CN112666032A - 一种多级驱动高速冲击磨损试验台 - Google Patents

Abstract

本发明属于试验设备技术领域，针对现有技术中将撞击试验台更换为专门的磨损试验台导致过程繁琐的问题。本发明中公开了一种多级驱动高速冲击磨损试验台，包括多级推进装置，所述多级推进装置包括电动绞机、第一级弹簧、气瓶、第二级弹簧、装有试件的轨道车，所述电动绞机通过第一级弹簧和气瓶连接，气瓶通过第二级弹簧和装有试件的轨道车连接。同时提供了一种将弹簧弹射与高压放气反推加速原理相结合的加速系统，充分利用了弹簧推进瞬时加速度大、放气反推续航时间长的特点，用以实现不同角度情况下的撞击或磨损的过程。

Description

一种多级驱动高速冲击磨损试验台

技术领域

本发明属于试验设备技术领域，涉及一种用于中短距离的直线加速冲击磨损设备，具体涉及将弹簧与放气反推方式结合起来实现加速的分离式多级加速系统和一个可调节碰撞及摩擦角度的磨损试验台。

背景技术

许多材料或产品的力学性能测定或者质量检测会涉及到动态冲击磨损试验，这就需要在一定的距离内将被测物体加速到一定的速度实现高速摩擦以及撞击。目前常用的直线加速手段如高压弹射、蒸汽弹射、电磁弹射等虽然加速效果显著，但会受到造价、实验成本以及场地尺寸等因素的限制；弹簧弹射的方式很廉价，但只用弹簧储能的方式进行推进加速，试件往往又会因为加速时间过短而达不到最后所需的最大速度；再者，如遇到需要做磨损实验的情况，还需要将撞击试验台更换为专门的磨损试验台，过程十分繁琐。

因此，如何研发一种加速装置，既能适应场地尺寸的限制，又能在有限的空间里使物体尽可能地得到加速，并能兼顾测量其撞击和磨损力学性能，具有重要的现实意义。

发明内容

为了应对上述问题，本发明提供了一种多级驱动高速冲击磨损试验台，一种将弹簧弹射与高压放气反推加速原理相结合的加速系统，充分利用了弹簧推进瞬时加速度大、放气反推续航时间长的特点，并且采用了类似于多级火箭原理的设计，使试件在冲上磨损试验台之前与推进系统分离，同时再利用一级弹簧的弹射力，再次地提供强力的加速；另外提供了一个可以调整角度的平台，用以实现不同角度情况下的撞击或磨损的过程。

本发明的技术方案为：

一种多级驱动高速冲击磨损试验台，包括多级推进装置，所述多级推进装置包括电动绞机、第一级弹簧、气瓶、第二级弹簧、装有试件的轨道车，所述电动绞机通过第一级弹簧和气瓶连接，气瓶通过第二级弹簧和装有试件的轨道车连接。

进一步的，所述气瓶端口处设置有气瓶放气阀门，气瓶放气阀门包括气阀插销、通道开关、充气孔、进气口，气瓶放气阀门的中心轴处设置有气体通道，与气体通道相互连通设置有充气孔和进气口，气体通道上设置有通道开关，通道开关上设置有气阀插销，通过气阀插销控制气体通道启闭，气阀插销通过一钢丝与试验台最左端的固定端相连，第一级弹簧自由端与气瓶的气阀气体通道左端接触。如此设计，可使第二级加速阶段，即放气反推阶段，在气瓶往前进动一定距离后自动触发。

进一步的，所述通道开关包括开关本体，所述开关本体的中部和气体通道相对应设置为通气孔，通气孔上方的开关本体和气阀插销相对应设置为气阀插孔；气阀插销插设在气阀插孔内控制气体通道闭合，气阀插销脱离气阀插孔，压缩弹簧推动开关本体下移控制气体通道开通。

进一步的，所述通道开关还设置有限位机构，所述限位机构包括限位罩、限位柱和压缩弹簧，沿着气体通道的外侧壁向外突出延伸设置为限位罩，限位罩和气体通道之间的空腔为限位通道，开关本体沿着限位通道上下移动；

开关本体的顶端向上延伸设置有限位柱，限位柱穿过限位罩的顶端设置有限位部，通过限位部卡合在限位罩上进行限位；压缩弹簧嵌设在限位罩和开关本体之间。顶端限位柱的功能除限位以外，还可以用来作为一个可以手动握住的提拉杆，用来在使用前固定好开关本体的位置，便于气阀插销插设在气阀插孔内。

进一步的，所述第二级弹簧包括弹簧外壳和弹簧卡口，弹簧外壳固定在弹簧卡口中且二者之间形成空腔，第二级弹簧嵌设在该空腔内，所述弹簧卡口与弹簧外壳通过滑动接触变式结构或滚动接触式结构连接，滚动接触式结构设置为嵌入滚珠，用以降低摩擦，防止开关卡死。

更进一步的，所述弹簧外壳设置为一端部开口且另一端部密封的中空圆筒体结构，弹簧卡口沿着弹簧外壳的外侧壁呈环形等间距排布设置，弹簧外壳的自由端口卡合在弹簧卡口内。

进一步的，还设置有加速度开关，通过加速度开关的闭合控制马达的启动，马达启动带动弹簧卡口中的齿轮转动从而释放弹簧卡口，加速度开关在其内部沿着与运动方向相同的一轴线方向设置有加速弹簧，加速弹簧和左导体块相连，左导体块和右导体块相对应排布设置，且左导体块和右导体块通过外部电路连接，当系统加速度大于临界加速度时，左端导体块向左压缩弹簧，与右导体块分离，电路断开；当加速度小于该临界值时，左导体块和右导体块接触，电路接通。

进一步的，所述第二级弹簧释放装置包括横置弹簧与竖置弹簧、由电动马达控制的齿轮、齿状插销、卡尺，竖置弹簧和齿状插销连接，齿状插销和齿轮相互啮合，齿轮连接马达，马达的启动由前文所述加速度开关控制；横置弹簧连接卡尺，卡尺的自由端部延伸至释放弹簧卡口内，卡尺和齿状插销相互对应的位置设置有插孔，齿状插销通过插孔卡合或脱离卡尺内，控制卡尺相对于释放弹簧卡口相对移动。

进一步的，所述气瓶的内部设置有一滑动活塞，通过活塞将气瓶自前向后依次分隔为溶液腔室和高压空气腔室，高压空气腔室对应的气瓶一侧开设有进气口，高压空气腔室通过进气口泵入高压空气，溶液腔室内盛装一定体积的液体；气瓶前端的阀门开启后高压空气推动活塞，从而将液体快速排出，控制系统获得推力。

更进一步的，所述气瓶在准备阶段外接气泵往里注入高压空气，在此之前可在气瓶中装入气瓶总容积30％左右的水，或饱和碳酸氢钠水溶液用于溶解气体。如此，与直接冲入高压空气相比，装有一定体积液体的气瓶可以储存更多的空气。另一方面，由于气体在液体中的溶解度与压强正相关，所以在气瓶放气时，随着瓶内压强快速降低，溶解的气体也会带着泡沫化的液体一同喷出，使整个系统获得更大的加速度。

进一步的，还包括缓冲弹簧、水平摩擦板、升降平台，试验台最左端设置有缓冲弹簧，缓冲弹簧一端和装有试件的轨道车连接，另一端和水平摩擦板连接，水平摩擦板上铰接升降平台和冲击摩擦板，冲击摩擦板的一端部通过转轴和水平摩擦板活动连接，冲击摩擦板的另一端通过转轴和升降平台活动连接。

进一步的，所述升降平台的下端连接液压装置，升降平台的右端设置有挡板，通过液压装置控制升降平台升降进而调节冲击摩擦板与水平面夹角，冲击摩擦板与水平面夹角设置为90°时为纯撞击实验；冲击摩擦板与水平面夹角设置为小于90°时为高速冲击磨损实验。

进一步的，包括一种将弹簧弹射与高压放气反推加速原理相结合的加速系统，具体分为三个加速阶段如下：

第一级加速阶段：第一级弹簧采用大刚度并联弹簧组，通过动力绞机为第一级弹簧提供预紧力，完成第一级加速；

第二级加速阶段：采用大体积气瓶，通过控制气瓶上自动开启的阀门完成第二级加速；

第三级加速阶段：第二级弹簧采用不同刚度、不同长度的并联弹簧组，通过固定在气瓶尾部由加速度开关控制，第二级弹簧自动释放完成第二级加速。

本发明的有益效果为：

1、本发明将弹簧弹射和气瓶放气反推的方法结合起来，弥补了弹簧加速时间短的缺点，使物体能在一定长度的轨道中充分地得到加速。

2、本发明的第二级弹簧由不同长度、不同刚度的一组弹簧并联组成，相比单个弹簧，释放后加速度曲线下降更加缓慢，能更充分地利用加速距离。

3、本发明采用的是高压气瓶放气反推的气体驱动方式，规避了类似于气缸活塞弹射法中，弹射轨道气缸气密性难以保证、维护成本高的问题，具有成本低，操作简便的优点。

4、本发明提供了往气瓶中注入水或碳酸氢钠溶液的方法，也可使用改装过的含活塞气瓶，利用气体、液体的混合驱动力获得更大的加速度。

5、本发明的加速系统采用了类似多级火箭的驱动方式，在气瓶放气驱动阶段结束后将装有试件的轨道车单独弹射出去，减小了制动时的质量，降低了制动需要消耗的动能，能有效延长试验系统的使用寿命。

6、本发明虽然含有数个试件之间的连接，但经过设计，利用每一级加速阶段的加速度变化，可以使每一级加速阶段自动触发，操作简便。

7、本发明中的试验台能根据研究人员自己的需要自由的调整冲击磨擦板的角度达到磨损和撞击两个目的，能模拟不同的磨损或碰撞情况。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多级推进装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的气瓶瓶口阀门示意图；

图3为本发明实施例提供的第二级弹簧示意图；

图4为本发明实施例提供的加速度开关控制原理示意图；

图5为本发明实施例提供的第二级弹簧释放装置示意图；

图6为本发明实施例提供的磨损试验台示意图；

图7为本发明实施例提供的全段加速度曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的第二级弹簧释放装置的俯视图；

图9为本发明实施例提供的第二级弹簧示意图；

图10为本发明实施例提供的内含活塞的气瓶示意图；

图11为本发明实施例提供的仅靠气瓶放气推进的加速度曲线图；

标号注释：1、电动绞机；2、第一级弹簧；3、气瓶；4、第二级弹簧；5、装有试件的轨道车；6、缓冲弹簧；7、水平摩擦板；8、升降平台；9、气阀插销；10、通道开关；11、充气孔；12、进气口；13、弹簧卡口；14、弹簧外壳；15、加速度开关；16、齿轮；17、齿状插销；18、卡尺；19、加速弹簧；20、左导体块；21、右导体块；22、横置弹簧；23、冲击摩擦板；24、钢丝；25、竖置弹簧；26、弹簧外壳边沿；27、导线；28、进气口；29、活塞；

101、限位柱；102、限位部；103、限位罩；104、压缩弹簧；105、开关本体；106、通气孔；107、气体通道；108、限位通道。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动成果前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系，运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

本发明的一个实施例，

一种多级驱动高速冲击磨损试验台，如图1所示，包括多级推进装置，所述多级推进装置包括电动绞机1、第一级弹簧2、气瓶3、第二级弹簧4、装有试件的轨道车5，所述电动绞机1通过第一级弹簧2和气瓶3连接，气阀插销9通过一钢丝24与试验台最左端的固定端相连，气瓶3通过第二级弹簧4和装有试件的轨道车5连接。

动绞机1与弹簧组(第一级弹簧2)通过大刚度钢丝绳连接，钢丝绳固定在弹簧组(第一级弹簧2)的自由端(图1中右端)，开始前绞机收紧钢丝绳弹簧压缩，开始时绞机释放钢丝绳，第一级弹簧2将在较短的时间内恢复原长，弹射气瓶3。

本发明的又一个实施例，第一级弹簧2由数根长度、刚度相等的弹簧并联组成，本实施例中，钢丝24长度设为第一级弹簧2原长的70％，当第一级弹簧释放后，弹簧长度恢复到原长的70％，钢丝24即带动气阀插销9拔出。

本发明的又一个实施例，如图2所示，所述气瓶3端口处设置有气瓶3的阀门，气瓶3的阀门包括气阀插销9、通道开关10、充气孔11、进气口12，气瓶3放气阀门的中心轴处设置有气体通道107，与气体通道107相互连通设置有充气孔11和进气口12，气体通道107上设置有通道开关10，通道开关10上设置有气阀插销9，通过气阀插销9控制气体通道107启闭。

通道开关10包括开关本体105，所述开关本体105的中部和气体通道107相对应设置为通气孔106，通气孔106上方的开关本体105和气阀插销9相对应设置为气阀插孔；气阀插销9插设在气阀插孔内控制气体通道107闭合，气阀插销9脱离气阀插孔，压缩弹簧104推动开关本体105下移控制气体通道107开通。

如图2所示，当气阀插销9拔出时，通道开关10中被压缩的压缩弹簧104向下伸长，开关本体105沿着限位通道108向下移动，开关本体105中部的通气孔106和气体通道107相互连通，气阀放气通道接通，气瓶3放气(水)推进试件继续前进。

第二级弹簧4左端固定在气瓶3底部，右端与装有试件的轨道车5接触，在加速过程中由于惯性力作用气瓶3与与装有试件的轨道车5将会紧贴在一起，无需增加额外的连接装置。

装有试件的轨道车5，当轨道车行进至轨道末端并制动，试件会从轨道车中溜出，滑上磨损试验台。

本发明的又一个实施例，如图2所示，通道开关10还设置有限位机构，所述限位机构包括限位罩103、限位柱101和压缩弹簧104，沿着气体通道107的外侧壁向外突出延伸设置为限位罩103，限位罩103和气体通道107之间的空腔为限位通道108，开关本体105沿着限位通道108上下移动；

开关本体105的顶端向上延伸设置有限位柱101，限位柱101穿过限位罩103的顶端设置有限位部102，通过限位部102卡合在限位罩103上进行限位；压缩弹簧104嵌设在限位罩103和开关本体105之间。

通过限位机构和气阀插销9协同配合控制气体通道107的启闭，拔掉气阀插销9，使其从气阀插孔内抽出，压缩弹簧104的弹力作用下控制开关本体105沿着限位通道108向下移动，直至限位柱101顶端的限位部102卡合在限位罩103上，此时开关本体105的底部运行至限位通道108的底部，气体通道107开启；反之，开关本体105沿着限位通道108向上移动，直至开关本体105的顶部运行至限位通道108的顶部，限位柱101顶端的限位部102脱离限位罩103，气阀插销9插设在气阀插孔内，此时，气体通道107闭合。

在一个的实施例中，气瓶3本身经过改装，在底部安装两排小轮，控制气瓶3在轨道上自由滑动。若遇到加工困难，也可将气瓶3固定安装在轨道车上。

又一个实施例，气瓶3在泵入高压空气前先注入气瓶3总容积30％的水或者碳酸氢钠溶液，随后，在本实施例中将瓶内气压加至12-15MPa，此时已有大量空气溶于液体之中。放气后，未溶解的高压空气快速排出，随之，溶于液体的空气将剧烈释放，并与液体一并喷出。本实施例中，气瓶3容积选为50L，盛装30％的液体，喷射前后的质量差将明显增大，有变质量运动的速度变化关系：

(式中v₀为系统初始速度；v_r为喷射的气体、液体与气瓶3的相对速度；m₀为系统的初始质量；m为最终质量)

可见，喷射前后质量差别越大，系统获得的最终速度也就越大。据估算，以本实施例中50L气瓶3为例，盛装30％液体后比不盛装液体时气瓶3推进阶段获得的速度增加量要多40％。

本发明的又一个实施例，如图3所示，第二级弹簧4包括弹簧外壳14和弹簧卡口13，弹簧外壳14固定在弹簧卡口13中且二者之间形成空腔，第二级弹簧4嵌设在该空腔内。

弹簧外壳14设置为一端部开口且另一端部密封的中空圆筒体结构，弹簧卡口13沿着弹簧外壳14的外侧壁呈环形等间距排布设置，弹簧外壳14的自由端口卡合在弹簧卡口13内。

如图8所示，导线27设置在弹簧外壳14内，弹簧外壳14的弹簧外壳边沿26卡合在弹簧卡口13内，所述弹簧外壳14设置为一端部开口且另一端部密封的中空圆筒体结构，弹簧外壳14的开口端部向外延伸设置为卡合凸起a；弹簧卡口13设置为与弹簧外壳14相互适配的长条状结构，“条状”结构的弹簧卡口13沿弹簧外壳14一周均匀放置4个，沿“条状”结构的弹簧卡口13长度方向设置有卡合凸起b，卡合凸起a和卡合凸起b相互卡合。

在又一个实施例中，如图8所示，弹簧卡口13可沿弹簧外壳14一周均匀放置4个，以保证约束作用的对称性。

在又一个实施例中，为了防止发生弹簧卡口13与弹簧外壳14接触面压力过大、摩擦力过大进而导致弹簧卡口13无法释放的问题，可将两者的接触由滑动接触变为滚动接触，具体操作方法可改装弹簧卡口13，在其中嵌入小滚珠。

本发明的又一个实施例，如图4所示，弹簧卡口13的开合通过加速度开关15控制，加速度开关15在其内部沿着与运动方向相同的一轴线方向设置有加速弹簧19，加速度弹簧19和左导体块20相连，左导体块20和右导体块21相对应排布设置，且左导体块20和右导体块21通过外部电路连接，当系统加速度大于临界加速度时，左端导体块向左压缩弹簧104，与右导体块21分离，电路断开；当加速度小于该临界值时，左导体块20和右导体块21接触，电路接通。

当系统加速度大于临界加速度时，与弹簧相连接的左端导体块会向左压缩弹簧104，与右边的导体块分离，电路断开，此时有如下关系式：

kx-ma＝0 (2)

式中k为弹簧刚度，可以根据需要确定；x为弹簧的压缩量，x应大于上图中的H，即在两导体块接触时弹簧长度仍小于原长；m为导体块的质量；a为系统加速度。

当加速度小于该临界加速度值时，导体块的惯性力不足以向左压缩弹簧104，遂两导体块接触，电路接通。

本发明的又一个实施例，如图5所示，第二级弹簧4释放装置包括竖置弹簧25(竖置弹簧25起到的作用仅仅是当齿轮16不受到马达驱动力时，即加速度开关15断电时，带动齿状插销17向下伸长，插入卡尺18的插孔，让连接卡尺18不再能够前后滑动)、齿轮16、齿状插销17、卡尺18，竖置弹簧25和齿状插销17连接，齿状插销17和齿轮16相互啮合，齿轮16连接马达；横置弹簧22连接卡尺18，卡尺18的自由端部延伸至释放弹簧卡口13内，卡尺18和齿状插销17相互对应的位置设置有插孔，齿状插销17通过插孔卡合或脱离卡尺18内，控制卡尺18相对于释放弹簧卡口13相对移动。

如图8所示，加速度开关所接“外部电路”即为导线27以及导线27连接控制的弹簧卡口13。当加速度开关15闭合后，即启动弹簧卡口13中齿轮16所连接的马达。如图5所示，左端横置弹簧22处于伸长状态，上端竖置弹簧25处于原长，当所述加速度开关15闭合后，即启动与齿轮16连接的马达，齿轮16逆时针转动，带动齿状插销17向上运动，解除对卡尺18的约束，紧接着横置弹簧22向左恢复原长，带动卡尺18向左滑动，即释放弹簧卡口13。第二级弹簧4的弹簧组的工作原理如下：

如图9所示，弹簧卡口13释放第二级弹簧4的弹簧组之前，三个弹簧处于并联压缩状态，即弹簧组整体长度L<S3，总刚度K＝k1+k2+k3；

弹簧卡口13释放第二级弹簧4的弹簧组之后，弹簧的弹射过程分为三个阶段：

1、当弹簧组整体长度L<S3时，总刚度K＝k1+k2+k3；

2、当弹簧组整体长度S3<L<S3+S2时，弹簧k1恢复到原长，总刚度K＝k1+k2；

3、当弹簧组整体长度S3+S2<L<S3+S2+S1时，弹簧k2恢复到原长，总刚度K＝k1。

所述气瓶3在准备阶段外接气泵往里注入高压空气，在此之前可在气瓶3中装入气瓶3总容积30％左右的水，或饱和碳酸氢钠水溶液用于溶解气体。如此，与直接冲入高压空气相比，装有一定体积液体的气瓶3可以储存更多的空气。另一方面，由于气体在液体中的溶解度与压强正相关，所以在气瓶3放气时，随着瓶内压强快速降低，溶解的气体也会带着泡沫化的液体一同喷出，使整个系统获得更大的加速度。

本发明的又一个实施例，如图6所示，还包括缓冲弹簧6、水平摩擦板7、升降平台8，试验台最左端设置有缓冲弹簧6，缓冲弹簧6一端和装有试件的轨道车5连接，另一端和水平摩擦板7连接，水平摩擦板7上铰接升降平台8和冲击摩擦板23，冲击摩擦板23的一端部通过转轴和水平摩擦板7活动连接，冲击摩擦板23的另一端通过转轴和升降平台8活动连接。

试验台最左端设有一缓冲弹簧6，当装有试件的轨道车5以高速滑动至此时会被缓冲弹簧6制动，装有试件的轨道车5的右侧底端设置有一缓冲层，用以减少冲击造成的损坏。

冲击磨擦板23应足够坚固，能够承受多次冲击而不发生大的变形。另外，水平摩擦板7和冲击磨擦板23上安置各样的力学测量装置用以采集冲击或者摩擦数据。

本发明的又一个实施例，如图6所示，升降平台8的下端连接液压装置，升降平台8的右端设置有挡板，挡板限制试件不让其飞出。升降平台8通过下端连接的液压装置操控，可以在图6中箭头所示两个方向运动，从而控制冲击摩擦板23的角度，实验开始后升降平台8固定，冲击摩擦板23不再转动。

通过液压装置控制升降平台8升降进而调节冲击摩擦板23与水平面夹角，冲击摩擦板23与水平面夹角设置为90°时为纯撞击实验；冲击摩擦板23与水平面夹角设置为小于90°时为高速冲击磨损实验。

本发明的又一个实施例，包括一种将弹簧弹射与高压放气反推加速原理相结合的加速系统，具体分为三个加速阶段如下：

第一级加速阶段：第一级弹簧2采用并联弹簧组，通过动力绞机为第一级弹簧2提供预紧力，完成第一级加速；

第二级加速阶段：采用大体积气瓶3，通过控制气瓶3上自主放气(或射水)的阀门完成第二级加速；

第三级加速阶段：第二级弹簧4采用并联弹簧组，通过固定在气瓶3尾部由加速度开关15控制，第二级弹簧4自动释放完成第二级加速。

第一方面，三个加速阶段的各个设备通过一系列特别的方式紧密连接，详见一种多级驱动高速冲击磨损试验台的结构说明。

第二方面，本发明提供了另外提供了一个可以调整角度的冲击磨擦板23，通过升降平台8调节冲击摩擦板23与水平面之间的夹角，用来进行不同角度情况下的撞击或磨损实验，其中：

水平摩擦板7起始位置有用于缓冲的缓冲弹簧6，通过缓冲弹簧6防止装有试件的轨道车5与平台过度撞击造成损坏。

冲击摩擦板23的角度调整结构，设置为一个可绕两端定轴旋转的冲击摩擦板23，和可以在水平和竖直两个方向移动的升降平台8连接。

在上述是实施例的基础上，如图7所示，为本发明实施例提供的全段加速度曲线示意图，图11为本发明实施例中仅靠气瓶3推进作用获得的加速度曲线，可以看到：

t＝0～t＝t2段为第一级加速阶段，t＝t1～t＝t3段为第二级加速阶段，其中t＝t1～t2段是前两段加速阶段的混合作用过渡阶段，t>t3段为第三级加速阶段。

第一级弹簧2采用数根长度、刚度均相同的弹簧并联而成，第二级弹簧4均采用的是不同长度、不同刚度弹簧并联组成的弹簧组。

如图所示，在0<t<t1这段时间内，第一级弹簧2的弹簧组刚刚释放，系统加速度方程为：

其中k为弹簧组的总刚度,M为气瓶3和试件小车的总质量；x₀为弹簧组的总压缩量。

当t1<t<t2时，第一级弹簧2的总长度恢复至与钢丝24长度相等，随后钢丝24拔下气阀插销9，t＝t1时刻加速度a1约为a0的40％，t1-t2过程的曲线为弹簧释放产生的加速的式(3)与图11的纯放气加速曲线前段的叠加，系统加速度方程为：

其中F为气瓶3开始放气(射水)时产生的推力。

当t2<t<t3时，气瓶3与第一级弹簧2分离，进入放气(射水)反推的加速阶段，加速度曲线由以下方程组控制：

其P_t,P₀分别表示t时刻和0时刻气瓶内压；m_t,m₀分别表示t时刻和0时刻气瓶内气体质量；γ为空气比热比；V为气瓶容积；R为气体常数；T为气瓶内气体温度；

为t时刻瓶内气体质量随试件的变化率。

在t＝t3点，系统加速度a3约为初始加速度a0的20％,达到控制第二级弹簧4的加速度开关15的临界加速度，此时加速度开关15闭合，系统进入到第三级加速阶段。

当t3<t<t4时，第二级弹簧卡口刚刚打开，加速度有一个明显的上涨段。

当t4<t<t5时，第二级弹簧4的弹簧组刚刚释放，系统加速度方程为：

其中x₀'为第二级弹簧4的弹簧组的总压缩量；m为轨道车和试件的质量；k1,k2,k3分别为第二级弹簧4的弹簧组中三个弹簧的刚度。

当t5<t<t6时，第二级弹簧4的弹簧组中的k3恢复到原长，系统加速度方程为：

当t>t6时，第二级弹簧4的弹簧组中的k2恢复到原长，系统加速度方程为：

本发明的又一个实施例，如图10所示，所述气瓶3的内部设置有一滑动活塞29，通过活塞29将气瓶3自前向后依次分隔为溶液腔室和高压空气腔室，高压空气腔室对应的气瓶3一侧开设有进气口28，高压空气腔室通过进气口28泵入高压空气，溶液腔室内盛装一定体积的液体；气瓶3前端的阀门开启后高压空气推动活塞29，从而将液体快速排出，控制系统获得推力。

先通过气瓶3左部瓶口阀门往左部溶液腔室注入气瓶3一半容积的水，再通过进气口28向右部高压空气腔室泵入高压空气，充气完成后进气口28应立刻封闭。实验开始前保持溶液腔室和高压空气腔室左右两空腔体比例约为1：1，如图10所示，右部高压空气腔室内壁设置有凸起，通过凸起限制活塞29的滑动；气瓶3左端阀门的开启机制与图2保持一致，阀门开启后右部高压空气腔室的高压气体推动活塞29向左移动，左部溶液腔室中的水随即喷出，获得推力。此方案同样利用了式(1)中的原理，推进前后的质量差更大，系统获得的加速度更多。

如图11所示，通过靠气瓶放气推进的加速度曲线图，气瓶3放气初期，气体反推力提供的加速度迅速从0增加到峰值，随后由于瓶内压强减小，推力开始下降，曲线进入下降阶段，下降阶段曲线由式(5)-(8)控制。

以上对发明的具体实施方式进行了详细说明，但是作为范例，本发明并不限制与以上描述的具体实施方式。对于本领域的技术人员而言，任何对该发明进行的同等修改或替代也都在本发明的范畴之中，因此，在不脱离本发明的精神和原则范围下所作的均等变换和修改、改进等，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，包括多级推进装置，所述多级推进装置包括电动绞机、第一级弹簧、气瓶、第二级弹簧、装有试件的轨道车，所述电动绞机通过第一级弹簧和气瓶连接，气瓶通过第二级弹簧和装有试件的轨道车连接。

2.根据权利要求1所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，所述气瓶端口处设置有气瓶放气阀门，气瓶放气阀门包括气阀插销、通道开关、充气孔、进气口，气瓶放气阀门的中心轴处设置有气体通道，与气体通道相互连通设置有充气孔和进气口，气体通道上设置有通道开关，通道开关上设置有气阀插销，通过气阀插销控制气体通道启闭，气阀插销通过一钢丝与试验台最左端的固定端相连，第一级弹簧自由端与气瓶的气阀气体通道左端接触。

3.根据权利要求2所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，所述通道开关包括开关本体，所述开关本体的中部和气体通道相对应设置为通气孔，通气孔上方的开关本体和气阀插销相对应设置为气阀插孔；气阀插销插设在气阀插孔内控制气体通道闭合，气阀插销脱离气阀插孔，压缩弹簧推动开关本体下移控制气体通道开通。

4.根据权利要求2或3所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，所述通道开关还设置有限位机构，所述限位机构包括限位罩、限位柱和压缩弹簧，沿着气体通道的外侧壁向外突出延伸设置为限位罩，限位罩和气体通道之间的空腔为限位通道，开关本体沿着限位通道上下移动；

开关本体的顶端向上延伸设置有限位柱，限位柱穿过限位罩的顶端设置有限位部，通过限位部卡合在限位罩上进行限位；压缩弹簧嵌设在限位罩和开关本体之间。

5.根据权利要求1所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，所述第二级弹簧包括弹簧外壳和弹簧卡口，弹簧外壳固定在弹簧卡口中且二者之间形成空腔，第二级弹簧嵌设在该空腔内，所述弹簧卡口与弹簧外壳通过滑动接触变式结构或滚动接触式结构连接，滚动接触式结构设置为嵌入滚珠。

6.根据权利要求5所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，还设置有加速度开关，通过加速度开关的闭合控制马达的启动，马达启动带动弹簧卡口中的齿轮转动从而释放弹簧卡口，加速度开关在其内部沿着与运动方向相同的一轴线方向设置有加速弹簧，加速弹簧和左导体块相连，左导体块和右导体块相对应排布设置，且左导体块和右导体块通过外部电路连接，当系统加速度大于临界加速度时，左端导体块向左压缩弹簧，与右导体块分离，电路断开；当加速度小于该临界值时，左导体块和右导体块接触，电路接通。

7.根据权利要求1所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，所述第二级弹簧释放装置包括横置弹簧与竖置弹簧、由电动马达控制的齿轮、齿状插销、卡尺，竖置弹簧和齿状插销连接，齿状插销和齿轮相互啮合，齿轮连接马达；横置弹簧连接卡尺，卡尺的自由端部延伸至释放弹簧卡口内，卡尺和齿状插销相互对应的位置设置有插孔，齿状插销通过插孔卡合或脱离卡尺内，控制卡尺相对于释放弹簧卡口相对移动。

8.根据权利要求1或2所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，所述气瓶的内部设置有一滑动活塞，通过活塞将气瓶自前向后依次分隔为溶液腔室和高压空气腔室，高压空气腔室对应的气瓶一侧开设有进气口，高压空气腔室通过进气口泵入高压空气，溶液腔室内盛装一定体积的液体；气瓶前端的阀门开启后高压空气推动活塞，从而将液体快速排出，控制系统获得推力。

9.根据权利要求1-8任意一项所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，还包括缓冲弹簧、水平摩擦板、升降平台，试验台最左端设置有缓冲弹簧，缓冲弹簧一端和装有试件的轨道车连接，另一端和水平摩擦板连接，水平摩擦板上铰接升降平台和冲击摩擦板，冲击摩擦板的一端部通过转轴和水平摩擦板活动连接，冲击摩擦板的另一端通过转轴和升降平台活动连接；所述升降平台的下端连接液压装置，升降平台的右端设置有挡板，通过液压装置控制升降平台升降进而调节冲击摩擦板与水平面夹角。

10.根据权利要求9所述一种多级驱动高速冲击磨损试验台，其特征在于，包括一种将弹簧弹射与高压放气反推加速原理相结合的加速系统，具体分为三个加速阶段如下：

第一级加速阶段：第一级弹簧采用由一组长度、刚度均相同的大刚度弹簧并联组成的弹簧组，通过动力绞机为第一级弹簧提供预紧力，完成第一级加速；

第二级加速阶段：采用大体积气瓶，通过控制气瓶上自动开启的阀门完成第二级加速；

第三级加速阶段：第二级弹簧采用由不同长度、不同刚度的弹簧并联组成的弹簧组，通过固定在气瓶尾部由加速度开关控制，第二级弹簧自动释放完成第二级加速。

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