CN113218996B - 一种用于落锤仪的驱动加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于落锤仪的驱动加载装置，涉及含能材料在低应变率高撞击能量条件下感度性能测试及点火反应机理研究技术领域，包括：驱动加载箱以及设置在驱动加载箱中的双轴动力模块、能量转换模块、锁紧释放模块和能量缓冲模块；所述双轴动力模块通过能量转换模块支撑在驱动加载箱下底板的上方，锁紧释放模块设置在驱动加载箱下底板的中心通孔中，能量缓冲模块设置在驱动加载箱下底板的上表面；其中，能量缓冲模块用于对能量转换模块撞击锁紧释放模块进行缓冲。

Description

一种用于落锤仪的驱动加载装置

技术领域

本发明涉及含能材料在低应变率高撞击能量条件下感度性能测试及点火反应机理研究技术领域，具体涉及一种用于落锤仪的驱动加载装置。

背景技术

感度(炸药在外界机械作用或热加载等单一或耦合刺激下，发生爆炸反应的难易程度叫做炸药的敏感度，简称感度，炸药感度的高低以激起炸药爆炸反应所需的起爆能大小来衡量) 是战斗部装药中炸药或固体火箭发动机中推进剂等在内的含能材料是否实用的关键性能之一，是炸药安全性和使用可靠性的标准。低速撞击感度试验用于测定炸药受到机械撞击时发生燃烧或爆炸的难易程度。落锤试验的目的是了解炸药受机械撞击发生爆炸的难易程度，测定时，以一定高度下不同质量的重锤做自由落体运动撞击炸药，观察炸药受撞击后的反应。这种实验方法具有操作简单，成本低廉的优点。100多年来，撞击感度的判据发展经历了以下三个阶段：(1)一定试验条件(如落锤质量、落锤高度)下，利用爆炸概率判断撞击感度； (2)利用特性落高判断撞击感度(特性落高H₅₀，相应于爆炸概率50％的落高值)；(3)在爆炸时，利用炸药层内形成的临界压力和临界厚度判断撞击感度。这三个阶段都能判断传统落锤在一定高度下做自由落体运动的撞击感度。然而，传统落锤撞击感度试验常用的高度为 1.8m，由于轨道的摩擦阻力较大，导致最终的落锤撞击速度约为2-6m/s，该撞击速度值大小限制了低速范围撞击感度的研究；常见落锤的质量有2kg、5kg和10kg，这也导致了撞击能量较低，限制了落锤撞击感度装置(即落锤仪)对低感度炸药片或推进剂药片等含能材料的研究；此外，国内外学者对传统落锤仪器进行光路改进，可结合高速摄像仪依据透射光原理实现对单质炸药全过程的拍摄和记录，研究单质炸药的各项性能，但由于复合炸药或推进剂在加载过程中只能依靠反射光进行记录整个实验过程，无法实现对复合炸药的研究，因而需要做进一步的改进。最后由于落锤仪无自动控制功能等装置自身的弊端，导致实验过程中的测试精度误差较大的问题比较突出。

如图1所示，法国火炸药公司为了测定火炸药的装药感度，设计了一种大型的落锤仪，该装置的最大高度为1.22m，落锤为30kg，自由落体可实现的最大落高为4m。该落锤仪测定火炸药装药感度的方法被北大西洋公约集团(NATO)作为炸药装药标准试验方法，也成为联合国危险品分级方法中的撞击感度方法。

1980年，有一种大药量药片撞击感度测定法，用(24±0.02)kg的重锤从不同高度进行冲击，以测定其感度下限。该方法通过提升落锤的质量来提升撞击能量。

国内代晓淦等人设计建立了一种炸药大药片撞击感度试验方法，如图2所示，试验装置包括：支架1、电磁铁2、释放器3、落锤4(或重锤)和目标物5，利用该试验装置进行落锤撞击感度试验的方法中，落锤质量达20kg、落高度为0-15m，对规格20mm×5mm、重约2.8g的大药片进行撞击感度测试；该装置通过提升落锤的高度实现撞击速度值的提高，进而提升撞击能。

综上可知，世界各国已发展了多种形式落锤仪，最大下落高为4m，最大速度约9m/s，仅能表明炸药在一定低速范围内撞击作用时是否容易点火。

国内外许多研究机构对传统落锤仪进行过一些改造，来增加落锤仪的撞击速度值和撞击能量值，测试低感度炸药片和推进剂药片的撞击感度，获取含能材料受落锤低速宽撞击能撞击期间的各项数据，这些实验数据对于分析炸药试样在落锤低速撞击时的力学性能具有很重要的参考价值。

然而，传统的落锤仪功能简单，可以改变的物理量仅有落锤释放的高度以及落锤的重量，且仅能实现一定范围内速度(2-6m/s)撞击感度试验的研究。同时，增加落锤释放的高度会造成以下弊端：落锤仪体量大，重锤下落高度精度变差、重锤下落所受阻力变大、降低作用速度以致整体功能下降等，使传统的落锤撞击感度装置只能完成常规的非精度定性试验，无法完成高精度定量试验，且由于重锤重量和高度的增加会造成使用过程中危险系数较大。国内外在符合各标准等相关要求的前提下，提高落锤冲击速度的主要方式为提高导轨的高度实现落锤释放的高度或选用高品质导轨降低摩擦力以提高落锤的速度，提高落锤撞击能量的方式为增加落锤的重量。尚未提出并设计能够与落锤撞击感度仪相结合使落锤撞击速度在质的方面有一个提升的方式或方法，进而从质的方面提高落锤撞击能量值。

要准确评判炸药材料在低速高撞击能量作用下的感度，急需提升落锤的撞击速度和撞击能量，以便观测热点形成、长大、点火、燃烧波传播以及剧烈燃烧或爆炸的整个低速撞击过程的机理响应，同时满足低速范围感度试验研究以及扩展高撞击能量作用下的研究内容和研究范围。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种用于落锤仪的驱动加载装置，能够延伸落锤仪撞击感度实验的低速范围，并提高撞击能量，从而扩展了撞击感度试验的研究内容和研究范围。

本发明的技术方案为：一种用于落锤仪的驱动加载装置，包括：驱动加载箱以及设置在驱动加载箱中的双轴动力模块、能量转换模块、锁紧释放模块和能量缓冲模块；所述双轴动力模块通过能量转换模块支撑在驱动加载箱下底板的上方，锁紧释放模块设置在驱动加载箱下底板的中心通孔中，能量缓冲模块设置在驱动加载箱下底板的上表面；其中，能量缓冲模块用于对能量转换模块撞击锁紧释放模块进行缓冲。

优选地，所述能量转换模块包括：动力弹簧柱，动力源支撑轴，凸起，驱动动力源连接板，支耳，弹簧上底板，动力弹簧和弹簧下底板；能量缓冲模块包括：缓冲弹簧柱和缓冲弹簧；

所述弹簧上底板和弹簧下底板之间设有一根以上动力弹簧柱，每根动力弹簧柱一端固定在弹簧上底板上，另一端贯穿弹簧下底板，并同轴套装有一个动力弹簧，每个动力弹簧轴向两端分别支撑在弹簧上底板和弹簧下底板之间；驱动加载箱下底板上表面固定四个以上缓冲弹簧柱，每个缓冲弹簧柱上端与弹簧下底板之间预留设定距离，并同轴套装一个缓冲弹簧，每个缓冲弹簧轴向两端分别支撑在弹簧下底板和驱动加载箱下底板之间，两根以上动力源支撑轴贯穿弹簧上底板和弹簧下底板支撑在驱动加载箱下底板和驱动动力源连接板之间；其中，驱动动力源连接板作为驱动加载箱的上盖板，位于弹簧上底板之上，双轴动力模块的两个加载轴分别贯穿驱动动力源连接板，对侧设置在驱动动力源连接板上；两个支耳与双轴动力模块的两个加载轴对应固定在弹簧上底板的上表面，且双轴动力模块的每个加载轴与对应支耳的两耳片之间的连接轴垂直连接。

优选地，所述弹簧上底板和弹簧下底板均为圆盘形结构板，二者之间设有四根以上的偶数根动力弹簧柱，且所有动力弹簧柱沿周向均匀分布。

优选地，所述弹簧下底板和驱动加载箱下底板之间设有八根缓冲弹簧柱，且所有缓冲弹簧柱沿周向均匀布置为两圈。

优选地，每根所述动力弹簧的外径为50mm，内径为25mm，自由长度为500mm，可压缩长度为200mm。

优选地，每根所述缓冲弹簧的外径为40mm，内径为20mm，自由长度为200mm，可压缩量为80mm。

优选地，所述弹簧下底板的下底面中心设有凸起，用于与锁紧在锁紧释放模块中心的落锤接触。

优选地，所述驱动加载箱内壁设有凹槽，所述能量转换模块安装在其内壁面上。

优选地，所述双轴动力模块由两个含有内置式位移传感器的电液推杆组成，其推力为80KN，行程精度为0.05mm，压缩量为200mm。

优选地，所述双轴动力模块和锁紧释放模块分别与电控柜连接。

有益效果：

本发明所设计的驱动加载装置可获得传统落锤仪无法获得的速度值、撞击能量值、精度值以及自动控制的功能；应用于含能材料(炸药或推进剂)复合应力刺激作用领域中，扩展了试验研究对象和研究内容；同时，本发明提出的用于落锤仪的驱动加载装置，解决了传统落锤仪只能通过控制落锤释放的高度来增加速度以及通过改变落锤质量和释放高度提升撞击能量的难题；同时也解决了传统落锤仪体量较大，不便于移动，操作繁琐，落锤下落高度计算误差较大，整体功能较为单一的难题；

另外，本发明的驱动加载装置在设计过程中遵循模块化设计的原则，将驱动加载装置分为五大模块进行设计，各模块之间既相互独立又相互作用，使驱动加载装置具有精度高、自动化的功能，最后能够与现有技术中的落锤仪结合，实现对战斗部装药中复合炸药以及固体火箭发动机中推进剂在内的含能材料的研究。

附图说明

图1为现有技术中联合国危险品分级方法中落锤仪的示意图。

图2为现有技术中代晓淦等人设计的落锤仪的示意图。

图3为本发明提出的驱动加载装置的局部右视图。

图4为本发明提出的驱动加载装置中高精度能量转换模块的左视图。

图5为本发明提出的驱动加载装置中高精度能量转换模块的正等轴测图。

图6为本发明提出的驱动加载装置中锁紧释放模块的装配效果图，(1)俯视图，(2)仰视图，(3)正等轴测图，(4)左视图。

图7为载有本发明提出的驱动加载装置的落锤仪的示意图。

其中，1-支架，2-电磁铁，3-释放器，4-落锤，5-目标物，6-双轴动力模块，7-高精度能量转换模块，7.1-动力弹簧柱，7.2-动力源支撑轴，7.3-凸起，7.4-驱动动力源连接板，7.5-支耳，7.6-弹簧上底板，7.7-动力弹簧，7.8-弹簧下底板，8-锁紧释放模块，9-能量缓冲模块，9.1- 缓冲弹簧柱，9.2-缓冲弹簧，10-驱动加载装置，11-落锤仪，12-驱动加载箱下底板。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种用于落锤仪的驱动加载装置，驱动落锤的撞击速度可达20m/s，能够延伸落锤仪撞击感度实验的低速范围，并提高撞击能量，从而扩展了撞击感度试验的研究内容和研究范围。

该驱动加载装置10包括：驱动加载箱以及设置在驱动加载箱中的双轴动力模块6、高精度能量转换模块7、锁紧释放模块8和能量缓冲模块9；如图3所示，双轴动力模块6通过高精度能量转换模块7支撑在驱动加载箱下底板12的上方，锁紧释放模块8设置在驱动加载箱下底板12的中心通孔中，能量缓冲模块9设置在驱动加载箱下底板12的上表面；其中，能量缓冲模块9用于对高精度能量转换模块7撞击锁紧释放模块8进行缓冲，防止锁紧释放模块8受到高精度能量转换模块7撞击而损坏以及提升高精度能量转换模块7的寿命。

本实施例中，驱动加载箱是一个内壁设有凹槽、底部(驱动加载箱下底板12)中心开孔的箱体；其作用一是内置高精度能量转换模块7、锁紧释放模块8、能量缓冲模块9以及落锤 4；二是保护高精度能量转换模块7，提高其使用寿命。

本实施例中，双轴动力模块6由两个含有内置式位移传感器的电液推杆(优选型号为 DYTP 8000-200/50-2)组成，其推力为80KN，行程精度为0.05mm，压缩量为200mm。

本实施例中，如图4和图5所示，高精度能量转换模块7包括：动力弹簧柱7.1，动力源支撑轴7.2，凸起7.3，驱动动力源连接板7.4，支耳7.5，弹簧上底板7.6，动力弹簧7.7和弹簧下底板7.8；能量缓冲模块9包括：缓冲弹簧柱9.1和缓冲弹簧9.2；

弹簧上底板7.6和弹簧下底板7.8均为圆盘形结构板，二者之间设有一根以上(优选四根以上的偶数根，且沿周向均匀分布)动力弹簧柱7.1，且每根动力弹簧柱7.1一端固定在弹簧上底板7.6上，另一端穿过弹簧下底板7.8对应位置处设置的通孔，并同轴套装有一个动力弹簧7.7(每个动力弹簧7.7为压簧，其轴向两端分别支撑在弹簧上底板7.6和弹簧下底板7.8 之间)，通过压缩动力弹簧7.7使高精度能量转换模块7储存势能，动力弹簧柱7.1既可以为动力弹簧7.7导向，防止动力弹簧7.7作用时发生弯曲导致能量损失，又可以提高高精度能量转换模块7的安全性；驱动加载箱下底板12的上表面固定四个以上(优选八个，且沿周向均匀布置为两圈)缓冲弹簧柱9.1，且每个缓冲弹簧柱9.1上端与弹簧下底板7.8的下表面之间预留设定距离，并同轴套装一个缓冲弹簧9.2(每个缓冲弹簧9.2为压簧，其轴向两端分别支撑在弹簧下底板7.8和驱动加载箱下底板12之间)，两根以上(优选三根且沿周向均匀分布) 动力源支撑轴7.2贯穿弹簧上底板7.6和弹簧下底板7.8支撑在驱动加载箱下底板12和驱动动力源连接板7.4之间；其中，驱动动力源连接板7.4作为驱动加载箱的上盖板，位于弹簧上底板7.6之上，双轴动力模块6的两个加载轴分别贯穿驱动动力源连接板7.4，对侧设置在驱动动力源连接板7.4上；两个支耳7.5与双轴动力模块6的两个加载轴对应固定在弹簧上底板 7.6的上表面，且双轴动力模块6的每个加载轴与对应支耳7.5的两耳片之间的连接轴垂直连接，用于保证双轴动力模块6和高精度能量转换模块7同轴加载。

本实施例中，如图6所示，锁紧释放模块8的外形为圆柱形，其轴向贯通，锁紧释放模块8固定于驱动加载箱下底板12的中心通孔中，可以将落锤4由底部托起上升至贯通的锁紧释放模块8内部，从而能够实现能量转换过程中对落锤4的锁紧和释放；锁紧释放模块8包括：通过气路连接的气缸和电磁阀，使用电磁阀控制气路换向，通过气路的换向实现气缸的锁紧和释放。

本实施例中，每根动力弹簧7.7的外径为50mm，内径为25mm，自由长度为500mm，可压缩长度为200mm。

本实施例中，每根缓冲弹簧9.2的外径为40mm，内径为20mm，自由长度为200mm，可压缩量为80mm。

本实施例中，弹簧下底板7.8的下底面中心设有凸起7.3，用于与锁紧在锁紧释放模块8 中心的落锤4接触，从而将高精度能量转换模块7的势能转化为落锤4的动能。

如图7所示，装配时，首先将驱动加载箱置于落锤仪11的导轨上平面，并将驱动加载箱下底板12的中心孔与落锤仪11的中心对齐；之后安装能量缓冲模块9并将其置于中心孔的外侧；将贯通的锁紧释放模块8与驱动加载箱下底板12的中心孔对齐并固定在驱动加载箱下底板12的上表面；将高精度能量转换模块7安装于内壁设有凹槽的驱动加载箱的内壁面上，最后将双轴动力模块6的加载轴与高精度能量转换模块7的上盖板(驱动动力源连接板7.4) 相连，此时本实施例提出的用于落锤仪的驱动加载装置10装配完成，形成具有驱动加载装置的落锤仪。

使用时，首先，将落锤4托起至落锤仪11的顶部，操作锁紧释放模块8实现对落锤4的锁紧，随后通过操作与双轴动力模块6相连的电控柜，使双轴动力模块6动作，压缩高精度能量转换模块7中的动力弹簧7.7，产生弹性势能，并通过弹簧下底板7.8底部的凸起7.3将弹性势能转移到与其相接的落锤4上，再次操作电控柜，使锁紧释放模块8动作，实现对落锤4的释放，完成势能和动能的转换；最后通过电控柜显示落锤仪11中的激光测速装置所测量的落锤4的冲击速度值；通过搭配不同质量的落锤4，实现对不同撞击能量大小的控制；其中，电控柜的作用是将双轴动力模块6和锁紧释放模块8进行电连接以便于实现驱动加载装置10的自动和智能控制，从而提供试验所需的不同速度大小和撞击能量大小的组合；至此，一套载有自动控制功能的驱动加载装置10实施完成。

本实施例中，一方面，驱动加载装置10可将落锤4的速度提升到20m/s，配以传统的2kg、 5kg、10kg的落锤4可将撞击能量值大幅的提升；该驱动加载装置10的优点是提升了落锤4 的撞击速度值和撞击能量值，大大缩小了传统的落锤仪11的体量，便于整体移动；解决了传统落锤仪11高度测量精度差、阻力大的问题；这样一来，载有该驱动加载装置10的落锤仪延伸了撞击感度实验中的低速范围，提高了撞击能量，扩展了新型落锤仪的研究内容和研究范围(例如，由现有技术中单纯的单质炸药、部分复合炸药或推进剂感度的测试扩展到战斗部装药中复合炸药或固体火箭发动机推进剂点火机理的研究以及无需再使用石英颗粒强化刺激便可实现对低感度炸药片和推进剂药片的感度测试)；

另一方面，驱动加载装置10的设计及其与传统的落锤仪11的结合，改变了传统落锤仪 11的基本框架，外观上极大的缩减了传统落锤仪11的体积，减少了占有率，便于移动和运输。

本实施例中，我们将驱动加载装置10中双轴动力模块6和锁紧释放模块8与电控柜结合，实现了驱动加载操作的自动化以及加载精度的控制；通过对控制柜界面操作，便可实现落锤 4自动提升-锁紧释放模块8执行锁紧功能-双轴动力模块6加载-高精度能量转换模块7进行能量转换-锁紧释放模块8执行释放功能-显示落锤4的速度值等操作，其中，速度值是通过落锤仪11导轨底部的激光测速装置进行采集。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，包括：驱动加载箱以及设置在驱动加载箱中的双轴动力模块(6)、能量转换模块、锁紧释放模块(8)和能量缓冲模块(9)；所述双轴动力模块(6)通过能量转换模块支撑在驱动加载箱下底板(12)的上方，锁紧释放模块(8)设置在驱动加载箱下底板(12)的中心通孔中，能量缓冲模块(9)设置在驱动加载箱下底板(12)的上表面；其中，能量缓冲模块(9)用于对能量转换模块撞击锁紧释放模块(8)进行缓冲；所述锁紧释放模块(8)的外形为圆柱形，其轴向贯通，包括：通过气路连接的气缸和电磁阀；

所述能量转换模块包括：动力弹簧柱(7.1)，动力源支撑轴(7.2)，凸起(7.3)，驱动动力源连接板(7.4)，支耳(7.5)，弹簧上底板(7.6)，动力弹簧(7.7)和弹簧下底板(7.8)；能量缓冲模块(9)包括：缓冲弹簧柱(9.1)和缓冲弹簧(9.2)；

所述弹簧上底板(7.6)和弹簧下底板(7.8)之间设有一根以上动力弹簧柱(7.1)，每根动力弹簧柱(7.1)一端固定在弹簧上底板(7.6)上，另一端贯穿弹簧下底板(7.8)，并同轴套装有一个动力弹簧(7.7)，每个动力弹簧(7.7)轴向两端分别支撑在弹簧上底板(7.6)和弹簧下底板(7.8)之间；驱动加载箱下底板(12)上表面固定四个以上缓冲弹簧柱(9.1)，每个缓冲弹簧柱(9.1)上端与弹簧下底板(7.8)之间预留设定距离，并同轴套装一个缓冲弹簧(9.2)，每个缓冲弹簧(9.2)轴向两端分别支撑在弹簧下底板(7.8)和驱动加载箱下底板(12)之间，两根以上动力源支撑轴(7.2)贯穿弹簧上底板(7.6)和弹簧下底板(7.8)支撑在驱动加载箱下底板(12)和驱动动力源连接板(7.4)之间；其中，驱动动力源连接板(7.4)作为驱动加载箱的上盖板，位于弹簧上底板(7.6)之上，双轴动力模块(6)的两个加载轴分别贯穿驱动动力源连接板(7.4)，对侧设置在驱动动力源连接板(7.4)上；两个支耳(7.5)与双轴动力模块(6)的两个加载轴对应固定在弹簧上底板(7.6)的上表面，且双轴动力模块(6)的每个加载轴与对应支耳(7.5)的两耳片之间的连接轴垂直连接；

所述双轴动力模块(6)由两个含有内置式位移传感器的电液推杆组成。

2.如权利要求1所述的用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，所述弹簧上底板(7.6)和弹簧下底板(7.8)均为圆盘形结构板，二者之间设有四根以上的偶数根动力弹簧柱(7.1)，且所有动力弹簧柱(7.1)沿周向均匀分布。

3.如权利要求2所述的用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，所述弹簧下底板(7.8)和驱动加载箱下底板(12)之间设有八根缓冲弹簧柱(9.1)，且所有缓冲弹簧柱(9.1)沿周向均匀布置为两圈。

4.如权利要求1所述的用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，每根所述动力弹簧(7.7)的外径为50mm，内径为25mm，自由长度为500mm，可压缩长度为200mm。

5.如权利要求1所述的用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，每根所述缓冲弹簧(9.2)的外径为40mm，内径为20mm，自由长度为200mm，可压缩量为80mm。

6.如权利要求1所述的用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，所述弹簧下底板(7.8)的下底面中心设有凸起(7.3)，用于与锁紧在锁紧释放模块(8)中心的落锤(4)接触。

7.如权利要求1所述的用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，所述驱动加载箱内壁设有凹槽，所述能量转换模块安装在其内壁面上。

8.如权利要求1所述的用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，所述双轴动力模块(6)的推力为80KN，行程精度为0.05mm，压缩量为200mm。

9.如权利要求1所述的用于落锤仪的驱动加载装置，其特征在于，所述双轴动力模块(6)和锁紧释放模块(8)分别与电控柜连接。

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