CN110542650A - 一种检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，包括：粒子图像检测系统，用于测量单颗粒发射组件工作时钢球的速度和多颗粒发射组件工作时压缩气体的流场分布；压缩空气输出系统，用于提供设定压力的压缩空气；多颗粒发射组件，当进行进行多颗粒钢球冲击实验时，其进气端可拆卸的连接设置在所述压缩空气输出系统的输出端，出气端指向所述粒子图像检测系统；单颗粒发射组件，当进行单颗粒钢球冲击实验时，其进气端可拆卸的连接设置在所述压缩空气输出系统的输出端，出气端指向所述粒子图像检测系统。本发明能够实现单颗粒、多颗粒发射的功能转换，精确钢球发射速度，具有结构简洁、操作简单等特点，能够大幅节省设备制造成本。

Description

一种检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置
技术领域
本发明涉及车身涂层抗冲击性能检测领域，尤其涉及一种用于检测车身涂层冲击性能的多功能钢球冲击装置，具体是一种既能用于标准多颗粒钢球冲击性能实验，又能用于单颗粒钢球冲击性能实验的实验装置。
背景技术
一般而言，涂层抗冲击性能实验是通过压缩空气驱动一定量的碎石冲击待测样本或者零件，通过评估涂层的损坏剥落情况判断涂层的抗石击性能。目前，国际上被广泛接受以及引用的飞石冲击标准主要有两大标准，许多车企及研究机构的标准绝大部分是由此两大标准衍生而来。两大标准分别为美国汽车工程师协会(SAE)制定的标准SAE J400 表面涂层抗碎石测试，以及德国工业标准DIN55996-1:2001 涂层材料的碎石冲击强度检验。
绝大多数涂层材料的服役环境是一个动态且持续的过程，涂层的服役环境一直处于变化中，可调的工况仍然是研究涂层抗石击性能的重要需求，所以，除了标准实验装置外，先进、可变参数的单颗粒钢球冲击实验设备也是研究涂层抗石击性能及其损伤机理的关键。
目前，进行单颗粒钢球冲击实验与多颗粒钢球冲击实验都是分别使用两种不同设备来进行，并且国内并没有类似的装置用于研究单颗粒钢球冲击涂层样板实验。多颗粒抗石击仪主要有基于SAE标准或DIN标准的实验装置，要完整研究涂层受到飞石冲击的损伤机理，两种装置必不可少，但研制、购买设备的成本也随之提高。同时，标准抗石击实验装置缺失对于冲击室内的流场检测功能，冲击室内的流场检测分析对于研究颗粒-流体耦合仿真分析非常重要。
发明内容
本发明装置的目的就是针对上述存在的问题，克服装置的体积庞大，成本较高，以及无法定量检测钢球速度以及分析冲击室内流场分布等缺点，而提出一种用于检测车身涂层冲击性能的多功能钢球冲击装置，该装置只需要更换加速喷管以及PLC程序切换就能够实现单颗粒、多颗粒发射，并且能够实现较为稳定的单颗粒发射速度控制以及流场检测分析功能，为了简化发射颗粒模型，发射颗粒采用形状规则的钢球。
本发明的目的至少通过以下技术方案之一来实现：
一种检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，包括：
粒子图像检测系统，用于测量单颗粒发射组件工作时钢球的速度和多颗粒发射组件工作时压缩气体的流场分布；
压缩空气输出系统，用于提供设定压力的压缩空气；
多颗粒发射组件，当进行进行多颗粒钢球冲击实验时，其进气端可拆卸的连接设置在所述压缩空气输出系统的输出端，出气端指向所述粒子图像检测系统；
单颗粒发射组件，当进行单颗粒钢球冲击实验时，其进气端可拆卸的连接设置在所述压缩空气输出系统的输出端，出气端指向所述粒子图像检测系统。
进一步地，所述的粒子图像检测系统包括：
透明实验箱，与所述多颗粒发射组件和单颗粒发射组件的出气端；
高速摄像机，用于拍摄透明实验箱内单颗粒钢球的飞行轨迹，并进一步计算、验证钢球发射速度；
速度传感器，设置在所述透明实验箱外壁上，用于检测球场的射出速度；
粒子图像检测摄像头，用于对多颗粒发射组件所发射出的气体在透明实验箱内的流场进行监测；
夹持涂层样板的夹具，设置在所述透明实验箱内，用于夹持涂层样板。
进一步地，所述粒子图像检测摄像头的数量为两台。
进一步地，所述的粒子图像检测系统还包括：
摄像头导轨，所述粒子图像检测摄像头位置可调的滑动设置在所述摄像头导轨上。
进一步地，所述的粒子图像检测系统还包括：
照明灯，用于调节所述透明实验箱内的光照强度。
进一步地，所述的压缩空气输出系统包括：
空气压缩机；
依次螺纹连接所述空气压缩机出气口的连接软管、减压阀连接件、减压阀、减压阀与电磁阀连接钢管、电磁阀、电磁阀与压力仪表连接钢管、压力仪表；
PLC，通过电路连接减压阀、电磁阀，用于控制电磁阀的启闭、减压阀的开度大小并保持稳定。
进一步地，所述的PLC通过PID控制器调节所述减压阀的开度大小并保持稳定。
进一步地，所述的单颗粒发射组件包括：
通过螺纹依次密封连接的第一加速管、第一异径管连接件、第二加速管、第二异径管连接件、第三加速管，所述第一加速管的进气口端相交设置有带密封螺栓的单钢球进料口，所述第三加速管的另一端连接所述压缩空气输出系统。
进一步地，所述多颗粒发射组件包括：
振动送料装置；
通过螺纹依次密封连接的加速喷管与压力仪表连接管、锥形加速喷管、锥形管与钢管连接器、第四加速管，所述第四加速管的进气口端相交设置有与轴线夹角为54°±1°的导料管，所述导料管的入口通过连接管与所述振动送料装置的出料口相连接。
进一步地，所述第四加速管、加速喷管与压力仪表连接管上分别固定设置有第二轴支架和第一轴支架。
本发明的工作原理为：
打开空气压缩机为装置系统充气，调整减压阀的阀门开度以控制系统的气体压力，首先是多颗粒发射组件功能的使用，装载500g直径为5mm的钢球于振动盘上，同时启动振动送料机以及开启电磁阀阀门，并保持11s，气体通过锥形加速喷管以及加速管，带动钢球发射击打到装载在透明试验箱夹具上的涂层样板，粒子图像检测装置将通过事先充入透明箱内的示踪粒子，检测箱内的流场变化；然后是单颗粒发射组件功能的使用，将压力仪表后的管道装置进行拆卸，然后安装上单颗粒发射组件的钢管部件以及相应的异径连接器，单颗粒发射组件与多颗粒发射组件的区别在于装料以及管道粒径。
相比现有技术，本发明的显著优点在于：
结构简单，装置尺寸合适，安装、切换方便；可实现钢球发射速度的调节；可实现抗石击标准实验，包括SAE J400以及DIN 55996等标准。
附图说明
图1为本发明实施例的总体结构示意图；
图2为本发明实施例的单颗粒发射组件的结构示意图；
图3为本发明实施例的多颗粒发射组件的结构示意图。
图4为本发明实施例进行多颗粒钢球冲击实验时装配示意图。
图5为本发明实施例进行单颗粒钢球冲击实验时的装配示意图。
图中标号：1为透明实验箱，2为照明灯，3为高速摄像机，4为第一加速管，5为第一异径管连接件，6为第二加速管，7为第二异径管连接件，8为第三加速管，9为空气压缩机，10为连接软管，11为减压阀连接件，12为减压阀，13为减压阀与电磁阀连接钢管，14为电磁阀，15为电磁阀与压力仪表连接钢管，16为压力仪表， 17为加速喷管与压力仪表连接管，18为第一轴支架，19为锥形加速喷管，20为振动送料装置，21为连接管，22为锥形管与钢管连接器，23为导料管，24为第二轴支架，25为第四加速管，26为速度传感器，27为粒子图像检测摄像头，28为摄像头导轨，29为夹持涂层样板的夹具。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
参考图1-图3，一种检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，包括：
粒子图像检测系统，用于测量单颗粒发射组件工作时钢球的速度和多颗粒发射组件工作时压缩气体的流场分布；
压缩空气输出系统，用于提供设定压力的压缩空气；
多颗粒发射组件，当进行进行多颗粒钢球冲击实验时，其进气端可拆卸的连接设置在所述压缩空气输出系统的输出端，出气端指向所述粒子图像检测系统；
单颗粒发射组件，当进行单颗粒钢球冲击实验时，其进气端可拆卸的连接设置在所述压缩空气输出系统的输出端，出气端指向所述粒子图像检测系统。
具体而言，所述的粒子图像检测系统包括：
透明实验箱1，与所述多颗粒发射组件和单颗粒发射组件的出气端；
高速摄像机3，用于拍摄透明实验箱1内单颗粒钢球的飞行轨迹，并进一步计算、验证钢球发射速度；
速度传感器26，设置在所述透明实验箱1外壁上，用于检测钢球的射出速度；
两台粒子图像检测摄像头27，用于对多颗粒发射组件所发射出的压缩气体在透明实验箱1内的流场分布进行监测；
夹持涂层样板的夹具29，设置在所述透明实验箱1内，用于夹持涂层样板；
摄像头导轨28，所述粒子图像检测摄像头27位置可调的滑动设置在所述摄像头导轨28上；
照明灯2，用于调节所述透明实验箱1内的光照强度。
具体而言，所述的压缩空气输出系统包括：
空气压缩机9；
依次螺纹连接所述空气压缩机出气口的连接软管10、减压阀连接件11、减压阀12、减压阀与电磁阀连接钢管13、电磁阀14、电磁阀与压力仪表连接钢管15、压力仪表16；
PLC，通过电路连接减压阀12、电磁阀14，用于控制电磁阀14的启闭、通过PID控制器调节所述减压阀12的开度大小并保持稳定。减压阀12的阀门开度控制系统压缩气体的压力，进而控制钢球的冲击速度；电磁阀14的启闭实现冲击发射和保证管道系统的密闭使压缩空气达到特定气压。
具体而言，所述的单颗粒发射组件包括：
通过螺纹依次密封连接的第一加速管4，第一异径管连接件5，第二加速管6，第二异径管连接件7，第三加速管8，所述第一加速管4的进气口端相交设置有带密封螺栓的单钢球进料口，所述第三加速管8的另一端连接所述压缩空气输出系统。第一加速管4的外径为16mm，第一异径管连接件5两端的内径分别为16mm和25mm，第二加速管6的外径为25mm，第二异径管连接件7两端的内径分别为16mm和40mm，第三加速管8的外径40mm。
所述的单颗粒发射组件是将单颗直径5mm钢球送入第一加速管4，并锁紧密封，以10m/s~50m/s的速度将钢球发射出去。
具体而言，所述多颗粒发射组件包括：
振动送料装置20；
通过螺纹依次密封连接的加速喷管与压力仪表连接管17、锥形加速喷管19、锥形管与钢管连接器22、第四加速管25，所述第四加速管25的进气口端相交设置有与轴线夹角为54°的导料管23，所述导料管23的入口通过连接管21与所述振动送料装置20的出料口相连接。所述第四加速管25、加速喷管与压力仪表连接管17上分别固定设置有第二轴支架24和第一轴支架18。
所述的多颗粒发射组件依靠振动进料装置20和导料管23进行钢球进料，目的是在10s的时间内将质量500g的直径5mm的钢球送入第四加速管25。所述的锥形加速喷管19为内外表面具有锥度的无缝钢管，作用是通过减小气体流动截面积来加速气流速度。
其中为保证密封性，所有的内螺纹连接使用0型密封圈或者生料带缠绕螺纹来实现密封。
下面对上述实施例进行冲击实验的过程进行详细说明：
如图4所示，进行多颗粒钢球冲击实验时，先将所述加速喷管与压力仪表连接管17、锥形加速喷管19、锥形管与钢管连接器22、第四加速管25依次密封连接，其中，所述加速喷管与压力仪表连接管17一端连接压力仪表16的内螺纹连接器，另一端与锥形加速喷管19通过焊接的方式进行连接，其余均通过螺纹连接，第四加速管25进气口一端与导料管连接处以54°的角度进行连接，参考图3。安装完成后，首先打开空气压缩机9，然后设定减压阀12的阀门开度，最后同时控制振动送料装置20的开关控制器和电磁阀14，开启气动通路释放压缩空气，装载500g钢球于振动送料机装置20的振动盘上，并吹动抖落下来的钢球，冲击至涂层样板，持续时间10s，冲击前，将示踪粒子注入透明实验箱，并打开照明灯2，冲击持续时间内，粒子图像检测摄像头在透明箱中检测透明箱中的气体流动速度，生成流场图，冲击结束后关闭电磁阀14。
如图5所示，进行单颗粒钢球冲击实验时，通过螺纹依次密封连接的第一加速管4，第一异径管连接件5，第二加速管6，第二异径管连接件7，第三加速管8、压力仪表16，参考图2，所述第一加速管4在进气口端垂直对接一个相同外径的钢管，用于单钢球进料口。安装完成后，首先打开空气压缩机9，然后设定减压阀12的开度，装载单颗钢球于第一加速管4的单钢球进料口，并旋入密封螺栓，最后同时控制振动送料装置20的开关控制器和电磁阀14，开启气动通路释放压缩空气，压缩空气驱动单颗钢球冲击透明实验箱1内的涂层样板，并由速度传感器26测量钢球的发射速度，实验结束后关闭电磁阀14。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，包括：
粒子图像检测系统，用于测量单颗粒发射组件工作时钢球的速度和多颗粒发射组件工作时压缩气体的流场分布；
压缩空气输出系统，用于提供设定压力的压缩空气；
多颗粒发射组件，当进行进行多颗粒钢球冲击实验时，其进气端可拆卸的连接设置在所述压缩空气输出系统的输出端，出气端指向所述粒子图像检测系统；
单颗粒发射组件，当进行单颗粒钢球冲击实验时，其进气端可拆卸的连接设置在所述压缩空气输出系统的输出端，出气端指向所述粒子图像检测系统。
2.根据权利要1所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述的粒子图像检测系统包括：
透明实验箱(1)，与所述多颗粒发射组件和单颗粒发射组件的出气端；
高速摄像机(3)，用于拍摄透明实验箱(1)内单颗粒钢球的飞行轨迹，并进一步计算、验证钢球发射速度；
速度传感器(26)，设置在所述透明实验箱(1)外壁上，用于检测钢球的射出速度；
粒子图像检测摄像头(27)，用于对多颗粒发射组件所发射出的气体在透明实验箱内的流场进行监测；
夹持涂层样板的夹具(29)，设置在所述透明实验箱(1)内，用于夹持涂层样板。
3.根据权利要2所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述粒子图像检测摄像头(27)的数量为两台。
4.根据权利要2或3所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述的粒子图像检测系统还包括：
摄像头导轨(28)，所述粒子图像检测摄像头(27)位置可调的滑动设置在所述摄像头导轨(28)上。
5.根据权利要2所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述的粒子图像检测系统还包括：
照明灯(2)，用于调节所述透明实验箱(1)内的光照强度。
6.根据权利要1所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述的压缩空气输出系统包括：
空气压缩机(9)；
依次连接所述空气压缩机出气口的连接软管(10)、减压阀连接件(11)、减压阀(12)、减压阀与电磁阀连接钢管(13)、电磁阀(14)、电磁阀与压力仪表连接钢管(15)、压力仪表(16)；
PLC，通过电路连接减压阀(12)、电磁阀(14)，用于控制电磁阀(14)的启闭、减压阀(12)的开度大小并保持稳定。
7.根据权利要6所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述的PLC通过PID控制器调节所述减压阀(12)的开度大小并保持稳定。
8.根据权利要1所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述的单颗粒发射组件包括：
通过依次密封连接的第一加速管(4)，第一异径管连接件(5)，第二加速管(6)，第二异径管连接件(7)，第三加速管(8)，所述第一加速管(4)的进气口端相交设置有带密封螺栓的单钢球进料口，所述第三加速管(8)的另一端连接所述压缩空气输出系统。
9.根据权利要1所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述多颗粒发射组件包括：
振动送料装置(20)；
通过依次密封连接的加速喷管与压力仪表连接管(17)、锥形加速喷管(19)、锥形管与钢管连接器(22)、第四加速管(25)，所述第四加速管(25)的进气口端相交设置有与轴线夹角为54°±1°的导料管(23)，所述导料管(23)的入口通过连接管(21)与所述振动送料装置(20)的出料口相连接。
10.根据权利要9所述的检测车身涂层抗冲击性能的多功能钢球冲击装置，其特征在于，所述第四加速管(25)、加速喷管与压力仪表连接管(17)上分别固定设置有第二轴支架(24)和第一轴支架(18)。
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