CN110208116A - 一种气动式变载荷多源冲击实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动式变载荷多源冲击实验装置，该装置包括硬件模块和软件模块。硬件模块由空压机、旋塞阀、调压阀、分流接头、电磁阀、气缸、单片机、电源模块组成。其中气缸为冲击执行元件，具有安装灵活，支持扩展的特性，通过调整气缸的位置及数量，可实现对多源冲击的位置及角度的设定；软件模块可实现对冲击次数、冲击时间和冲击载荷的控制。本发明旨在为冲击监测研究提供一种多自由度、低频、变载荷的多源冲击实验装置。

Description

一种气动式变载荷多源冲击实验装置

技术领域

本发明涉及一种气动式变载荷多源冲击实验装置，属于结构状态监测领域。

背景技术

材料及其构件在服役期间常会遭受不同种类载荷的冲击，导致材料及其构件容易产生损伤或结构变形，致使其力学性能劣化，带来安全隐患。因此对材料及其结构进行状态监测(尤其是冲击监测)有着非常重要的意义。

目前，被广泛应用的冲击装置有：落锤式冲击损伤装置、激振器装置和手持式冲击锤等，然而现有冲击装置均存在冲击方向单一、冲击载荷和时间可控性差、冲击点扩展难度大等不足，一定程度上局限了冲击监测的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种气动式变载荷多源冲击实验装置，通过软件模块使单片机控制电磁阀的通断来间接控制气缸的冲击，以解决传统冲击实验手段可调性差的问题。

为实现上述目的，本发明专利的技术方案为：

一种气动式变载荷多源冲击实验装置，包括硬件模块和软件模块，硬件模块由空压机、旋塞阀、调压阀、分流接头、电磁阀、气缸、单片机、电源模块组成，通过软件模块使单片机控制电磁阀的通断来控制气缸的冲击。

优选地，所述硬件模块中，电源模块通过导线分别与空压机和单片机连接，单片机通过导线与电磁阀连接，空压机、旋塞阀、调压阀、分流接头和若干电磁阀依次通过导气管相连，电磁阀之间通过导气管串联，电磁阀通过导气管与气缸一一对应。

优选地，所述空压机由电动泵，集气腔、电磁阀，总开关组成，总开关设在空压机电磁阀上，该电磁阀通过两根导气管分别与电动泵和集气腔相连。空压机为整个装置提供动力。

优选地，所述旋塞阀安装于空压机集气腔的出气口。旋塞阀起开关作用，当空压机充气时，旋塞阀应关闭，防止腔体漏气。

优选地，所述调压阀通过导气管与旋塞阀连接，旋转调压阀旋钮可调节调压阀出气口的气压，使通入气缸内部气压减小或增大，从而使气缸产生的冲击力变小或增大。调压阀的作用是调节气缸冲击力大小。

优选地，所述分流接头通过导气管与调压阀连接，通过分流接头扩展若干电磁阀、气缸，扩展上限为N，N的最大值为单片机的IO口总个数。分流接头的作用是为了产生多源冲击。

优选地，所述电磁阀为二位五通电磁阀，通过导气管与气缸连接，包括进气口、出气口和排气口，内部设有相连的弹簧和阀芯，外设有相连的电磁铁和电开关。电磁阀起控制气缸冲击作用。

优选地，所述气缸中，侧壁设有通气口a和通气口b，内部设有活塞与顶杆相连，活塞可在气缸中自由移动，活塞把气缸内部分为腔体上侧和腔体下侧。气缸为冲击执行元件，受电磁阀直接控制，具有安装方便，可改变冲击位置，冲击角度的特点。

优选地，所述电源模块分别为空压机、单片机、电磁阀供电。

优选地，所述软件模块通过软件程序控制单片机I/O口输出高、低电平，来控制电磁阀的通、断，从而实现控制气缸的冲击。

本发明有益效果是：

本发明提供了一种气动式变载荷多源冲击实验装置，相比传统冲击方式，冲击方式更加多样，冲击位置可调、冲击角度可调、冲击力大小可调、冲击个数可调，并且兼具冲击的稳定性，同时可自动控制、无人值守，满足了多源冲击监测研究的要求。

附图说明

图1是本发明的一种气动式变载荷多源冲击实验装置系统框图。

图2是本发明的电磁阀控制气缸冲击的顶杆弹出示意图。

图3是本发明的电磁阀控制气缸冲击的顶杆缩回示意图。

图4是本发明气缸在冲击过程中的受力分析示意图。

图5是本发明的空压机结构图示意图。

图6是本发明的电磁阀控制气缸冲击的顶杆弹出时气流方向示意图。

图7是本发明的电磁阀控制气缸冲击的顶杆缩回时气流方向示意图。

图8是本发明气缸结构图示意图。

图9是本发明软件模块流程框图。

附图标记：1-电源模块；2-空压机；3-旋塞阀；4-调压阀；5-分流接头；6-电磁阀1；7-电磁阀2；8-电磁阀N；9-气缸1；10-气缸2；11-气缸N；12-单片机；13、30、31、32-导线；14、15、16、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、33-导气管；34-总开关；35-电磁阀；36、37-导气管；38-集气腔；39-电动泵；40-进气口A；41-排气口D；42-排气口E；43-电磁铁；44-电开关；45-阀芯；46-出气口C；47-弹簧；48-出气口B；49-通气口a；50-通气口b；51-顶杆；52-活塞；53-腔体下侧；54-腔体上侧。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例。

一种气动式变载荷多源冲击实验装置，包括硬件模块和软件模块，硬件模块由空压机2、旋塞阀3、调压阀4、分流接头5、电磁阀、气缸、单片机12、电源模块1组成，通过软件模块使单片机12控制电磁阀的通断来控制气缸的冲击。

所述硬件模块中，电源模块1通过导线分别与空压机2和单片机12连接，单片机12通过导线与电磁阀连接，空压机2、旋塞阀3、调压阀4、分流接头5和若干电磁阀依次通过导气管相连，电磁阀之间通过导气管串联，电磁阀通过导气管与气缸一一对应。

所述空压机2由电动泵39，集气腔38、电磁阀35，总开关34组成，总开关34设在电磁阀35上，电磁阀35通过两根导气管36、37分别与电动泵39和集气腔38相连。空压机2为整个装置提供动力，将空压机2通电，打开总开关34，使其电动泵39工作，将外部空气压入集气腔38，使集气腔内气压逐步高于大气压，当气压上升至空压机额定气压之后空压机停止工作，此时打开旋塞阀3，气流通过导气管输送到气缸，使气缸内部气压大于大气压从而使气缸活塞顶杆弹出，对待冲击结构产生冲击。

所述旋塞阀3安装于空压机2中集气腔38的出气口。旋塞阀3起开关作用，当空压机2充气时，旋塞阀3应关闭，防止腔体漏气。

所述调压阀4通过导气管与旋塞阀3连接，调压阀的作用是调节气缸冲击力大小，旋转调压阀4旋钮可调节调压阀4出气口的气压，使通入气缸内部气压减小或增大，从而使气缸产生的冲击力变小或增大。

所述分流接头5通过导气管与调压阀4连接，分流接头的作用是为了产生多源冲击，通过分流接头5扩展若干电磁阀、气缸，扩展上限为N，N的最大值为单片机的IO口总个数。

所述电磁阀为二位五通电磁阀，通过导气管与气缸连接，包括进气口A、出气口B、出气口C、排气口D、排气口E，内部设有相连的弹簧47和阀芯45，外设有相连的电磁铁45和电开关44。电磁阀起控制气缸冲击作用，如说明书附图2和3所示，将电磁阀进气口A通过导气管与分流接头5连接，将电磁阀出气口B通过导气管与气缸通气口a连接，将电磁阀出气口C通过导气管与气缸通气口b连接，当电磁阀中电开关44闭合时，电磁铁产生磁力吸住阀芯45，由于阀芯较长圆柱形主干部分半径小于腔体半径，气体可从A→C，故气流方向为进气口A→出气口C→通气孔b→气缸内部，此时气缸内部下半部分气压逐渐增大，迫使气缸顶杆51弹出，露出大部分顶杆51，从而可造成冲击，同时，气缸内部上半部分多余气体从通气口a→出气口B→排气口D排出，反之，电磁阀中电开关44断开时，电磁铁45的磁力消失并与阀芯45断开，气流方向为进气口A→出气口B→通气孔a→气缸内部，此时气缸内部上半部分气压逐渐增大，迫使气缸顶杆51下降，缩回气缸内部，同时，气缸内部下半部分多余气体从通气口b→出气口C→排气口E排出，当电磁阀不断闭合、断开，可实现气缸造成连续冲击。

所述气缸中，侧壁设有通气口a和通气口b，内部设有活塞52与顶杆51相连，活塞52可在气缸中自由移动，活塞52把气缸内部分为腔体上侧54和腔体下侧53。气缸为冲击执行元件，受电磁阀直接控制，具有安装方便，可改变冲击位置，冲击角度的特点。

结合说明书附图4，并忽略顶杆和活塞重力，所属气缸冲击力分析如下：

F＝F₁-F₂-f (1)

F₁＝PA (2)

A＝πR² (3)

F₂+f＝(1-α)F₁ (4)

结合公式(1)、(2)、(3)、(4)，得：

F＝απPR² (5)

公式(1)中F为气缸的冲击力，F₁为气压压力，F₂为气压阻力，f摩擦阻力，公式(2)中P为气压大小，A为受压面积，既气缸活塞底部面积(活塞底部为圆形)，公式(3)中R为气缸活塞底部半径，公式(4)中α为阻力系数，和气缸活塞或顶杆运动速度有关，具体如下：

当气缸活塞或顶杆速度在0～50mm/s范围时，α≤0.7；

当气缸活塞或顶杆速度在50～500mm/s范围时，0.3≤α≤0.5；

当气缸活塞或顶杆速度大于500mm/s时，α≤0.3；

一般冲击实验中，冲击都为瞬时或快速冲击，故气缸活塞或顶杆速度一般大于500mm/s，α常取0.3；

所述电源模块1分别为空压机2、单片机12、电磁阀供电。

所述软件模块通过软件程序控制单片机I/O口输出高、低电平，来控制电磁阀的通、断，从而实现控制气缸的冲击。具体地，软件模块通过控制高电平的持续时间来控制电磁阀连通的时间，即气缸充气时间，从而控制气缸的行程；并通过软件程序控制单片机每次输出高、低电平的时间间隔来控制冲击时间间隔，特别的，电磁阀的连通也可由低电平控制。软件模块的具体流程如说明书附图9所示。

所述软件模块的功能一为：通过软件程序控制单片机一个I/O口输出一次高、低电平，来控制电磁阀的一次通断，从而实现控制气缸的一次冲击；使单片机具有控制气缸单次冲击功能。

所述软件模块的功能二为：通过软件程序控制单片机一个I/O口输出多次高、低电平，来控制电磁阀的多次通断，从而实现控制气缸的多次冲击，通过程序设置单片机每次输出高、低电平的时间间隔来控制冲击时间间隔；使单片机具有控制气缸多次冲击功能，且冲击次数可设定，冲击时间间隔可设定。

所述软件模块的功能三为：通过软件程序设计循环控制，使冲击不断循环；使单片机具有控制气缸不断循环冲击功能，且循环时间间隔可设定。

所述软件模块的功能四为：通过软件程序控制单片机I/O的个数，来控制多个电磁阀的通断，控制多个气缸的多次冲击；使单片机具有控制多个气缸的功能，且可单独为每个气缸设定冲击次数，冲击间隔。

所述软件模块的功能五为：通过软件程序控制高电平持续时间，即控制了气缸充气时间，充气时间越久，气缸活塞受力越久，积蓄的能量越多，行程越长，特别的，行程最大值受气缸机械结构影响；使单片机具控制控制气缸充气时间功能，从而控制气缸的行程。

实施例1

本实施例是一种气动式变载荷多源冲击实验装置，包括硬件模块和软件模块，如附图所示。本装置通过软件模块使单片机控制电磁阀的通断间接控制气缸冲击，不扩展冲击源(N＝1)，具体如下：

所述硬件模块由空压机2、旋塞阀3、调压阀4、分流接头5、电源模块1、单片机12、电磁阀6、气缸9组成。所述空压机2、单片机12、电磁阀6均与所述电源模块1有线电连接；所述空压机2、旋塞阀3、调压阀4、分流接头5、电磁阀6、气缸9由导气管相互连接。特别的，所述电源模块1分别给空压机2、单片机12、电磁阀6供AC220V、DC5V、DC12V。

其中，所述空压机2可提供最大为气压0.7Mpa，由电动泵39、集气腔38、电磁阀35、充气开关34组成如附图5所示。所述电动泵39、电磁阀34由电源模块1供电，电磁阀35自带稳压。当通电之后，先关闭旋塞阀3，接着打开充气开关34，同时电磁阀35被打开，电动泵39开始工作，空气通过导气管37、电磁阀35、导气管36被电动泵连续压入集气腔38。在本次实施例中，当集气腔内气压上升至0.7MPa，电动泵39、电磁阀35自动关闭。

进一步，打开所述旋塞阀3，由于气压差，在集气腔38内的气体将通过导气管14、旋塞阀3、导气管15、至调压阀4。特别的，所述调压阀4可根据自己需求调节，每个气压值对应所述气缸9的出力值。

进一步，气体从调压阀4通过导气管16至分流接头5，所述分流接头5起扩展冲击源作用。

进一步，气体通过分流接头5之后在通过导气管18输送至所述电磁阀6。

进一步，所述单片机12型号为STC89C52，用于控制所述电磁阀6的通断，并进一步控制所述气缸9的冲击。

其中，所述电磁阀6为二位五通电磁阀，与导气管18相连。所述电磁阀6由进气口40、出气口46、出气口48、排气孔41、排气孔42、阀芯45、电磁铁43、电开关44、弹簧47组成，当所述单片机12控制电磁阀6打开时，电开关44闭合，电磁铁43工作，产生吸力将阀芯45往左方向拉，弹簧47被拉伸，储存一定弹性势能，如附图6，此时，进气口40与出气口46联通，将导气管18的气体输送至气缸9，同时，排气孔41将阀芯45左侧多余气体排除，使阀芯45左侧气压和大气压一致；当所述单片机12控制电磁阀6关闭时，电开关44断开，电磁铁43停止工作，弹簧47将阀芯45往右方向拉，弹簧47收缩，释放弹性势能，如附图7，此时，进气口40与出气口48联通，将导气管18的气体输送至气缸9，同时，排气孔42将阀芯45右侧多余气体排除，使阀芯45右侧气压和大气压一致。

进一步，所述气缸9型号为标准气缸SC32×25，由通气口49、通气口50、活塞52、顶杆51、腔体上侧54、腔体下侧53组成，如附图8所示。所述通气口49、通气口50分别与所述电磁阀6中出气口48、出气口46相连。当所述电磁阀6被打开时，出气口46出气并将持续气体从通气口50引入气缸9的腔体下侧53，使腔体下侧53气压不断上升并大于腔体上侧54，在气压差的作用下，活塞52被迫往上升，带动顶杆51从气缸9内弹出，同时腔体上侧54中多余气体通过通气口49、出气口48被压入电磁阀6，并从排气口41排出；当所述电磁阀6被关闭时，出气口48出气并将持续气体从通气口49引入气缸9的腔体上侧54，使腔体上侧54气压不断上升并大于腔体下侧53，在气压差的作用下，活塞52被迫往下降，带动顶杆51缩回气缸9内，同时腔体下侧53中多余气体通过通气口50、出气口46被压入电磁阀6，并从排气口42排出。

特别的，所述气缸9理论出力表如下：

表1标准气缸SC32×25理论出力表

表1中力的单位为N。实际出力应为理论出力乘以系数α，在一般冲击实验中，冲击都为瞬时或快速冲击，故气缸活塞或顶杆速度一般大于500mm/s，α常取0.3。

实施例2

在实施例1的基础上，将所述气缸9更改为标准气缸SC63×25，其理论出力表如下：

表2标准气缸SC63×25理论出力表

表2中力的单位为N。实际出力值与实施例1中标准气缸SC32×25计算方法一样。

实施例3

在实施例1的基础上，扩展1个冲击源，总冲击源为2个，即N＝2。

所述分流接头5将导气管16输送过来的气体分流之后，在通过导气管18、19输送给电磁阀6、7。

进一步，所述单片机12控制所述电磁阀6、7的通断，并进一步控制所述气缸9、10的冲击。

实施例4

在实施例1的基础上，扩展N-1个冲击源，总冲击源为N个，即N为单片机的IO口总个数，使单片机12控制N个电磁阀的通断，并进一步控制N个气缸的冲击。本实施例中，单片机型号为STC89C52，共有32个IO口可用，故N取32。

实施例5

在实施例1的基础上，用单片机12控制气缸9单次冲击，实现软件模块的功能一。本实施例单片机采用STC89C52，将电磁阀1控制端通过杜邦线与单片机12的P10口相连，接地端与单片机12的GND相连，在上位机上使用KEIL4编写程序，使单片机12按下按键“1”后能使P10口输出一个80ms的高电平后持续输出低电平，可使气缸9产生一个充气时间为80ms的冲击。进一步，将编写好的程序利用STX-ISP烧录软件将程序通过USB烧录至单片机12。实现功能一程序为：

if(key＝＝1)

{P1＝0x01；

Delayms(80)；

P1＝0x00；}

实施例6

在实施例1的基础上，用单片机12控制气缸9多次冲击，实现软件模块的功能二。本实施例单片机采用STC89C52，将电磁阀1控制端通过杜邦线与单片机12的P10口相连，接地端与单片机12的GND相连，在上位机上使用KEIL4编写程序，使单片机12按下按键“2”后能使P10口输出多个80ms的高电平100ms低电平，可使气缸9产生多个充气时间为80ms的冲击。进一步，将编写好的程序利用STX-ISP烧录软件将程序通过USB烧录至单片机12。实现功能二程序为：

其中for(i＝c；i>0；i--)起设定冲击次数作用，:“7”为冲击次数，可根据需求设定；

其中Delay2(100)起设置冲击间隔作用，“100”指冲击间隔100ms，可根据需求设定。由于本次实施例气缸采用标准气缸SC32×25，最短间隔为0.1s，故100为最小设定值。

实施例7

在实施例1的基础上，用单片机12控制气缸9循环冲击，实现软件模块的功能三。本实施例单片机采用STC89C52，将电磁阀1控制端通过杜邦线与单片机12的P10口相连，接地端与单片机12的GND相连，在上位机上使用KEIL4编写程序，使单片机12按下按键“3”后能使P10口循环输出80ms的高电平100ms低电平，可使气缸9循环产生充气时间为80ms的冲击。进一步，将编写好的程序利用STX-ISP烧录软件将程序通过USB烧录至单片机12。实现功能三程序为：

实施例8

在实施例4的基础上，用单片机12控制N个气缸9多次冲击，实现软件模块的功能四。本实施例单片机采用STC89C52，N取4，将电磁阀1-4控制端通过杜邦线与单片机12的P10-P13口相连，接地端与单片机12的GND相连，在上位机上使用KEIL4编写程序，使单片机12按下按键“4”后能使P10-P13口按设定次数输出80ms的高电平100ms低电平，可使气缸9按设定次数产生充气时间为80ms的冲击。进一步，将编写好的程序利用STX-ISP烧录软件将程序通过USB烧录至单片机12。实现功能四程序为：

本实施例分别控制气缸1-4分别产生7、8、9、10次冲击间隔为80ms的冲击。

实施例9

在实施例5、6、7、8的基础上，Delay1(80)起设定充气时间作用，实现软件模块的功能五。“80”指充气80ms，可根据实际需要气缸行程设定。

基于上述过程，通过设定软件模块的各参数后，单片机12即可控制气缸完成一种基于气动的多自由度变载荷多源冲击实验。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：包括硬件模块和软件模块，硬件模块由空压机、旋塞阀、调压阀、分流接头、电磁阀、气缸、单片机、电源模块组成，通过软件模块使单片机控制电磁阀的通断来控制气缸的冲击。

2.如权利要求1所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述硬件模块中，电源模块通过导线分别与空压机和单片机连接，单片机通过导线与电磁阀连接，空压机、旋塞阀、调压阀、分流接头和若干电磁阀依次通过导气管相连，电磁阀之间通过导气管串联，电磁阀通过导气管与气缸一一对应。

3.如权利要求2所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述空压机由电动泵，集气腔、电磁阀，总开关组成，总开关设在空压机电磁阀上，电磁阀通过两根导气管分别与电动泵和集气腔相连。

4.如权利要求3所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述旋塞阀安装于空压机集气腔的出气口。

5.如权利要求1或2所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述调压阀通过导气管与旋塞阀连接，旋转调压阀旋钮可调节调压阀出气口的气压。

6.如权利要求1或2所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述分流接头通过导气管与调压阀连接，通过分流接头扩展若干电磁阀、气缸，扩展上限为N，N的最大值为单片机的IO口总个数。

7.如权利要求1或2所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述电磁阀为二位五通电磁阀，通过导气管与气缸连接，包括进气口、出气口和排气口，内部设有相连的弹簧和阀芯，外设有相连的电磁铁和电开关。

8.如权利要求7所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述气缸中，侧壁设有通气口a和通气口b，内部设有活塞与顶杆相连，活塞可在气缸中自由移动，活塞把气缸内部分为腔体上侧和腔体下侧。

9.如权利要求1或2所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述电源模块分别为空压机、单片机、电磁阀供电。

10.如权利要求1所述的一种气动式变载荷多源冲击实验装置，其特征为：所述软件模块通过软件程序控制单片机I/O口输出高、低电平，来控制电磁阀的通、断，从而实现控制气缸的冲击。