CN113203535A - 电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，包括冲击平台，电磁负载a，电磁负载b，基础，基础隔震系统，基座，缓冲缸系统，冲击平台导向机构，四周基础以及远离冲击平台的脉冲电源系统，电磁负载与脉冲电源系统之间通过电缆连接，基础通过基础隔震系统与基座固定安装，电磁负载a、电磁负载b通过电缆连接于脉冲电源系统，电磁负载b固定于基础上，电磁负载a固定于冲击平台下方，缓冲缸系统/冲击平台导向机构安装于冲击平台的四周，并固定于四周基础上。该设备载荷(含运动部分)总质量可达2000kg以上，可获得加速度达5000m/s2以上、速度达18m/s以上，加载波形可控性好、可重复性好，对促进大型特定场景冲击震动防护研究有重要作用。
Description
技术领域
本发明属于爆炸冲击震动环境模拟试验设备领域，具体涉及一种电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备。
背景技术
采用爆炸冲击震动环境模拟试验设备模拟爆炸冲击震动环境，来评估验证爆炸冲击震动防护措施的有效性以及人员、设备等防护对象的抗爆炸冲击震动能力，是开展爆炸冲击震动防护技术研究的主要手段。爆炸冲击震动环境模拟试验设备目前主要有基于重力势能(落锤式/摆锤式)加载、高压势能(液压式)驱动的冲击震动试验设备。通常，基于重力势能和高压势能驱动的冲击试验设备是将所蓄势能转换为落锤(或摆锤、冲击锤)的动能，由落锤撞击与冲击平台固连的波形发生器，使冲击平台获得所需的加速度波形。对于落锤式冲击试验设备，普遍存在落锤质量都较小，撞击能量不高，主要用于金属塑料复合材料等小型试件或一般工程构件的动态力学性能试验。液压驱动的大载荷(吨量级)冲击震动试验设备较少，目前能达到的加速度峰值在20～2000m/s2，脉宽范围为5～50ms，速度在1m/s～7m/s范围，通常，加速度较大时脉宽较窄，因此液压驱动的冲击震动环境模拟试验设备较难获得高速度。
随着高新技术武器的迅猛发展，国内现有的大载荷爆炸冲击震动环境模拟试验设备在驱动能量、承载能力、驱动方式等方面已经不能满足防护工程科学技术研究的需求，主要表现在当前大载荷冲击震动环境模拟试验设备能达到的冲击加速度和速度有限，且加载波形可控性、可重复性相对较低。现有大载荷(吨量级)冲击震动环境模拟试验设备，可实现的最大加速度不超过2000m/s2，速度不超过10m/s。冲击试验设备若需实现更大级别的加速度和速度，采用重力势能或液压势能驱动的方式较难实现，研制更加符合未来特定场景大载荷爆炸冲击震动环境模拟试验设备迫在眉睫。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，具体方案如下：
一种基于电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，所述设备包括用于承载被测试件的冲击平台，电磁负载a，电磁负载b，基础，基础隔震系统，基座，缓冲缸系统，冲击平台导向机构，四周基础以及远离冲击平台的脉冲电源系统，电磁负载a、电磁负载b与脉冲电源系统之间通过电缆连接，具体连接关系是：基础通过基础隔震系统与基座固定安装，电磁负载a、电磁负载b通过电缆连接于脉冲电源系统，电磁负载b固定于基础上，电磁负载a固定于冲击平台下方，缓冲缸系统/冲击平台导向机构安装于冲击平台的四周，并固定于四周基础上。
进一步，所述脉冲电源系统主要包括脉冲电源、充电电源和测控系统。
进一步，所述脉冲电源系统通过电缆向电磁负载a和电磁负载b脉冲电流放电，电磁负载a和电磁负载b内通过脉冲电流，电流相互作用产生洛伦兹力。
进一步，所述冲击平台可获得的加速度a为：
a＝F/m，
其中，m为冲击震动环境模拟设备运动部分的总质量，即为被测试件、冲击平台、电磁负载a、缓冲缸系统/冲击平台导向机构的运动部件的质量之和；F为电磁负载a和电磁负载b内通过脉冲电流相互作用产生的洛伦兹力，F＝M’I2，其中I为电流，M’为电磁负载a和电磁负载b之间的互感梯度。
进一步，所述电磁负载a和电磁负载b内脉冲大电流和线圈匝数的乘积取值范围为兆安匝级；所述电磁负载a和电磁负载b内脉冲电流相互作用产生的洛伦兹力的范围为兆牛量级；所述冲击平台的质量取值范围为吨量级。
进一步，所述冲击平台的冲击加速度大于等于5000m/s2，速度大于等于18m/s。
相比传统驱动方式(重力势能或液压势能)，本发明电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备可获得更高冲击加速度和速度，且加载波形可控性、可重复性更好，这将有利于促进大型特定场景爆炸冲击震动防护技术研究，为开展大型爆炸冲击震动防护技术研究及防护效能评估等提供有力的条件支撑。
附图说明
图1为电磁驱动的大载荷爆炸冲击震动环境模拟试验设备结构示意图；
图2为实施例l试验设备的电磁负载上的脉冲放电电流波形图；
图3为实施例1试验设备的冲击平台加速度、速度和位移波形图；
图中，1.被测试件 2.冲击平台 3.电磁负载a 4.电磁负载b 5.大质量基础 6.基础隔震系统 7.基座 8.缓冲缸系统/冲击平台导向机构 9.四周基础 10.脉冲电源系统11.电缆。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细阐述。
如图所示，本发明基电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备包括用于承载被测试件1的冲击平台2，电磁负载a3，电磁负载b4，基础5，基础隔震系统6，基座7，缓冲缸系统/冲击平台导向机构8，四周基础9以及远离冲击平台的脉冲电源系统10，电磁负载a3、电磁负载b4与脉冲电源系统10之间通过电缆1l连接，具体连接关系是：基础5通过基础隔震系统6与基座7固定安装，电磁负载a3、电磁负载b4通过电缆连接于脉冲电源系统10，电磁负载b4固定于基础5上，电磁负载a3固定于冲击冲击平台2下方，缓冲缸系统/冲击平台导向机构8安装于冲击平台2的四周，并固定在四周基础9上。其中，所述基础5需满足试验平台冲击试验过程的结构强度，即基础5为大质量基础。
进一步，其中，脉冲电源系统10主要包括脉冲电源、充电电源及测控系统，根据被测试件重量以及期望获得的加载波形(通常指类正弦加载波形，主要参数包括加速度峰值和脉宽)，设定脉冲电源投入的储能元件(通常采用脉冲电容器)的数量(即电容量)和充电电压。
进一步，充电电源从电网取电向脉冲电源的储能元件充电，达到设定电压后，脉冲电源系统10通过电缆向电磁负载a3和电磁负载b4脉冲放电，电磁负载(通常为线圈)内通过脉冲电流并产生洛伦兹力。线圈间脉冲电流相互作用产生的洛伦兹力为：
F＝M’I2，
其中I为电流，M为两个线圈(即电磁负载a和电磁负载b)之间的互感，M’＝dM/dz，z为电磁负载a的运动方向。
此洛伦兹力直接作用到冲击平台2上，冲击平台2被加速，冲击平台可获得的加速度a即为：
a＝F/m，其中m为冲击震动环境模拟设备运动部分的总质量(运动部分指图1中被测试件、冲击平台2，电磁负载a3，缓冲缸系统/冲击平台导向机构8等运动部件，即为被测试件1、冲击平台2、电磁负载a3、缓冲缸系统/冲击平台导向机构8的运动部件的质量之和)。
由此可见，当冲击震动环境模拟设备中运动部分的总质量不变时，电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备的冲击平台获得的加速度与电磁负载所通过的脉冲电流的平方成正比。
进一步，所述电磁负载a3和电磁负载b4内脉冲电流和线圈匝数的乘积安匝数取值范围为兆安匝级，电磁负载a3和电磁负载b4内脉冲电流相互作用产生的洛伦兹力的范围为兆牛量级，冲击平台2的质量取值范围为吨量级时，可获得的峰值加速度为数百倍重力加速度。
进一步，由于冲击平台获得的加载力仅受电磁负载上的电流密度(结构强度)以及冲击平台的结构强度限制，根据公式a＝F/m，F＝M’I2，当被测试件1、冲击平台2、电磁负载a3、缓冲缸系统/冲击平台导向机构8等运动部件的质量之和m取2000kg，且电磁负载a和电磁负载b之间的互感M’取0.045H/m、且脉冲电流I取15kA，脉宽取6ms时，本冲击试验设备可实现的冲击加速度能达5000m/s2以上、速度能达18m/s以上。
本发明电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备获得的加载波形仅与脉冲电源放电参数、电磁负载(线圈)、设备运动部分的质量相关，通常设备的电磁负载(线圈)的参数是不变的。即，本发明装置中，对于同一被测试件，加载波形脉宽、峰值的调整仅通过调整脉冲电源的储能元件参数(即电容器的放电电容量和充电电压)即可实现，相比其他储能方式，加载波形的可调控精度和重复性更高。
本发明电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备通过向特定的电磁负载释放电磁能，由电磁负载产生的洛伦兹力直接作用到冲击平台上，该设备具有以下优点：采用电磁能直接驱动；平台可实现的冲击加速度和速度更高；加载波形可控性、可重复性更高。相比传统的冲击试验设备，本发明冲击平台直接被加速，没有“冲击锤获得势能作用到波形发生器，再传递给冲击平台”这一中间过程，冲击平台可获得的冲击加速度不再受这一中间过程的制约，从而可获得更高冲击加速度和速度。
实施例1
本实施例的电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备。设备运动部分总重量设计为2000kg，本实施例可实现的最高冲击加速度及速度取值情况如图3所示，其中最高冲击加速度可达5000m/s2，最大速度值可达18m/s，设计的试验设备的电磁负载上的脉冲放电电流波形、平台的加速度、速度和位移波形如图2-3所示。
本发明通过改变脉冲电源的放电电容量和放电电压，对相同运动部分质量，被试设备可获得不同的加载波形(加速度峰值和脉宽)。对于固定的电磁负载，电磁负载所产生的洛伦兹力仅与放电电流相关，而放电电流波形主要受放电电容量、放电电压的影响，因此被试设备可获的加载波形的可控性高、可重复性高，能更好的满足大型特定场景冲击震动防护研究的需求。
Claims (6)
1.一种基于电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，其特征在于，所述设备包括用于承载被测试件(1)的冲击平台(2)，电磁负载a(3)，电磁负载b(4)，基础(5)，基础隔震系统(6)，基座(7)，缓冲缸系统/冲击平台导向机构(8)，四周基础(9)以及远离冲击平台的脉冲电源系统(10)，电磁负载a(3)、电磁负载b(4)与脉冲电源系统(10)之间通过电缆(11)连接，具体连接关系是：基础(5)通过基础隔震系统(6)与基座(7)固定安装，电磁负载a(3)、电磁负载b(4)通过电缆连接于脉冲电源系统(10)，电磁负载b(4)固定于基础(5)上，电磁负载a(3)固定于冲击平台(2)下方，缓冲缸系统/冲击平台导向机构(8)安装于冲击平台(2)的四周，缓冲缸系统/冲击平台导向机构(8)固定于四周基础(9)上。
2.如权利要求1所述的电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，其特征在于，所述脉冲电源系统(10)主要包括脉冲电源、充电电源及测控系统。
3.如权利要求1所述的电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，其特征在于，所述脉冲电源系统(10)通过电缆向电磁负载a(3)和电磁负载b(4)脉冲放电，电磁负载a(3)和电磁负载b(4)内通过脉冲电流，电流相互作用产生洛伦兹力。
4.如权利要求1或3所述的电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，其特征在于，所述冲击平台(2)可获得的加速度a为：a＝F/m，其中，m为冲击震动环境模拟设备运动部分的总质量，即为被测试件(1)、冲击平台(2)、电磁负载a(3)、缓冲缸系统/冲击平台导向机构(8)的运动部件的质量之和；F为电磁负载a(3)和电磁负载b(4)内通过的脉冲电流相互作用产生的洛伦兹力，F＝M’I2，其中I为电流，M为电磁负载a(3)和电磁负载b(4)之间的互感，M’为M对被测试件运动方向的梯度。
5.如权利要求1或4所述的电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，其特征在于，所述电磁负载a(3)和电磁负载b(4)内脉冲电流和线圈匝数的乘积取值范围为兆安匝级；所述电磁负载a(3)和电磁负载b(4)内脉冲电流相互作用产生的洛伦兹力的范围为兆牛顿量级；所述冲击平台(2)的质量取值范围为吨量级。
6.如权利要求1或4所述的电磁驱动的大载荷冲击震动环境模拟试验设备，其特征在于，所述冲击平台(2)的冲击加速度大于等于5000m/s2，速度大于等于20m/s。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |