CN111649026B - 一种气动式垂直冲击缸组件及冲击台 - Google Patents

一种气动式垂直冲击缸组件及冲击台 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种气动式垂直冲击缸组件及冲击台，所述的冲击缸组件包括外缸、设于所述的外缸内的内缸、冲击缸上盖、冲击缸下盖，所述的外缸和内缸的上端部之间通过所述的冲击缸上盖相密封，所述的外缸和内缸的下端部之间通过所述的冲击缸下盖相密封，所述的内缸上端的侧壁开设有多个通气孔，所述的通气孔将所述的内缸的内腔上部和外缸相连通。本发明的一种气动式垂直冲击缸及冲击台，所述的冲击缸包括包含内缸和外缸，内外缸通过内缸圆周上均布开设的通气孔互通。在工作过程中，可以将活塞提升到最高位置，将高压气体储存在外缸内，这样一来，既保证了储存足够的能量，又不会减小活塞的工作行程。

Description

一种气动式垂直冲击缸组件及冲击台
技术领域
本发明涉及力学环境试验技术的冲击试验，尤其涉及一种气动式垂直冲击缸组件及冲击台。
背景技术
冲击试验设备主要应用于产品的力学环境试验，通过模拟产品在使用、装卸和运输过程中可能遭受的冲击环境，考核产品在此冲击环境下的功能可靠性和结构完好性。
目前市场上应用广泛的垂直冲击台主要采用自由跌落的方式，其工作原理是试件安装在一个工作台面上，通过某种提升机构将工作台面提升到一定的高度，然后释放台面，使台面和试件一起自由跌落到安装波形发生器的砧板上，产生需要的冲击波形。从台面跌落接触到波形发生器时起，这时跌落的速度为
Figure 483654DEST_PATH_IMAGE001
（其中，g为重力加速度，h为提升高度），台面向下运动受阻产生一个很大的与重心方向相反的加速度，直至速度变化为零。该冲击加速度波形的最大峰值(
Figure 338478DEST_PATH_IMAGE002
，其中A为冲击加速度峰值，D为脉冲持续时间)主要由跌落的速度决定。冲击加速度的峰值越大，所需的跌落速度越大，根据
Figure 790319DEST_PATH_IMAGE003
，则提升高度就要越高。对于大量极的冲击试验很难达到，主要受限于安装空间和导柱的加工难度。
因此需要开发一种高速度气动式垂直冲击台，可以满足在有限的行程内，达到大的冲击速度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是研制一种高速度气动式垂直冲击台的冲击缸组件及冲击台，此冲击缸采用内外套缸结构，其结构紧凑，在不牺牲工作行程的情况下，保证缸内储存的能量足够。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种气动式垂直冲击缸组件，所述的冲击缸组件包括外缸、设于所述的外缸内的内缸、冲击缸上盖、冲击缸下盖，所述的外缸和内缸的上端部之间通过所述的冲击缸上盖相密封，所述的外缸和内缸的下端部之间通过所述的冲击缸下盖相密封，所述的内缸上端的侧壁开设有多个通气孔，所述的通气孔将所述的内缸的内腔上部和外缸相连通。
优选地，所述的冲击缸下盖还设有一下端开口的冲击缸下腔，所述的冲击缸下腔与所述的内缸相连通，所述的冲击缸下腔的侧壁上设置有一下腔充气口，所述的外缸的侧壁上开设有外缸进气口及外缸出气口。
优选地，所述的冲击缸组件还包括台面组件，所述的台面组件包括工作台面、连接于所述的工作台面下的活塞杆、连接于所述的活塞杆下端的活塞头，所述的活塞杆穿过所述的冲击缸上盖，所述的活塞头可上下移动的设于所述的内缸内，所述的活塞头将所述的内缸的内腔分隔为位于所述的活塞头上侧的内腔上部、位于所述的活塞头下侧的内腔下部，所述的通气孔始终位于所述的内缸的内腔上部的侧壁上。
优选地，所述的活塞头与所述的内缸的内壁之间通过孔用格莱圈相密封，所述的活塞杆与所述的冲击缸上盖之间安装有导向套，所述的导向套与所述的活塞杆之间通过轴用格莱圈相密封，所述的导向套与所述的冲击缸上盖之间通过第一密封圈相密封，所述的冲击缸上盖下端面还设置有内缸缓冲垫，所述的内缸缓冲垫位于所述的内缸内，当所述的活塞头移动至最上端时，所述的内缸缓冲垫的下端抵在所述的活塞头上，所述的通气孔位于所述的活塞头的上侧。
本申请还提供一种冲击台，包括所述的冲击缸组件，所述的冲击台还包括壳体。
优选地，所述的冲击台还包括安装在所述的壳体内的快速放气装置，所述的快速放气装置包括气囊、连接于气囊上侧的气囊上板、连接于气囊下侧的气囊下板、设于气囊上板上侧的气囊密封板，所述的气囊密封板设于冲击缸下盖的下侧，用于密封冲击缸下腔的下端开口，所述的气囊密封板能够随所述的气囊的充放气上下移动。
优选地，所述的气囊下板上还安装有一用于对所述的气囊放气的先导快速排气阀，所述的先导快速排气阀用于当工作台面下落时给气囊排气，所述的冲击缸下盖与气囊上板之间还设置有多个弹簧，所述的弹簧的上端部作用于所述的冲击缸下盖，所述的弹簧的下端部作用于所述的气囊上板，当所述的气囊处于充气状态时，所述的气囊密封板将所述的冲击缸下腔密封，所述的弹簧处于被压缩状态，所述的先导快速排气阀通过一电磁阀控制，所述的电磁阀用于当所述的工作台面下落时，控制所述的先导快速排气阀给气囊放气。
优选地，所述的冲击台还包括安装在所述的壳体内的抱紧装置，所述的抱紧装置包括能够供活塞杆穿过的圆筒状的内圈、设于内圈外侧的外圈，所述的内圈为软性材料制成，内圈与外圈之间形成一能够供气体进入的密封腔体，所述的外圈上设置有一用于向腔体内注入气体的压力控制口，所述的内圈的上下两端分别安装有上端盖和下端盖，所述的上端盖和下端盖为圆环状，所述的上端盖与所述的外圈之间，所述的下端盖与所述的外圈之间均通过第二密封圈密封。
优选地，所述的冲击台还包括一安装在所述的工作台面下的用于与所述的工作台面碰撞的砧座，所述的砧座上设置有一波形发生器，所述的波形发生器用于当所述的工作台面向下运动与砧座碰撞时产生一波形信号，所述的抱紧装置用于当所述的工作台面提升到设定高度时，将活塞杆锁住；所述的抱紧装置还用于当检测到波形发生器产生的波形信号后，将活塞杆锁住。
优选地，所述的冲击台还包括测量装置，所述的测量装置用于测量出工作台面的高度，并且计算出工作台面的冲击速度，并将测量信息反馈至快速放气装置及抱紧装置。
本发明的一种气动式垂直冲击缸组件及冲击台，所述的冲击缸组件包括内缸和外缸，内外缸通过内缸圆周上均布开设的通气孔互通。在工作过程中，可以将活塞提升到最高位置，将高压气体储存在外缸内，这样一来，既保证了储存足够的能量，又不会减小活塞的工作行程。
附图说明
图1是本申请的冲击台的结构示意图；
图2是本申请的冲击缸组件的结构示意图；
图3是图2的局部放大示意图；
图4是本申请的快速放气装置的结构示意图；
图5是本申请的抱紧装置的结构示意图。
其中：1.台面组件；2.测量装置；3.抱紧装置；4.冲击缸组件；5.缓冲装置；6.快速放气装置；7.壳体；12.活塞杆；13.活塞头；131.孔用格莱圈；41.内缸；42.外缸；43.冲击缸上盖；44.冲击缸下盖；46.导向套；411.通气孔；421.外缸进气口；422.外缸出气口；462.第一密封圈；463.内缸缓冲垫；451.下腔充气口；45.冲击缸下腔；461.轴用格莱圈；62.弹簧；63.气囊密封板；64.先导快速排气阀；65.气囊下板；66.气囊；67.气囊上板；68.气囊拉杆；31.上端盖；32.内圈；33.下端盖；34.第二密封圈；35.外圈；351.压力控制口；352.压力测试口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明的冲击台，所述的冲击台包括台面组件1、冲击缸组件4、壳体7，所述的冲击缸组件4安装在所述的壳体7内。如图2和3所示，所述的冲击缸组件4包括外缸42、设于所述的外缸42内的内缸41、冲击缸上盖43、冲击缸下盖44，所述的外缸42和内缸41的上端部之间通过所述的冲击缸上盖43相密封，内缸41与外缸42的上端均通过螺钉与冲击缸上盖固定，内缸41下部通过尺寸配合与冲击缸下盖固定定位，外缸42下部通过螺钉与冲击缸下盖固定，此种安装方式可以保证冲击缸结构紧凑，具有良好的同轴度。
所述的外缸42和内缸的下端部之间通过所述的冲击缸下盖44相密封，所述的台面组件1包括工作台面、连接于所述的工作台面下的活塞杆12、连接于所述的活塞杆12下端的活塞头13，所述的活塞杆12穿过所述的冲击缸上盖43，所述的活塞头13可上下移动的设于所述的内缸内，所述的活塞头13将所述的内缸的内腔分隔为位于所述的活塞头13上侧的内腔上部、位于所述的活塞头13下侧的内腔下部，所述的内缸上端的侧壁开设有多个通气孔411，所述的通气孔411将所述的内缸的内腔上部和外缸42相连通，所述的通气孔411始终位于所述的内缸的内腔上部的侧壁上。所述的冲击缸下盖44还设有一下端开口的冲击缸下腔45，所述的冲击缸下腔45与所述的内缸相连通，所述的冲击缸下腔45的侧壁上设置有一下腔充气口451，所述的外缸42的侧壁上开设有外缸进气口421及外缸出气口422。
所述的活塞头13与所述的内缸41的内壁之间通过孔用格莱圈131相密封，所述的活塞杆12与所述的冲击缸上盖43之间安装有导向套46，导向套46通过螺钉与冲击缸上盖固定，保证活塞杆高速运动时具有良好的导向功能导向套选用含锌的锡青铜材料，具有较高的耐磨性。
所述的导向套46与所述的活塞杆12之间通过轴用格莱圈461相密封，所述的导向套46与所述的冲击缸上盖43之间通过第一密封圈462相密封，所述的冲击缸上盖43下端面还设置有内缸缓冲垫463，所述的内缸缓冲垫463位于所述的内缸41内，内缸缓冲垫463通过螺钉与冲击缸上盖固定，防止活塞头提升失效时具有良好的缓冲保护功能。所述的通气孔411位于所述的活塞头13的上侧。所述的冲击台还包括测量装置2，所述的测量装置2用于测量出工作台面的高度，并且计算出工作台面的冲击速度，并将测量信息反馈至快速放气装置及抱紧装置。
如图4所示，为本发明的快速放气装置6，快速放气装置6包括气囊66、连接于气囊66上侧的气囊上板67、连接于气囊下侧的气囊下板65、设于气囊上板67上侧的气囊密封板63，所述的气囊密封板63设于冲击缸下盖44的下侧，用于密封冲击缸下腔45的下端开口，所述的气囊密封板63能够随所述的气囊的充放气上下移动。
所述的气囊下板65上还安装有一用于对所述的气囊放气的先导快速排气阀64，所述的先导快速排气阀64用于当工作台面下落时给气囊排气。所述的先导快速排气阀64通过一电磁阀控制，所述的电磁阀用于当所述的工作台面下落时，控制所述的先导快速排气阀64给气囊放气。
所述的冲击缸下盖44与气囊上板67之间还设置有多个弹簧62，所述的弹簧62的上端部作用于所述的冲击缸下盖44，所述的弹簧62的下端部作用于所述的气囊上板67，当所述的气囊处于充气状态时，所述的气囊密封板63将所述的冲击缸下腔45密封，所述的弹簧62处于被压缩状态。所述的快速放气装置6还包括多个气囊拉杆68，所述的气囊拉杆68的上端部连接至所述的冲击缸下盖44，所述的气囊拉杆68的下端部固定连接至所述的气囊下板65，所述的气囊拉杆68穿过所述的气囊上板67，且所述的气囊上板67能够沿所述的气囊拉杆68上下滑动。多个所述的气囊拉杆68沿所述的气囊周向排列设置，所述的弹簧62套设在所述的气囊拉杆68上。保证快速放气装置6整体结构的稳定性。
快速放气的实现过程：当工作台面下落时，先导快速排气阀64给气囊排气，气囊中的气压减小，此时冲击缸下腔45内的压力大于气囊压力，使得气囊密封板63与冲击缸下腔45分离，给冲击缸下腔45排气。
如果没有设置弹簧62，当气囊与冲击缸下腔45同时排气，在排气的某一时刻两者内部的压力又会形成平衡，会导致气囊密封板63与冲击缸下腔45的分离开口不能完全打开，冲击缸下腔45中的气体无法快速释放。现由于弹簧62的作用，因原先给气囊充气时，弹簧62会受到一个向上的预压力，当气囊排气时，弹簧62释放预压力，通过弹簧62对气囊上板67施加一个向下的力，气囊密封板63与冲击缸下腔45分离开口加大，可以保证冲击缸下腔45中气体快速排出。能够在工作台面高速冲击时冲击缸下腔45不会产生堵气的现象，实现快速放气的功能，使得工作台面下落更加顺畅，冲击能量更大。
如图5所示，为本申请的抱紧装置3，所述的抱紧装置3包括能够供活塞杆12穿过的圆筒状的内圈32、设于内圈32外侧的外圈35，所述的内圈32为软性材料制成，内圈32与外圈35之间形成一能够供气体进入的密封腔体，所述的外圈35上设置有一用于向腔体内注入气体的压力控制口351。所述的内圈32为氯丁橡胶材料制成，所述的内圈32分别与上端盖31和下端盖33采用硫化工艺结合。所述的内圈32的上下两端分别安装有上端盖31和下端盖33，所述的上端盖31和下端盖33为圆环状，所述的上端盖31与所述的外圈35之间，所述的下端盖33与所述的外圈35之间均通过第二密封圈34密封。圆环状上端盖31和下端盖33能够保证内圈32和外圈35具有良好的同轴度。所述的外圈35上还设置有一用于监测抱紧装置3压力的压力测试口352。所述的压力测试口352处安装有压力计。
所述的冲击台还包括一安装在所述的工作台面下的用于与所述的工作台面碰撞的砧座，所述的砧座上设置有一波形发生器，所述的波形发生器用于当所述的工作台面向下运动与砧座碰撞时产生一波形信号。所述的抱紧装置3用于当所述的工作台面提升到设定高度时，将活塞杆12锁住；所述的抱紧装置3还用于当检测到波形发生器产生的波形信号后，将活塞杆12锁住。
本申请的抱紧装置3的刹车实现过程：当工作台面提升到设定高度时，抱紧装置3加压至一定压力，内圈32会受到一个均匀的环形力，并产生变形，从而与活塞杆12接触，将活塞杆12连同工作台面一同锁住，实现对工作台面的制动；当抱紧装置3压力卸载，工作台面释放，工作台面在气体推动及重力的作用下与砧座上的波形发生器碰撞产生一个波形信号。在工作台面与波形发生器接触后，抱紧装置3检测到波形发生器产生的波形信号，立即启动将工作台面锁住，将活塞杆12锁住，防止工作台面在碰撞砧座后发生反弹，避免二次冲击。
所述的壳体7的底部还安装有缓冲装置5，所述的缓冲装置5选用专用地基垫铁，安装此装置不但可以保证设备能在无地基条件下使用，而且可以减小设备对周围环境的影响。
本申请的冲击台的工作过程为：
1. 提升台面组件1：给快速放气装置6中的气囊充气，通过气囊密封板63将冲击缸下腔45封住，从而将快速放气装置6关闭。给冲击缸下腔45充入低压空气，使台面组件1在气压作用下缓慢向上提升。
2. 锁紧台面组件1：通过测量装置2监测台面组件1的提升高度，到达预定高度时，给抱紧装置3充气加压将台面组件1的活塞杆12锁住。
3. 给台面组件1施加载荷：给冲击缸组件4的外缸42充气加压至设定压力P1，内外缸通过内缸沿周向均布开设的通气孔互通，内腔上部给活塞头13施加向下的压力P1，当向下施加的载荷大于抱紧装置3的静摩擦力时，台面组件1会出现向下滑动导致试验无法进行，为了防止上述情况，需要同时给内腔下部充气给活塞施加向上的载荷P2，与此同时，为了确保封住内腔下部，也需要给快速放气装置6中的气囊充气，气压为P3，此时，各处的气压需满足P1= P2=P3。
4. 释放台面组件1：给快速放气装置6的气囊放气，此时P3压力减小，P2>P3，使得冲击缸下腔45敞开，P2也会减小，与此同时打开抱紧装置3，此时，内腔上部压力P1>P2，台面组件1在内腔上部压力作用下向下加速运动。
5．获得冲击速度：从图1中可以看出，当内缸的上下腔压差△P（
Figure 716686DEST_PATH_IMAGE004
）越大，台面组件1向下运动的平均加速度a就越大，根据公式
Figure 344108DEST_PATH_IMAGE005
（V1为冲击速度，l为加速运动的距离）可知，台面组件1获得的冲击速度就越大。系统采用快速放气装置6，使得内腔下部的压力P2以及气囊中压力P3可以快速降至大气压，确保活塞组件向下加速运动时冲击缸下腔45不至于堵气，并实现快速放气。
6. 产生加速度波形：台面组件1加速向下运动接触到波形发生器时起，这时，台面组件1的冲击速度为V1（可以通过测量装置2测得）。台面组件1向下运动受阻从而产生一个很大的与重力方向相反的冲击加速度，直至速度变化为零。该冲击加速度的最大峰值主要由冲击的速度决定。
7.避免二次冲击：当冲击结束时，系统给抱紧装置3充气加压将工作台面锁住，防止二次冲击，从而完成一次冲击试验。
本发明的冲击台，具有如下有益效果：
1.冲击缸组件采用内外套缸结构，其包含内缸和外缸，内外缸通过内缸圆周上均布开设的通气孔互通。在工作过程中，可以将活塞提升到最高位置，将高压气体储存在外缸内，这样一来，既保证了储存足够的能量，又不会减小活塞的加速运动的行程。此冲击缸结构紧凑，具有良好的同轴度。
2.快速放气装置能够在工作台面高加速冲击时冲击缸下腔不会产生堵气的现象，实现快速放气，使得工作台面向下加速运动更加顺畅，冲击速度更大。
3.抱紧装置采用气控橡胶阻尼刹车装置，在工作台面提升到设定高度时，抱紧装置加压将活塞杆连同工作台面一同锁住，实现对工作台面的制动；冲击时，打开抱紧装置，释放工作台面，工作台面在气体推动及重力的作用下与砧座上的波形发生器碰撞产生一个波形信号，同时，工作台面可能会反弹，启动抱紧装置将工作台面锁住，避免二次冲击。此制动方式可靠，并能够减小冲击波形的毛刺，增大阻尼，环保，无噪音。
4.测量装置采用高响应光电读头，闭环控制，能够自动准确地测量出工作台面的高度，并且计算出工作台面的冲击速度，保证较高的测量精度。此测量装置采用数字式提升高度反馈控制系统，准确度高，重复性能好。
5.壳体采用大质量设计，降低重心高度，可以保证设备冲击时重心低、不变形，整体更稳定可靠，并能有效地吸收杂波，避免共振。
6.缓冲装置选用专用地基垫铁，安装此装置不但可以保证设备能在无地基条件下使用，而且可以减小设备对周围环境的影响。
以上所述实施例仅是为充分说是明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种气动式垂直冲击缸组件，其特征在于，所述的冲击缸组件包括外缸、设于所述的外缸内的内缸、冲击缸上盖、冲击缸下盖，所述的外缸和内缸的上端部之间通过所述的冲击缸上盖相密封，所述的外缸和内缸的下端部之间通过所述的冲击缸下盖相密封，所述的内缸上端的侧壁开设有多个通气孔，所述的通气孔将所述的内缸的内腔上部和外缸相连通，所述的冲击缸组件还包括台面组件，所述的台面组件包括工作台面、连接于所述的工作台面下的活塞杆、连接于所述的活塞杆下端的活塞头，所述的活塞杆穿过所述的冲击缸上盖，所述的活塞头可上下移动的设于所述的内缸内，所述的活塞头将所述的内缸的内腔分隔为位于所述的活塞头上侧的内腔上部、位于所述的活塞头下侧的内腔下部，所述的通气孔始终位于所述的内缸的内腔上部的侧壁上，所述的活塞头与所述的内缸的内壁之间通过孔用格莱圈相密封，所述的活塞杆与所述的冲击缸上盖之间安装有导向套，所述的导向套与所述的活塞杆之间通过轴用格莱圈相密封，所述的导向套与所述的冲击缸上盖之间通过第一密封圈相密封，所述的冲击缸上盖下端面还设置有内缸缓冲垫，所述的内缸缓冲垫位于所述的内缸内，当所述的活塞头移动至最上端时，所述的内缸缓冲垫的下端抵在所述的活塞头上，所述的通气孔位于所述的活塞头的上侧；
所述的冲击缸下盖还设有一下端开口的冲击缸下腔，所述的冲击缸下腔与所述的内缸相连通，所述的冲击缸下腔的侧壁上设置有一下腔充气口，所述的外缸的侧壁上开设有外缸进气口及外缸出气口。
2.一种冲击台，其特征在于，包括权利要求1所述的冲击缸组件，所述的冲击台还包括壳体。
3.如权利要求2所述的冲击台，其特征在于，所述的冲击台还包括安装在所述的壳体内的快速放气装置，所述的快速放气装置包括气囊、连接于气囊上侧的气囊上板、连接于气囊下侧的气囊下板、设于气囊上板上侧的气囊密封板，所述的气囊密封板设于冲击缸下盖的下侧，用于密封冲击缸下腔的下端开口，所述的气囊密封板能够随所述的气囊的充放气上下移动。
4.如权利要求3所述的冲击台，其特征在于，所述的气囊下板上还安装有一用于对所述的气囊放气的先导快速排气阀，所述的先导快速排气阀用于当工作台面下落时给气囊排气，所述的冲击缸下盖与气囊上板之间还设置有多个弹簧，所述的弹簧的上端部作用于所述的冲击缸下盖，所述的弹簧的下端部作用于所述的气囊上板，当所述的气囊处于充气状态时，所述的气囊密封板将所述的冲击缸下腔密封，所述的弹簧处于被压缩状态，所述的先导快速排气阀通过一电磁阀控制，所述的电磁阀用于当所述的工作台面下落时，控制所述的先导快速排气阀给气囊放气。
5.如权利要求4所述的冲击台，其特征在于，所述的冲击台还包括安装在所述的壳体内的抱紧装置，所述的抱紧装置包括能够供活塞杆穿过的圆筒状的内圈、设于内圈外侧的外圈，所述的内圈为软性材料制成，内圈与外圈之间形成一能够供气体进入的密封腔体，所述的外圈上设置有一用于向腔体内注入气体的压力控制口，所述的内圈的上下两端分别安装有上端盖和下端盖，所述的上端盖和下端盖为圆环状，所述的上端盖与所述的外圈之间，所述的下端盖与所述的外圈之间均通过第二密封圈密封。
6.如权利要求5所述的冲击台，其特征在于，所述的冲击台还包括一安装在所述的工作台面下的用于与所述的工作台面碰撞的砧座，所述的砧座上设置有一波形发生器，所述的波形发生器用于当所述的工作台面向下运动与砧座碰撞时产生一波形信号，所述的抱紧装置用于当所述的工作台面提升到设定高度时，将活塞杆锁住；所述的抱紧装置还用于当检测到波形发生器产生的波形信号后，将活塞杆锁住。
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