CN100365404C - 冲击试验台活塞式高加速度冲击响应锤 - Google Patents

Abstract

一种冲击试验台活塞式高加速度冲击响应锤，包括一刚性硬质的冲击锤，该冲击锤底部设有第一冲击面，顶部中央设有凹形孔座；一刚性硬质的响应头，该响应头底部设有第二冲击面，顶部设有试件冲击面，中间设有圆柱形活塞式滑动柱；响应头安装在孔座中构成活塞式结构；一弹性支撑结构将响应头在孔座中相对浮起，使响应头底部与孔座的底面对置形成空隙；一缓冲结构通过缓冲垫以及台阶端面构成响应头相对孔座向上反弹的缓冲结构；另外，还设有通气槽将活塞式滑动柱与孔座形成的上部气室和下部气室连通；响应头底部的第二冲击面与孔座的底面之间设有波形发生垫。本发明利用冲击锤的反弹能量，使响应头与冲击锤发生相向对撞冲击，其峰值加速度可达70000g，而且具有脉宽可调、波形好等特点。

Description

冲击试验台活塞式高加速度冲击响应锤

技术领域

本发明涉及冲击试验台结构，特别涉及冲击试验台台面上的一种冲击锤体结构，即一种活塞式高加速度冲击响应锤结构。

背景技术

冲击试验台(以下简称冲击台)是一种进行冲击试验的设备，主要用来模拟产品、包装以及元器件在使用、装卸和运输过程中遭受冲击的环境，进行冲击试验。冲击台的工作原理是将台面连同试件一同提升到预定高度，然后让台面连同试件跌落，并冲击在下方冲击座的波形发生垫上产生冲击。

冲击试验台的主要技术指标有最大负载、台面尺寸、冲击波形、峰值加速度、脉冲持续时间、速度变化量等等，其中，峰值加速度、脉冲持续时间、速度变化量以及冲击波形是衡量冲击试验台的重要指标。对于一种符合规范设计要求的冲击试验台来说，不仅峰值加速度、脉冲持续时间和速度变化量要同时满足设计，而且其冲击波形要落入一允差带内。

目前市场上的冲击试验台主要有两种结构形式，一种为自由落体式，另一种为加力式。通常情况下这些冲击试验台的试验峰值加速度最大值一般在3000g以下。要想制造峰值加速度在3000g以上，甚至达到20000g以上的冲击试验台是十分困难的。据申请人了解，目前国际上掌握这一高端技术的也只有国外的个别厂家，生产出的机械式冲击试验台峰值加速度指标达到20000g水平。究其原因而言，主要是在台面设计方面难以突破传统设计理念。

现有技术中，传统冲击台面作为一个乘载试件的冲击结构件，一般由铝合金材料制成，从制造工艺上可分为铸铝件、锻铝件和焊铝件三种，其结构为左右对称设计的横梁，横梁两端对称设置吊勾和垂直导向孔，顶部中央有一放置试件的平面，底部中央为一冲击头。这种台面通常只能应用在峰值加速度较低(3000g以内)的冲击试验台中，当作为高加速度台面时，由于材料刚度较低和台面结构刚性较低(在冲击时台面长度方向发生弯曲)，一方面冲击时频响较低，无法达到较高的设计峰值加速度，另一方面在发生冲击时会造成台面波形传递失真不符合冲击试验要求。如果提高材料刚度，则会造成台面质量过大，同样无法达到较高的设计峰值加速度。

为了解决上述问题，本申请人于2004年7月22日向国家知识产权局专利局递交了名称为“高加速度冲击试验台复合台面结构”，专利申请号为200420078026.X的实用新型专利申请。该专利将一个刚性轻质的台面支架和一个刚性硬质的冲击锤体进行组合，从而构成了一种重量轻、刚度大、频响高的复合台面结构，因此较好的解决了高加速度冲击试验台中有关台面设计方面的技术问题。然而，试验测试表明这种台面结构，当加速度值达到20000g时，冲击波形等技术指标尚可以接受，但当加速度值超过20000g时，其波形(正弦波)难以控制，而且不符合要求。由此可见，这种台面结构在加速度超过20000g时，由于结构的局限性，不再实用。

发明内容

本发明提供一种冲击试验台活塞式高加速度冲击响应锤，其目的是要设计一种加速度值可达70000g，而且具有良好波形的高加速度冲击试验台台面结构。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种冲击试验台活塞式高加速度冲击响应锤，包括：

一刚性硬质的冲击锤，该冲击锤作为第一冲击体，其底部设有第一冲击面，顶部中央设有凹形孔座；

一刚性硬质的响应头，该响应头作为第二冲击体，其底部设有第二冲击面，顶部设有试件冲击面，中间设有圆柱形活塞式滑动柱；响应头安装在冲击锤的孔座中，其活塞式滑动柱与孔座侧壁配合构成垂直方向的滑动机构，第二冲击面与孔座的底面对置形成两个对撞面，试件冲击面从孔座上端口露出作为试件放置平台；

一弹性支撑结构，该弹性支撑结构至少包含弹性元件，所述弹性元件作用在冲击锤与响应头之间的垂直方向上，将响应头在孔座中相对浮起，使响应头底部的第二冲击面和孔座的底面对置形成空隙；

一缓冲结构，该缓冲结构由孔座内缘上形成的上限位端面、响应头外缘上形成的下限位端面和缓冲垫组成，上限位端面与下限位端面之间纵向叠夹缓冲垫，以此构成响应头相对孔座向上反弹的缓冲结构；

所述响应头的活塞式滑动柱外缘或其对应的孔座侧壁内缘上纵向开设通气槽，通气槽将活塞式滑动柱与孔座形成的上部气室和下部气室连通；

所述响应头底部的第二冲击面与孔座的底面之间设有波形发生垫。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、本方案所述活塞式高加速度冲击响应锤，是冲击试验台台面结构中的冲击锤体部分的结构。整个台面一般由台面支架结构和冲击锤体两部分组成，而台面支架为对称设计的横梁型架体，架体两端对称设置垂直起吊结构和垂直导向孔。本方案所述冲击锤可以为单独的构件，并且组合装配在台面支架上，也可以将冲击锤与台面支架设计成一体成型结构。

2、上述方案中，由于响应头在孔座中滑动象一个活塞一样会压缩下部气室空间，当滑动配合精度较高时，为了使响应头在孔座中的上下滑动具有一定的灵活度，需要设置通气槽结构，该通气槽的作用一是当响应头由于冲击产生上下滑动时，减少运动阻尼；二是当通气槽的阻尼设计恰当时改善冲击波形，具体说：由于适当阻尼的作用可以使冲击波形之后的余波得到有效控制，使波形更加理想。

通气槽可以设在活塞式滑动柱外缘上，也可以设在活塞式滑动柱所对应的孔座侧壁内缘上，但设在活塞式滑动柱外缘上更容易加工。通常通气槽至少有两条组成，并且在圆周方向均匀分布。控制通气槽的阻尼大小可以通过设置通气槽的数量和通气槽截面大小来实现。

3、上述方案中，为了有效控制冲击输出的波形，在响应头底部的第二冲击面与孔座的底面之间设有波形发生垫。一般是将波形发生垫放置在孔座的底面上即可。当然也可以将波形发生垫固定在响应头底部的第二冲击面上。

4、上述方案中，所述弹性支撑结构是一种比较上位的概念，在理论上这种结构是以弹性元件为核心，将响应头从孔座中抬起一段距离(即浮起)，使两个对撞面形成面对面相距的状态。这里所述的抬起可以利用弹性元件将响应头顶起，也可以利用弹性元件将响应头吊挂起来。其中，较佳的方案是：弹性支撑结构由弹簧和顶杆组成，弹簧与顶杆叠加藏在孔座底面所设的沉孔中，顶杆的上部从沉孔中伸出，并顶压于响应头底部的第二冲击面。

本发明工作过程和原理是：当本发明活塞式高加速度冲击响应锤随冲击试验台台面跌落后，冲击锤底部的第一冲击面与下方的冲击座发生第一次撞击，撞击使冲击锤立即产生强烈反弹，而此时响应头由于惯性作用克服弹性元件弹力继续向下作脱离性滑动，从而使冲击锤与响应头之间发生第二次相向的对撞冲击，这种冲击使冲击加速度成倍放大，并通过响应头传递到试件，使试件获得非常大的冲击加速度。这里所述的脱离性滑动使试验冲击的性质发生了本质变化，即瞬间第二次冲击可简化为冲击锤与响应头之间以很大的速度相向对撞的作用效果。响应头的反弹由缓冲垫与限位端面构成的缓冲结构吸收。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、在性能方面：

(1)、由于本发明试验冲击是由冲击锤与响应头之间以很高的速度相向对撞而产生，因此峰值加速度可达70000g。

(2)、而活塞式响应头在结构限制条件下，采用硬质材料后，因体积小刚度大，响应头频率响应可以大幅度提高(本发明响应头的一阶频率响应可达到45000赫左右)。

(3)、在高加速度时，本发明具有很好的冲击波形(见附图4所示)。尤其是通气槽的设计，由于适当阻尼的作用使冲击波形之后的余波得到有效控制，使波形更加理想。

(4)、本发明活塞式响应头，由于采用精确导向来保证冲击面受力均匀，为获得高加速度的波形创造了良好的条件。

(5)、由于波形发生垫的作用本发明脉宽可调。

(6)、重复性好。

2、在结构方面，本发明结构简单，构思巧妙，工作可靠，而且安装、使用和维护均方便容易。尤其是响应头与冲击锤之间的活塞式设计充分体现了本发明的实质性特点和显著地技术进步。

3、在经济性方面，本发明相对成本较低，而年获得的性能较高。

附图说明

附图1为本发明应用实施例主视图；

附图2为图1的左视图；

附图3为冲击试验台台面结构图；

附图4为本发明实施例结构示意图；

附图5为图4中A-A剖面图；

附图6为本发明冲击试验波形图(一)(A＝42738g；D＝58.44μs)；

附图7为本发明冲击试验波形图(二)(A＝52000g；D＝49.6μs)；

附图8为本发明冲击试验波形图(三)(A＝55000g；D＝68μs)。

以上附图中，1、冲击锤；2、响应头；3、波形发生垫；4、第一冲击面；5、孔座；6、第二冲击面；7、试件冲击面；8、活塞式滑动柱；9、底面；10、通气槽；11、弹簧；12、顶杆；13、沉孔；14、挡圈盖；15、缓冲垫；16、通孔；17、上限位端面；18、下限位端面；19、空气隔振弹簧；20、阻尼器阻件；21、支座；22、冲击垫；23、导轨；24、复合台面；25、瞬间释放勾；26、电动机；27、配重座；28、活塞式高加速度冲击响应锤；29、缓冲圈；30、台面支架；31、导向滑动轴承；32、提升勾；33、滑动轴承。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见图1和图2所示，一种高加速度冲击试验台，包括空气隔振弹簧19、阻尼器阻件20、支座21、冲击垫22、导轨23、复合台面24、瞬间释放勾25、电动机26以及配重座27。其中，复合台面24主要由中央的活塞式高加速度冲击响应锤28与台面支架两部分组合构成。

参见图3所示，一种复合台面，包括活塞式高加速度冲击响应锤28、缓冲圈29、台面支架30、导向滑动轴承31、提升勾32以及滑动轴承33。其中，活塞式高加速度冲击响应锤28为本发明关键内容。

参见图4所示，一种冲击试验台活塞式高加速度冲击响应锤，由冲击锤1、响应头2、波形发生垫3、弹性支撑结构和缓冲结构组成。

所述冲击锤1为一个圆柱形硬质刚性的冲击锤体结构，该冲击锤1作为第一冲击体，其底部设有第一冲击面4，顶部中央设有凹形筒孔座5。

所述响应头2为一个圆柱形硬质刚性体，其一阶频率响应可达到45000赫。该响应头2作为第二冲击体，其底部设有第二冲击面6，顶部设有试件冲击面7，中间段设有圆柱形活塞式滑动柱8，该活塞式滑动柱8为圆柱体。响应头2安装在冲击锤1的孔座5中，其活塞式滑动柱8与孔座5侧壁配合构成垂直方向的滑动机构；第二冲击面6与孔座5的底面9对置形成两个对撞面，波形发生垫3放置在孔座5的底面9上；试件冲击面7从孔座5上端口露出作为试件放置平台。由于响应头2在孔座5中滑动象一个活塞一样会压缩下部气室空间，当滑动配合精度较高时，为了使响应头2在孔座5中的上下滑动具有一定的灵活度，在响应头1的活塞式滑动柱外缘周向均匀设置三个纵向通气槽10，通气槽10将活塞式滑动柱8与孔座5形成的上部气室和下部气室连通。通气槽10的截面大小和数量可根据阻尼的需要来设计，比如本实施例采用三个通气槽10，每个通气槽10的大小为2mm×1mm，见图5所示。

所述弹性支撑结构由一弹簧11和顶杆12组成，见图4所示，弹簧11与顶杆12叠加藏在孔座5底面所设的沉孔13中，顶杆12的上部从沉孔13中伸出并穿过波形发生垫3，顶压于响应头2底部的第二冲击面6上，并将响应头2在孔座5中相对浮起，使响应头5底部的第二冲击面6与波形发生垫3之间留有空隙。沉孔13位于孔座5的底部中央。

所述缓冲结构一个挡圈盖14、缓冲垫15和响应头2上的台阶端面构成。挡圈盖14盖在冲击锤1顶部的孔座5口端，并固定在孔座5上端，挡圈盖14中央对应响应头2的上端设有通孔16，使响应头2顶部的试件冲击面7从孔座5上端口露出作为试件放置平台。挡圈盖14与孔座5内缘形成上限位端面17，响应头2上的台阶端面形成下限位端面18，上限位端面17与下限位端面18之间纵向叠夹缓冲垫15，以此构成响应头2相对孔座5向上反弹的缓冲结构。

图6为本发明实施例在A＝42738g；D＝58.44μs时的冲击试验波形图。

图7为本发明实施例在A＝52000g；D＝49.6μs时的冲击试验波形图。

图8为本发明实施例在A＝55000g；D＝68μs时的冲击试验波形图。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种冲击试验台活塞式高加速度冲击响应锤，其特征在于包括：

一刚性硬质的冲击锤(1)，该冲击锤(1)作为第一冲击体，其底部设有第一冲击面(4)，顶部中央设有凹形孔座(5)；

一刚性硬质的响应头(2)，该响应头(2)作为第二冲击体，其底部设有第二冲击面(6)，顶部设有试件冲击面(7)，中间设有圆柱形活塞式滑动柱(8)；响应头(2)安装在冲击锤(1)的孔座(5)中，其活塞式滑动柱(8)与孔座(5)侧壁配合构成垂直方向的滑动机构，第二冲击面(6)与孔座(5)的底面对置形成两个对撞面，试件冲击面(7)从孔座(5)上端口露出作为试件放置平台；

一弹性支撑结构，该弹性支撑结构至少包含弹性元件，所述弹性元件作用在冲击锤(1)与响应头(2)之间的垂直方向上，将响应头(2)在孔座(5)中相对浮起，使响应头(2)底部的第二冲击面(6)和孔座(5)的底面对置形成空隙；

一缓冲结构，该缓冲结构由孔座(5)内缘上形成的上限位端面(17)、响应头(2)外缘上形成的下限位端面(18)和缓冲垫(15)组成，上限位端面(17)与下限位端面(18)之间纵向叠夹缓冲垫(15)，以此构成响应头(2)相对孔座(5)向上反弹的缓冲结构；

所述响应头(2)的活塞式滑动柱(8)外缘或其对应的孔座(5)侧壁内缘上纵向开设通气槽(10)，通气槽(10)将活塞式滑动柱(8)与孔座(5)形成的上部气室和下部气室连通；

所述响应头(2)底部的第二冲击面(6)与孔座(5)的底面之间设有波形发生垫(3)。

2.根据权利要求1所述的活塞式高加速度冲击响应锤，其特征在于：所述通气槽(10)至少有两条组成，并且在圆周方向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的活塞式高加速度冲击响应锤，其特征在于：所述弹性支撑结构由弹簧(11)和顶杆(12)组成，弹簧(11)与顶杆(12)叠加藏在孔座(5)底面所设的沉孔(13)中，顶杆(12)的上部从沉孔(13)中伸出，并顶压于响应头(2)底部的第二冲击面(6)。

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