CN102507983B

CN102507983B - 一种简易高g值加速度冲击试验台

Info

Publication number: CN102507983B
Application number: CN 201110302992
Authority: CN
Inventors: 赵玉龙; 段正勇; 刘岩; 蒋庄德
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-10-09
Filing date: 2011-10-09
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2031-10-09
Also published as: CN102507983A

Abstract

一种简易高g值加速度冲击试验台，包括底座，立柱，上座，响应头总成、夹持控制总成和冲杆总成，将被测传感器用螺钉安装于响应头总成的响应头上端面，连接好线路，将响应头挡片挡住响应头上端面外沿，拧紧响应头挡片螺钉，保证冲杆总成中冲杆垂直跌落时安装在响应头上的传感器和冲杆具有相同的初速度，用手提升冲杆至一定高度，将夹持控制总成中的夹持杆夹紧并提起控制手柄使得夹持杆卡槽卡住夹持杆，记录冲杆提升的高度，设置好采集系统参数，冲杆高速垂直以一定的初速度和底座碰撞反弹，产生高g值加速度冲击信号；本发明具有结构简单，空间尺寸小，加工制造成本非常低、操作简单方便的特点。

Description

一种简易高g值加速度冲击试验台

技术领域

本发明涉及冲击测试与实验技术领域，特别涉及一种简易高g值加速度冲击试验台。

技术背景

对高g(重力加速度，9.8m/s2)值加速度传感器进行校准是该类传感器研制过程中的一个必不可少的重要环节，而且高g值冲击环境的模拟难度较大。目前常用的几种高g值加速度传感器校准设备有三种。第一种是Hopkinson压杆校准系统，采用压缩空气炮射出一高速弹丸，使其与一细长杆撞击，可在杆内产生超过100000g以上的加速度应力波信号。同时加装激光多普勒测试装置，可以实现加速度传感器的绝对校准。但整个装置结构庞大而复杂，且造价非常昂贵。另一种是马歇特锤校准系统，结构相对较简单，造价较低。利用杠杆原理，使锤头与撞击砧碰撞瞬间产生高g值冲击加速度，其应力波的形式比较复杂，重复性比较好，但最大冲击加速度为50000g，且不能实现无级校准。第三种是垂直跌落冲击校准试验装置，造价及结构原理均居于前两者之间，但与Hopkinson压杆校准系统相比，要简单和容易实现得多。其工作时将冲击锤提升一定高度后释放，其与正下方的冲击砧碰撞，在冲击锤中产生高g值冲击信号。如给冲击锤加储能弹簧提高其冲击初速度、在冲击头中增加二次冲击放大响应头等，可以产生高达70000g值的冲击加速度。但能产生更高冲击加速度的垂直跌落冲击试验台还未见公开报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种简易高g值加速度冲击试验台装置，具有结构简单，空间尺寸小，加工制造成本非常低；冲击加速度高，高可达100000g值的冲击加速度；纯手工操作，无电能消耗，几乎无维护费用，操作简单方便的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种简易高g值加速度冲击试验台，包括底座1、立柱2、上座3、响应头总成4、夹持控制总成5和冲杆总成6，立柱2的一端与底座1连接，另一端与上座3连接组成装置支架；响应头总成4与冲杆总成6的冲杆14连接；夹持控制总成5固定于上座3上，冲杆总成6下端与底座1相连，冲杆总成6上端与上座3连接。

响应头总成4包括冲杆上座7，冲杆上座7上开有用于与冲杆14连接的连接孔32，响应头调整环10置于冲杆上座7上端的大孔中，响应头支撑弹簧8穿过响应头调整环10中间孔置入冲杆上座7上端的小孔中，响应头顶针9小直径端朝下置入响应头支撑弹簧8，置入响应头13由响应头顶针9支撑，使得响应头13与响应头调整环10之间存在一定的距离，响应头13用于安待测试的加速度传感器，响应头挡片12由响应头挡片螺钉11连接在冲杆上座7上端的螺纹孔中。

冲杆总成6包括冲杆导筒17，冲杆导筒17下端通过法兰20与底座1连接，冲杆导筒17内配置有冲杆14，冲杆14的一端通过连接孔32与冲杆上座7连接，冲杆14的另一端在重力作用下与底座1表面接触，冲杆14上套有储能弹簧16，储能弹簧16上端连接储能弹簧连接板15，储能弹簧16和储能弹簧连接板15一起放入冲杆导筒17，储能弹簧连接板15直径和冲杆导筒17外径相同，储能弹簧16和储能弹簧连接板15悬挂在冲杆导筒17上端，放入冲杆导筒固定孔30中，实现与上座3之间的链接，储能弹簧限制环18用储能弹簧限制环螺钉19固定在冲杆14上，在冲杆总成6上提时提供弹性力的反作用点，储能弹簧限制环18外壁与冲杆导筒17内壁之间组成滑动副，起冲杆14上下运动的导向作用。

夹持控制总成5包括夹持杆23，夹持杆23上配置有复位弹簧22及其销轴，夹持杆23用通过弹性挡圈29与上座3固定，夹持杆23通过夹持杆垫胶24夹持冲杆14，夹持杆限位支架26用夹持杆限位支架螺栓28与上座3连接，控制手柄25穿过夹持杆限位支架26中间孔与夹持杆卡槽27用螺纹连接，夹持杆卡槽27置于上座3的卡槽导孔31中。

底座1的材料为金属材料。

冲杆14的材料为碳纤维复合材料。

所述的简易高g值加速度冲击试验台的高g值加速度的获得原理为：底座1的材料为金属材料，冲杆14的材料为碳纤维复合材料，冲杆14的纵波波速c_g比底座1的纵波波速c_d大得多，且冲杆14的密度ρ_g比底座1的密度ρ_d小得多，而冲杆14的弹性模量E_g与底座1的弹性模量E_d相差不大，冲杆14以一定初速度v₀垂直下落与底座1碰撞后，根据冲击动力学及波动力学知识可得冲杆14的反弹速度为：

v_{e} = \frac{Z_{g} - Z_{d}}{Z_{g} + Z_{d}} v_{0} = \frac{ρ_{g} c_{g} A_{g} - ρ_{d} c_{d} A_{d}}{ρ_{g} c_{g} A_{g} + ρ_{d} c_{d} A_{d}} v_{0} = \frac{A_{g} \sqrt{ρ_{g} E_{g}} - A_{d} \sqrt{ρ_{d} E_{d}}}{A_{g} \sqrt{ρ_{g} E_{g}} + A_{d} \sqrt{ρ_{d} E_{d}}} v_{0}

上式中v_e——冲杆总成6和响应头总成4组成的组合体的反弹速度；

v₀——冲杆总成6和响应头总成4组成的组合体的垂直跌落初速度；

Z_g、Z_d——分别为冲杆14和底座1的材料的波阻；

ρ_g、ρ_d——分别为冲杆14和底座1的材料的密度；

c_g、c_d——分别为冲杆14和底座1的材料的应力波波速；

A_g、A_d——分别为冲杆14和底座1参与碰撞部分的截面积。

目前公开的跌落冲击试验台冲杆和底座均为金属，所以两者的波阻相差不大，所能获得的冲杆反弹速度是非常有限的。本专利申请特别运用高强度、低密度的碳纤维复合材料杆作为冲杆，在视为等截面冲击时，可获得的反弹速度可达到0.499v₀。响应头13和响应头调整环10产生高速对碰，从而获得超过100000g值的冲击加速度。当储能弹簧16的刚度系数为4.97N/m时，使冲杆产生15m/s的初始冲击速度时，提升冲杆时需要的拉力为40kg，一个成年男性完全可以手动操作完成。

附图说明

图1是一种简易高g值加速度冲击试验台结构原理图。

图2是响应头总成4的结构原理图。

图3是冲杆总成6的结构原理图。

图4是夹持控制总成5的结构原理图，图4(a)是正视轴侧图，图4(b)是仰视轴侧图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细叙述。

参照图1，图2、图3、图4，一种简易高g值加速度冲击试验台，包括底座1，立柱2，上座3，响应头总成4、夹持控制总成5和冲杆总成6，立柱2通过法兰用螺栓与底座1连接，用螺栓与上座3连接组成装置支架；响应头总成4通过冲杆上座7下端的连接孔32与冲杆总成6的冲杆14连接；夹持控制总成5通过夹持杆23及其销轴用弹性挡圈29固定于上座3上，同时通过夹持杆限位支架26用夹持杆限位支架螺栓28与上座3固定；冲杆总成6下端通过冲杆导筒17的冲杆导筒连接法兰20用螺栓与底座1相连，冲杆总成6上端则通过冲杆导筒17置于上座3上的冲杆导筒固定孔30中与上座3连接。

参照图2，响应头总成4包括冲杆上座7，冲杆上座7上开有用于与冲杆14连接的连接孔32，冲杆上座7与冲杆14用环氧树脂胶粘结，响应头调整环10置于冲杆上座7上端的大孔中，响应头支撑弹簧8穿过响应头调整环10中间孔置入冲杆上座7上端的小孔中，响应头顶针9小直径端朝下置入响应头支撑弹簧8，置入响应头13由响应头顶针9支撑，使得响应头13与响应头调整环10之间存在一定的距离，响应头13用于安待测试的加速度传感器，响应头挡片12由响应头挡片螺钉11连接在冲杆上座7上端的螺纹孔中，使响应头13在下落过程中不致脱落，且保证其与冲杆14有一样的下落速度。

参照图3，冲杆总成6包括冲杆导筒17，冲杆导筒17下端通过法兰20与底座1连接，冲杆导筒17内配置有冲杆14，冲杆14的一端通过连接孔32与冲杆上座7连接，冲杆14的另一端在重力作用下与底座1表面接触，冲杆14上套有储能弹簧16，储能弹簧16上端连接储能弹簧连接板15，储能弹簧16和储能弹簧连接板15一起放入冲杆导筒17，储能弹簧连接板15直径和冲杆导筒17外径一样，这样，储能弹簧16和储能弹簧连接板15悬挂在冲杆导筒17上端，最后放入冲杆导筒固定孔30中，实现与上座3之间的链接。储能弹簧限制环18用储能弹簧限制环螺钉19固定在冲杆14上，在冲杆总成6上提时提供弹性力的反作用点，储能弹簧限制环18外壁与冲杆导筒17内壁之间组成滑动副，起冲杆14上下运动的导向作用，高度显示刻度21用以显示冲杆14提升的高度值。

参照图4，夹持控制总成5包括夹持杆23，夹持杆23上配置有复位弹簧22及其销轴，夹持杆23用通过弹性挡圈29与上座3固定，夹持杆23通过夹持杆垫胶24夹持冲杆14，夹持杆限位支架26用夹持杆限位支架螺栓28与上座3连接，控制手柄25穿过夹持杆限位支架26中间孔与夹持杆卡槽27用螺纹连接，夹持杆卡槽27置于上座3的卡槽导孔31中。另外，30是上座3上的用于固定冲杆导筒17的固定孔。

本发明的工作原理为：

将被测传感器用螺钉安装于响应头13上端面，连接好线路，将响应头挡片12挡住响应头13上端面外沿，拧紧响应头挡片螺钉11，保证冲杆14垂直跌落时安装在响应头13上的传感器和冲杆14具有相同的初速度。用手提升冲杆14至一定高度，将夹持杆23夹紧并提起控制手柄25使得夹持杆卡槽27卡住夹持杆，从高度显示刻度21上记录冲杆14提升的高度，设置好采集系统参数，摁下控制手柄25，冲杆14高速垂直以一定的初速度和底座1碰撞反弹，产生高g值加速度冲击信号。

图中：1、底座；2、立柱；3、上座；4、响应头总成；5、夹持控制总成；6、冲杆总成；7、冲杆上座；8、响应头支撑弹簧；9、响应头顶针；10、响应头调整环；11、响应头挡片螺钉；12、响应头挡片；13、响应头；14、冲杆；15、储能弹簧连接板；16、储能弹簧，17、冲杆导筒；18、储能弹簧限制环；19、储能弹簧限制环螺钉；20、冲杆导筒连接法兰；21、高度显示刻度；22、夹持杆复位弹簧；23、夹持杆；24、夹持杆垫胶；25、控制手柄；26、夹持杆限位支架；27、夹持杆卡槽；28、夹持杆限位支架螺栓；29、弹性挡圈；30、冲杆导筒固定孔；31、卡槽导孔；32、连接孔

Claims

1.一种简易高g值加速度冲击试验台，其特征在于，包括底座（1）、立柱（2）、上座（3）、响应头总成（4）、夹持控制总成（5）和冲杆总成（6），立柱（2）的一端与底座（1）连接，另一端与上座（3）连接组成装置支架；响应头总成（4）与冲杆总成（6）的冲杆（14）连接；夹持控制总成（5）固定于上座（3）上，冲杆总成（6）下端与底座（1）相连，冲杆总成（6）上端与上座（3）连接；

响应头总成（4）包括冲杆上座（7），冲杆上座（7）上开有用于与冲杆（14）连接的连接孔（32），响应头调整环（10）置于冲杆上座（7）上端的大孔中，响应头支撑弹簧（8）穿过响应头调整环（10）中间孔置入冲杆上座（7）上端的小孔中，响应头顶针（9）小直径端朝下置入响应头支撑弹簧（8），置入响应头（13）由响应头顶针（9）支撑，使得响应头（13）与响应头调整环（10）之间存在一定的距离，响应头（13）用于安待测试的加速度传感器，响应头挡片（12）由响应头挡片螺钉（11）连接在冲杆上座（7）上端的螺纹孔中；

冲杆总成（6）包括冲杆导筒（17），冲杆导筒（17）下端通过法兰（20）与底座（1）连接，冲杆导筒（17）内配置有冲杆（14），冲杆（14）的一端通过连接孔（32）与冲杆上座（7）连接，冲杆（14）的另一端在重力作用下与底座（1）表面接触，冲杆（14）上套有储能弹簧（16），储能弹簧（16）上端连接储能弹簧连接板（15），储能弹簧（16）和储能弹簧连接板（15）一起放入冲杆导筒（17），储能弹簧连接板（15）直径和冲杆导筒（17）外径一样，储能弹簧（16）和储能弹簧连接板（15）悬挂在冲杆导筒（17）上端，放入冲杆导筒固定孔（30）中，实现与上座（3）之间的链接，储能弹簧限制环（18）用储能弹簧限制环螺钉（19）固定在冲杆（14）上，在冲杆总成（6）上提时提供弹性力的反作用点，储能弹簧限制环（18）外壁与冲杆导筒（17）内壁之间组成滑动副，起冲杆（14）上下运动的导向作用；

夹持控制总成（5）包括夹持杆（23），夹持杆（23）上配置有复位弹簧（22）及其销轴，夹持杆（23）用通过弹性挡圈（29）与上座（3）固定，夹持杆（23）通过夹持杆垫胶（24）夹持冲杆（14），夹持杆限位支架（26）用夹持杆限位支架螺栓（28）与上座（3）连接，控制手柄（25）穿过夹持杆限位支架（26）中间孔与夹持杆卡槽（27）用螺纹连接，夹持杆卡槽（27）置于上座（3）的卡槽导孔（31）中。

2.根据权利要求1所述的一种简易高g值加速度冲击试验台，其特征在于，底座（1）的材料为金属材料。

3.根据权利要求1所述的一种简易高g值加速度冲击试验台，其特征在于，冲杆(14)的材料为碳纤维复合材料。