng)_擊缸是在1976 年，當(dāng)時(shí)長(zhǎng)沙建筑機(jī)械研究所和武漢橋梁機(jī)械廠合作研制利用氮?dú)饩彌_的2 噸級(jí)液壓缸，1979 年完成樣機(jī)，最終未形成商品生產(chǎn)[4]。

到了80 年代后，隨著我國(guó)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的需求不斷增大，沖擊缸的研發(fā)制造迎來(lái)了黃金時(shí)代。1980年，長(zhǎng)沙礦冶研究院和株洲東方工具廠的科研學(xué)者們?cè)趯W(xué)習(xí)國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出了第一臺(tái)具有自己特色的沖擊缸設(shè)備YYG80 型液壓鑿巖機(jī)[5]；隨后，長(zhǎng)沙礦山研究院研制的SYD-400 型液墊式高能液壓碎石器的問(wèn)世，解決了礦巖大塊二次破碎的技術(shù)難題，代替了原有采用敷炮、掄大錘等傳統(tǒng)方式，有效提高了工作效率和安全性[6]；YSJ-1 型移動(dòng)式液壓碎石機(jī)在SYD-400 的基礎(chǔ)上對(duì)液壓、控制和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改裝，增加了沖擊缸的靈活性，彌補(bǔ)了我國(guó)在移動(dòng)式碎石沖擊缸上的空白；在此之后，SYD-2000、YS-5000 型液壓碎石器孕育而生，相繼通過(guò)了我國(guó)技術(shù)部門(mén)的鑒定。20 世紀(jì)90 年代后，中南工業(yè)大學(xué)的學(xué)者對(duì)氮爆式?jīng)_擊缸進(jìn)行了研究，在沖擊缸的壓力反饋控制和無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)深入探索，并且成功研制出樣機(jī)，后續(xù)用于投入實(shí)際生產(chǎn)，為氮爆式?jīng)_擊缸的國(guó)產(chǎn)化做出巨大貢獻(xiàn)。進(jìn)入21 世紀(jì)后，我國(guó)有能力生產(chǎn)制造液壓沖擊器的企業(yè)達(dá)到數(shù)百家，其中不乏一些知名企業(yè)如：上海建筑廠、長(zhǎng)治液壓廠、江蘇擊利樂(lè)機(jī)械股份有限公司、安徽驚天液壓智控股份有限公司等，其中驚天液壓產(chǎn)品的銷(xiāo)售量已經(jīng)排名世界前列[7]。

在理論研究領(lǐng)域中，大連理工大學(xué)的田樹(shù)軍采用了狀態(tài)分析法和鍵合圖的動(dòng)態(tài)建模技術(shù)對(duì)沖擊缸進(jìn)行了研究，為我國(guó)研究者們奠定了深遠(yuǎn)的基礎(chǔ)[8]。在線性研究中，北京科技大學(xué)李大詒教授發(fā)現(xiàn)想要充分利用沖擊缸的內(nèi)部能量，蓄能器的容積變化需達(dá)到最小，此時(shí)瞬時(shí)流量達(dá)到最小值，在此基礎(chǔ)上，他提出了最優(yōu)行程的計(jì)算方法；同校的陳定遠(yuǎn)教授將計(jì)算行程與最大行程之比定為設(shè)計(jì)變量C，在大量的對(duì)比實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)C 在0.75～0.85 之間為最佳效率區(qū)；中南大學(xué)綜合了沖擊缸各種影響因素，在原有基礎(chǔ)上增加了沖減加速比和回沖加速比兩個(gè)變量，利用該“三段法”對(duì)液壓沖擊缸建立全面的線性模型。在非線性研究中何清華教授又將沖擊運(yùn)動(dòng)分為13 個(gè)部分，采用“準(zhǔn)勻加速計(jì)算法”，對(duì)各個(gè)部分之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行了修正，更好地達(dá)到實(shí)際預(yù)期；鄒湘伏采用氣壓間接測(cè)試法，對(duì)于液壓控制閥和沖擊活塞之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行研究[9]。

雖然沖擊缸在我國(guó)已經(jīng)取得了十足的進(jìn)步，產(chǎn)品相比國(guó)外價(jià)格更為親民，售后保障也更為便捷，但總體上與國(guó)外依舊存在一定差距，關(guān)鍵性零部件還需要大量依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和系列化產(chǎn)品的齊全性都是國(guó)內(nèi)學(xué)者們需要不斷去努力改善的方向。

2 沖擊缸的國(guó)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀

沖擊缸作為液壓鑿巖機(jī)和破碎錘的核心，國(guó)外對(duì)于它的研究可以追溯到20 世紀(jì)20 年代的英國(guó)，學(xué)者多曼所設(shè)計(jì)出的第一臺(tái)鑿巖機(jī)的雛形就有采用到?jīng)_擊缸，就此拉開(kāi)了沖擊缸發(fā)展的帷幕。但受限于當(dāng)時(shí)工業(yè)制造水平的不對(duì)等，該創(chuàng)新未能投入實(shí)際制造。

直至20 世紀(jì)20 世紀(jì)50 年代后，國(guó)外工業(yè)得到飛速發(fā)展，1963 年德國(guó)Krupp 公司研發(fā)出了世界第一臺(tái)載有沖擊缸的破碎錘，4 年后便對(duì)外展出了首臺(tái)HM400 型液壓破碎錘并進(jìn)行線下操作。在1970 年，法國(guó)Montabert 公司研制出的液壓鑿巖機(jī)可進(jìn)行大量的生產(chǎn)制造，極大程度地降低了當(dāng)時(shí)的人力成本，訂單一時(shí)供不應(yīng)求。至此，世界各國(guó)都開(kāi)始紛紛效仿，投入大量科研成本對(duì)該類(lèi)沖擊缸進(jìn)行研制。其中，日本甲南公司設(shè)計(jì)制造出了MKB 型液壓破碎錘。Krupp公司在1985 年制造的Marathon 系類(lèi)破碎錘在減震靜音方面做出了十足的改進(jìn)[10]。1986 年后，意大利的Indeco 公司創(chuàng)下了智能型液壓沖擊缸設(shè)備的先河，所設(shè)計(jì)的沖擊缸可以根據(jù)被撞物件的硬度條件而調(diào)節(jié)自身的撞擊頻率和撞擊速度。近年來(lái)，國(guó)外智能型沖擊缸的設(shè)備系類(lèi)主要?dú)w類(lèi)為日系、韓系和歐系，市場(chǎng)占有率較高的品牌有韓國(guó)水山公司、日本古河公司、芬蘭Rammer 公司、德國(guó)Krupp 公司等。

除了破碎錘和鑿巖機(jī)領(lǐng)域，沖擊缸的應(yīng)用領(lǐng)域還涉及液壓打樁錘等領(lǐng)域，其發(fā)展也是經(jīng)歷了從單作用逐漸向雙作用的方向進(jìn)行演變。單作用沖擊錘類(lèi)似于落錘式試驗(yàn)機(jī)，主要依靠有桿腔的液壓力對(duì)將沖擊缸錘提升到一定高度后，再將上下兩腔相通，蓄能器對(duì)上腔進(jìn)行補(bǔ)油，讓錘體部分依靠自身重力加速度向下?lián)舸?，典型的產(chǎn)品有芬蘭永騰公司所設(shè)計(jì)的HHK、HHK-A 系類(lèi)和英國(guó)BSP 公司的HH357-9。但該類(lèi)沖擊式設(shè)備若想要達(dá)到高速度獲取較大能量的話，只能增加其沖擊行程，其設(shè)備高度需設(shè)計(jì)得非常高，成本也較大。而雙作用沖擊缸錘則在下落環(huán)節(jié)時(shí)，上腔與泵和高壓蓄能器相連，加快下落，使下落時(shí)的加速度大于重力加速度。因此，雙作用的液壓沖擊缸錘在相同行程下，比單作用具有更快的速度和沖擊能量，這也是國(guó)外主流的形式，典型產(chǎn)品有日本車(chē)輛公司所設(shè)計(jì)的NH 和荷蘭IHC 公司的SC 系類(lèi)產(chǎn)品[11]。隨著對(duì)沖擊缸研究的越來(lái)越成熟化，沖擊缸的種類(lèi)繁多，根據(jù)其沖程過(guò)程中動(dòng)力源的不同，可以將現(xiàn)有的沖擊缸分為三類(lèi)：①全液壓式；②氣液聯(lián)合式；③氮爆式[12]。全液壓式采用液體作為工作介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)活塞使得沖擊缸進(jìn)行往復(fù)工作；氣液聯(lián)合式的主要工作介質(zhì)為液體和氣體兩種，高壓氣體和液壓油共同驅(qū)動(dòng)沖擊活塞進(jìn)行沖程工作；氮爆式在沖程過(guò)程中則依賴高壓氮?dú)馇皇业乃查g壓力釋放，從而獲取高速運(yùn)動(dòng)，該方案所實(shí)現(xiàn)的沖擊運(yùn)動(dòng)更為可靠，速度快且有利于控制，是沖擊式機(jī)械設(shè)備研究的一大熱門(mén)。

在大型高速?zèng)_擊式模擬樣機(jī)方面，2005 年美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校和MTS 公司合作研制的一套名為UCSD 的沖擊模擬設(shè)備，由一臺(tái)或多臺(tái)爆炸發(fā)生器組成，利用高速液壓驅(qū)動(dòng)裝置以速度和時(shí)間可精確控制的方式推動(dòng)撞擊模塊撞擊試件，把撞擊模塊的動(dòng)能傳遞到試件上，產(chǎn)生沖擊作用于試件。該裝置在鋼筋混凝土柱、砌體墻以及其他復(fù)雜撞擊非平面結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了大量的空氣沖擊波毀傷效應(yīng)、防護(hù)技術(shù)研究等方面的工作[13,14,15]。后來(lái)，歐盟基于美國(guó)UCSD 裝置同樣的實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?006 年開(kāi)始研制世界上第2 臺(tái)大型高速?zèng)_擊模擬器，其組成示意圖如圖1.1 所示[16,17,18]。

圖1 歐盟大型高速?zèng)_擊模擬器

在對(duì)于沖擊缸的研究過(guò)程中，前蘇聯(lián)研究員О.Д.Алимов 和С.Абасов 在基于油壓為一定值的假說(shuō)上對(duì)其進(jìn)行了線性模型的研究，最后得出在確保沖擊缸的末端速度為給定值時(shí)，沖程壓力與回程壓力都相等可以達(dá)到最理想的控制。然而液壓沖擊缸想要得到理想狀態(tài)下的恒壓，需滿足配流閥開(kāi)口量變化過(guò)程的時(shí)間s 接近0，蓄能器充氣容積V 接近＋∞，這在現(xiàn)實(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)。日本研究員正槌口正雄在綜合分析了沖擊缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中活塞、蓄能器、配流閥等影響因素后，提出了一種非線性數(shù)學(xué)模型，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比研究，將所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了修正。2000 年，Krzysztof krauze[19]所設(shè)計(jì)出的沖擊缸的測(cè)試系統(tǒng)，采用了現(xiàn)代化的測(cè)試技術(shù)，為沖擊缸的智能化能量采取提供了新的可能。2018 年，Song Changheon[20]把沖擊缸與巖石物體進(jìn)行撞擊過(guò)程中傳播的應(yīng)力和卸荷常數(shù)納入考量范圍內(nèi)，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模擬后得出了最佳尺寸參數(shù)。英國(guó)Arrowhead 公司最新推出的“S”型沖擊器，利用其研發(fā)出的新型材料橡膠墊代替原有沖擊器上的金屬緊固件，在降噪和使用壽命的延長(zhǎng)方面又有了新的突破。

3 總結(jié)

在大型精密沖擊試驗(yàn)平臺(tái)領(lǐng)域，主要有落錘系統(tǒng)與氣動(dòng)/液壓系統(tǒng)兩種，兩者都是利用高速撞擊產(chǎn)生沖擊。但是落錘系統(tǒng)受導(dǎo)軌長(zhǎng)度、摩擦力和空氣阻力等限制，在重力作用下最高撞擊速度一般不超過(guò)20m/s；雖然小型落錘可采用簡(jiǎn)單的彈性元件提高撞擊速度，但是大型落錘系統(tǒng)由于加載裝置推力作用線不可能與落錘中心線完全重合，因此易被導(dǎo)軌卡死而無(wú)法自由下落，所以目前未見(jiàn)采用加速裝置驅(qū)動(dòng)大型落錘的設(shè)備。而全球現(xiàn)有的氣動(dòng)/液壓系統(tǒng)最高撞擊速度可達(dá)32～66m/s，加載速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于落錘系統(tǒng)。加強(qiáng)研究大型高速?zèng)_擊缸設(shè)備對(duì)于提升現(xiàn)有裝備的沖擊效應(yīng)評(píng)估具有重要的指導(dǎo)意義，解決國(guó)防領(lǐng)域“卡脖子”工程。

目前，國(guó)外高速?zèng)_擊缸的種類(lèi)繁多，迭代更新較快，國(guó)外學(xué)者們對(duì)于沖擊式機(jī)構(gòu)的研究已經(jīng)相當(dāng)深入，雖然研究水平依然領(lǐng)先于我國(guó)，但這也為我國(guó)提供了很好的借鑒榜樣。對(duì)于短板問(wèn)題，應(yīng)該正視問(wèn)題，虛心學(xué)習(xí)，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)中國(guó)定能在工業(yè)制造業(yè)領(lǐng)域成為世界一流的現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)。