CN113983863A - 一种基于电磁加载的冲击测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁加载的冲击测试装置及方法，涉及冲击炮试验装置领域，所述冲击测试装置包括电源控制部件、初级线圈、次级线圈和缓冲部件；电源控制部件与初级线圈连接，电源控制部件用于调节加载至初级线圈上的电压值，使得初级线圈产生变化的第一磁场；初级线圈设置在缓冲部件上；次级线圈的一面与初级线圈贴合设置，次级线圈的另一面设置有固定炮弹的位置区域；在工作时，将炮弹安装在位置区域上，且在初级线圈产生第一磁场后，次级线圈产生第二磁场；当第一磁场变化调整时，能够使第一磁场与第二磁场之间产生冲击测试试验所需要的互斥推力。本发明提供的冲击测试装置及方法降低安全隐患的同时，提高实验准确度和稳定性。

Description

一种基于电磁加载的冲击测试装置及方法

技术领域

本发明涉及冲击炮试验装置技术领域，特别是涉及一种基于电磁加载的冲击测试装置及方法。

背景技术

在国防和工业生产中，尤其是在航空工业中，经常要对实验对象进行冲击试验(包括：机载飞行数据记录器试验，飞机结构抗鸟撞试验等)。其中，机载飞行数据记录器试验为：依据HB6436-1990机载飞行数据记录器最低性能标准进行冲击实验，并要求机载飞行数据记录器(俗称“黑匣子”)在受到施加在其三个正交主轴的每个轴上、持续时间至少5ms、峰值加速度量级为9806.65m/s²(1000g)的半正弦波的冲击后，记录介质上所记录的数据信号仍能被分析。

目前冲击试验所用的装置都是采用空气炮加载冲击，即利用压缩空气的方法将炮弹打出，但是这种装置对气密性要求特别高。然而，现有空气炮发射装置采用电磁阀或活塞气阀，会使得装置反应慢、响应时间长、气体释放精度差、耗损大。另外，高压气体使用存在安全隐患，如采用破膜式气体释放时，金属膜片破裂后会随高速弹体一起运动，不仅存在安全隐患，还存在重复精度差，耗损很大，还很难保证发射气流的均匀作用的缺点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电磁加载的冲击测试装置及方法，降低安全隐患的同时，提高实验准确度和稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于电磁加载的冲击测试装置，所述冲击测试装置包括电源控制部件、初级线圈、次级线圈和缓冲部件；

所述电源控制部件与所述初级线圈连接，所述电源控制部件用于调节加载至所述初级线圈上的电压值，使得所述初级线圈产生变化的第一磁场；

所述初级线圈设置在所述缓冲部件上；

所述次级线圈的一面与所述初级线圈贴合设置，所述次级线圈的另一面设置有固定炮弹的位置区域；

在工作时，将炮弹安装在所述位置区域上，且在所述初级线圈产生第一磁场后，所述次级线圈产生第二磁场；当所述第一磁场变化调整时，能够使所述第一磁场与所述第二磁场之间产生冲击测试试验所需要的互斥推力；所述互斥推力包括作用力和反作用力；所述作用力作用于所述炮弹，所述反作用力作用于所述缓冲部件。

可选地，所述缓冲部件包括质量块、缓冲器、弹性组件和支架；

所述缓冲器的一端与所述质量块连接，所述缓冲器的另一端与所述支架连接；所述支架用于固定所述缓冲器；

所述弹性组件套设在所述缓冲器上，且所述弹性组件的一端与所述质量块连接，所述弹性组件的另一端与所述支架连接；

所述质量块用于固定所述初级线圈。

可选地，所述冲击测试装置还包括定位部件；

所述定位部件的一端设置在所述质量块上，所述定位部件的另一端设置所述初级线圈。

可选地，所述缓冲器的数量为4个；所述弹性组件的数量为4个。

可选地，所述电源控制部件包括升压变压器、整流桥、限流电阻、平波电感、脉冲电容、续流二极管和放电可控硅；

所述升压变压器与所述整流桥连接；

所述整流桥的负极与所述限流电阻的正极连接，所述整流桥的正极与所述初级线圈的负极连接；所述限流电阻的负极与所述平波电感的正极连接；所述平波电感的负极与所述放电可控硅的正极连接；所述放电可控硅的负极与所述初级线圈的正极连接；

所述脉冲电容与所述续流二极管并联，且第一正极与所述平波电感的负极连接，第一负极与所述整流桥的正极连接；所述第一正极为所述脉冲电容和所述续流二极管并联后的正极，所述第一负极为所述脉冲电容和所述续流二极管并联后的负极。

可选地，所述整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管、第一整流可控硅和第二整流可控硅；

所述第一整流可控硅与所述第一整流二极管串联得到第一回路，所述第二整流可控硅与所述第二整流二极管串联得到第二回路，所述第一回路与所述第二回路并联形成整流桥；

所述升压变压器的输出端分别与所述第一整流可控硅的正极、所述第二整流可控硅的正极连接。

可选地，所述冲击测试装置还包括炮管和炮管支架；

所述炮管支架用于支撑所述炮管；

所述炮管套设在所述初级线圈上，所述炮管用于在工作时，将所述炮弹导出至所述冲击测试试验的待冲击试验件。

为实现上述目的，本发明还提供了如下技术方案：

一种应用于基于电磁加载的冲击测试装置的冲击测试方法，所述冲击测试方法包括：

获取加载至初级线圈上的当前电压值；

根据所述当前电压值，计算第一磁场与第二磁场之间产生的互斥推力；所述第一磁场为所述初级线圈产生的磁场；所述第二磁场为次级线圈产生的磁场；

判断所述互斥推力与标准值之间的差值是否小于或者等于设定阈值；

若所述互斥推力与标准值之间的差值小于或者等于设定阈值，则将所述当前电压值加载至所述初级线圈上；

若所述互斥推力与标准值之间的差值大于设定阈值，则调节所述当前电压值，返回步骤根据所述当前电压值，计算第一磁场与第二磁场之间产生的互斥推力。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明通过电源控制部件调节加载至初级线圈上的电压值，使得初级线圈产生变化的第一磁场；次级线圈的一面与初级线圈贴合设置，次级线圈的另一面设置有固定炮弹的位置区域；工作时，将炮弹安装在次级线圈上的位置区域，当初级线圈产生的第一磁场发生变化时，第一磁场与次级线圈产生的第二磁场之间产生冲击测试试验所需要的互斥推力，从而实现了对互斥推力的精准调节，提高了实验精度；此外，互斥推力中的作用力作用于炮弹，互斥推力中的反作用力作用于缓冲部件，使得工作时，炮弹与缓冲部件同时受到力的作用，使得整个装置受力平衡，提高了装置的稳定性。并且，本发明冲击测试装置所采用的的电磁加载相对于空气加载，不受气流不均的影响，且不需要高压储气室，安全性高、可控性好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于电磁加载的冲击测试装置的结构示意图；

图2为本发明基于电磁加载的冲击测试装置中次级线圈与炮弹的安装示意图；

图3为本发明基于电磁加载的冲击测试装置中装弹口盖的示意图；

图4为本发明基于电磁加载的冲击测试装置中缓冲装置的示意图；

图5为本发明基于电磁加载的冲击测试装置中炮弹和炮管的尺寸图；

图6为本发明基于电磁加载的冲击测试方法的流程图；

图7为本发明3kg炮弹在2000V电压下所受电磁力、发射速度-时间曲线图。

符号说明：

1—升压变压器，D1—第一整流二极管，D2—第二整流二极管，M1—第一整流可控硅，M2—第二整流可控硅，2—整流桥，3—限流电阻，4—平波电感，5—脉冲电容，6—续流二极管，7—放电可控硅，8—炮管，9—初级线圈，10—次级线圈，11—炮弹，12—质量块，13—压缩弹簧，14—液压阻尼缓冲器，15—定位部件，16—支架，17—炮管支架，18—试验台，19—装弹口盖，20—待冲击试验件。

具体实施方式

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案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于电磁加载的冲击测试装置及方法，主要用于材料、结构及仪器设备的抗冲击试验，设备操作简便，重复性好，安全性高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种基于电磁加载的冲击测试装置，所述冲击测试装置包括电源控制部件、初级线圈9、次级线圈10和缓冲部件；所述电源控制部件与所述初级线圈9连接，所述电源控制部件用于调节加载至所述初级线圈9上的电压值，使得所述初级线圈9产生变化的第一磁场。其中，初级线圈9为圆柱状饼形线圈，由铜带和树脂缠绕而成，初级线圈9的两端接均与所述电源控制部件的电缆线连接。

所述初级线圈9设置在所述缓冲部件上；所述次级线圈10的一面与所述初级线圈9贴合设置，所述次级线圈10的另一面设置有固定炮弹的位置区域。具体地，所述次级线圈10的前端中心凸出空心螺纹柱和炮弹11螺接；对应地，所述炮弹11的底部为平面，且底部的中心有一凹槽，炮弹11通过凹槽与次级线圈10螺接，所述炮弹11的前端为半球状。

在工作时，将炮弹11安装在所述位置区域上，且在所述初级线圈9产生第一磁场后，所述次级线圈10产生第二磁场；当所述第一磁场变化调整时，能够使所述第一磁场与所述第二磁场之间产生冲击测试试验所需要的互斥推力；所述互斥推力包括作用力和反作用力；所述作用力作用于所述炮弹11，所述反作用力作用于所述缓冲部件。

如图2所示，在具体实施例中，次级线圈10的尺寸一定，可通过改变炮弹11的底部尺寸，并将炮弹11螺接在次级线圈10上，进而实现对不同重量炮弹的冲击测试试验。

具体地，如图4所示，所述缓冲部件包括质量块12、缓冲器、弹性组件和支架16；所述缓冲器的一端与所述质量块12连接，所述缓冲器的另一端与所述支架16连接；所述支架16用于固定所述缓冲器；所述弹性组件套设在所述缓冲器上，且所述弹性组件的一端与所述质量块12连接，所述弹性组件的另一端与所述支架16连接；所述质量块12用于固定所述初级线圈9，具体地，所述质量块12与所述初级线圈9螺栓连接。

进一步地，所述缓冲器为液压阻尼缓冲器14，且所述液压阻尼缓冲器14的数量为4个；具体地，所述液压阻尼缓冲器14的一端与质量块12内的螺纹孔螺纹连接，所述液压阻尼缓冲器14的另一端通过螺母固定在支架16上。所述弹性组件为弹簧13，且所述弹簧13的数量为4个；所述弹簧13分别套在液压阻尼缓冲器14上，所述弹簧的一端和质量块12上的弹簧座接触，所述弹簧的另一端与支架16上的弹簧座接触。所述弹簧13的作用为缓冲和复位；所述液压缓冲阻尼器14的作用为缓冲减振。

所述支架16与试验台18螺栓固联，所述支架16用于同时固定液压阻尼缓冲器14和弹簧13。

进一步地，所述冲击测试装置还包括定位部件15；所述定位部件15的一端设置在所述质量块12上，所述定位部件15的另一端设置所述初级线圈9。具体地，所述定位部件15的底部为一圆柱，且所述圆柱的一端与质量块12螺栓连接，所述圆柱的另一端的中间凸出长轴，所述长轴为定位轴。所述定位轴依次穿过初级线圈9的中心、次级线圈10的凹槽，进而将炮弹11定位在炮管8的中心，且保证次级线圈10与初级线圈9贴合紧密。

在本发明具体实施例中，冲击测试装置中的炮管上设置有装弹口盖19，如图3所示，装弹口盖19为略大于炮筒8直径1/2的口盖，所述装弹口盖19的前端设置有把手，通过把手将口盖打开与闭合，用于装弹。

优选地，所述电源控制部件包括升压变压器1、整流桥2、限流电阻3、平波电感4、作为储能装置的脉冲电容5、续流二极管6和作为放电开关的放电可控硅7；所述升压变压器1与所述整流桥2连接；所述整流桥2的负极与所述限流电阻3的正极连接，所述整流桥2的正极与所述初级线圈9的负极连接；所述限流电阻3的负极与所述平波电感4的正极连接；所述平波电感4的负极与所述放电可控硅7的正极连接；所述放电可控硅7的负极与所述初级线圈9的正极连接；所述脉冲电容5与所述续流二极管6并联，且第一正极与所述平波电感4的负极连接，第一负极与所述整流桥2的正极连接；所述第一正极为所述脉冲电容5和所述续流二极管6并联后的正极，所述第一负极为所述脉冲电容5和所述续流二极管6并联后的负极。

具体地，所述整流桥包括第一整流二极管D1、第二整流二极管D2、第一整流可控硅M1和第二整流可控硅M2；所述第一整流可控硅与所述第一整流二极管串联得到第一回路，所述第二整流可控硅与所述第二整流二极管串联得到第二回路，所述第一回路与所述第二回路并联形成整流桥，防止充电电流过大的限流电阻，防止变压器启动时电流过大的平波电感；所述升压变压器的输出端分别与所述第一整流可控硅的正极、所述第二整流可控硅的正极连接。

进一步地，所述电源控制部件还包括：连接脉冲电容5和初级线圈9、起放电作用的电缆。

所述电源控制部件的具体工作过程如下：

交流电经升压变压器1、整流桥2变为直流电给脉冲电容5的两端充电，脉冲电容5充电完成后晶闸管闭合；脉冲电容5放电时，电压加载在初级线圈9上，使初级线圈9产生第一磁场，第一磁场引起和初级线圈9贴合的次级线圈10产生涡流，继而产生第二磁场；第一磁场与第二磁场相互作用，产生互斥推力，将炮弹发射出去，冲击待冲击试验件。

在一个具体实施例中，图5为本实施例中炮弹和炮管的尺寸图。所述冲击测试装置还包括炮管8和炮管支架17；所述炮管支架17用于支撑所述炮管8；所述炮管8套设在所述初级线圈9上，所述炮管8用于在工作时，将所述炮弹11导出至所述冲击测试试验的待冲击试验件20。

实施例二

如图6所示，本实施例提供一种应用于实施例一的基于电磁加载的冲击测试装置的冲击测试方法，所述冲击测试方法包括：

步骤100，获取加载至初级线圈上的当前电压值。

步骤200，根据所述当前电压值，计算第一磁场与第二磁场之间产生的互斥推力；所述第一磁场为所述初级线圈产生的磁场；所述第二磁场为次级线圈产生的磁场。

步骤300，判断所述互斥推力与标准值之间的差值是否小于或者等于设定阈值。具体地，所述标准值为冲击测试试验中，根据试验中炮弹所需的加速度、速度，计算出来的标准互斥推力。

步骤400，若所述互斥推力与标准值之间的差值小于或者等于设定阈值，则将所述当前电压值加载至所述初级线圈上。

步骤500，若所述互斥推力与标准值之间的差值大于设定阈值，则调节所述当前电压值，返回步骤根据所述当前电压值，计算第一磁场与第二磁场之间产生的互斥推力。具体地，若互斥推力与标准值之间的差值大于设定阈值，说明初级线圈与次级线圈产生的当前互斥推力并非本次冲击测试试验所需要的互斥推力，则需要对加载在初级线圈上的当前电压值进行调整，使得初级线圈与次级线圈产生的当前互斥推力符合冲击测试试验的要求。

在一个具体实施例中，所述冲击测试方法具体包括：

步骤一、将初级线圈9与电源控制部件的电缆连接，测试电源控制部件是否正常工作。

步骤二、将炮弹11和次级线圈10连接，打开装弹口盖19，将次级线圈10装在定位部件15的定位轴上，并和初级线圈9贴合紧密，关上装弹口盖19。

步骤三、打开电源控制系统，380V电压经升压变压器1，整流桥2，限流电阻3，平波电感4，达到所需直流电压并加载在脉冲电容5的两端，为脉冲电容5充电；同时电压表V实时监测脉冲电容5两端电压，直至充电完成。具体地，根据冲击测试试验要求的峰值加速度量级，速度，持续时间，计算所需要的互斥推力，进而根据互斥推力计算所需要的充电电压。

步骤四、打开放电可控硅7，脉冲电容5给初级线圈9充电，初级线圈9和次级线圈10电磁感应产生冲击测试试验所需要的互斥推力，互斥推力将炮弹11发射出炮筒8，撞击在待冲击试验件20上；同时发射炮弹11时产生的后坐力，经质量块12、压缩弹簧13、液压阻尼缓冲器14缓冲，最终消耗掉。

以上完成了一次冲击测试试验。

在试验过程中，根据公式

计算所述互斥推力的大小。

其中，F为互斥推力，r₁为初级线圈的半径，μ₀为真空磁导率，ω为衰减谐振圆频率，M为初级线圈与次级线圈之间的互感，N为初级线圈的匝数，α为初级线圈与次级线圈之间的间距，R₂为次级线圈的电阻，L₂为次级线圈的电感，C为所述电源控制部件内部的等效电容值，Uc为所述电源控制部件的充电电压，L为所述电源控制部件内部的等效电感值，i₁(t)＝I_me^-δtSinωt为初级线圈涡流，

为次级线圈涡流，

为初级线圈涡流与次级线圈涡流的乘积，

在进行多次试验时，可通过提高电容值C延长放电时间，降低加速度量级；通过提高充电电压，初级线圈匝数，提高发射速度；通过提高充电电压，增大脉冲电容5的电容值，可提高装置的发射能力，提高加载力，提高发射速度；通过增大脉冲电容5的电容值，提高放电时间，降低加速度量级。

具体地，在电压2000V，电容23.5Mf，初级线圈直径130mm，炮弹3kg等参数下，获得的放电过程为1.5ms内，电磁力峰值达到333KN，发射速度达到70m/s，加速度量级可达4000g以上，满足冲击试验要求，图7即为3kg炮弹在2000V电压下所受电磁力、发射速度-时间曲线图。

相对于现有技术，本发明还具有以下优点：

(1)本发明基于电磁加载的冲击装置利用电磁弹射的原理，将炮弹打出，冲击待冲击试验件。冲击测试装置采用的电磁加载，用电源系统代替高压储气室，技术成熟，安全隐患低，发射速度高；并且结构简单，操作方便，发射速度可通过充电电压和脉冲电容器的电容量可控可调，重复性高。

(2)本发明基于电磁加载的冲击装置根据电磁力公式，提高电容值和升高电压可使炮弹达到所需较高的发射速度；设备结构简单，操作方便，等待时间短，电磁冲击炮只需要10s就可充电完成，只需要按钮控制充放电既可。

(3)本发明基于电磁加载的冲击装置的试验效果精度高，重复性好，空气炮加载炮弹受气流不均影响，实验效果误差较大，电磁冲击炮可控可调，精确性较高；可实现不同重量的炮弹进行冲击试验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于电磁加载的冲击测试装置，其特征在于，所述冲击测试装置包括电源控制部件、初级线圈、次级线圈和缓冲部件；

所述电源控制部件与所述初级线圈连接，所述电源控制部件用于调节加载至所述初级线圈上的电压值，使得所述初级线圈产生变化的第一磁场；

所述初级线圈设置在所述缓冲部件上；

所述次级线圈的一面与所述初级线圈贴合设置，所述次级线圈的另一面设置有固定炮弹的位置区域；

在工作时，将炮弹安装在所述位置区域上，且在所述初级线圈产生第一磁场后，所述次级线圈产生第二磁场；当所述第一磁场变化调整时，能够使所述第一磁场与所述第二磁场之间产生冲击测试试验所需要的互斥推力；所述互斥推力包括作用力和反作用力；所述作用力作用于所述炮弹，所述反作用力作用于所述缓冲部件。

2.根据权利要求1所述的基于电磁加载的冲击测试装置，其特征在于，所述缓冲部件包括质量块、缓冲器、弹性组件和支架；

所述缓冲器的一端与所述质量块连接，所述缓冲器的另一端与所述支架连接；所述支架用于固定所述缓冲器；

所述弹性组件套设在所述缓冲器上，且所述弹性组件的一端与所述质量块连接，所述弹性组件的另一端与所述支架连接；

所述质量块用于固定所述初级线圈。

3.根据权利要求2所述的基于电磁加载的冲击测试装置，其特征在于，所述冲击测试装置还包括定位部件；

所述定位部件的一端设置在所述质量块上，所述定位部件的另一端设置所述初级线圈。

4.根据权利要求2所述的基于电磁加载的冲击测试装置，其特征在于，所述缓冲器的数量为4个；所述弹性组件的数量为4个。

5.根据权利要求1所述的基于电磁加载的冲击测试装置，其特征在于，所述电源控制部件包括升压变压器、整流桥、限流电阻、平波电感、脉冲电容、续流二极管和放电可控硅；

所述升压变压器与所述整流桥连接；

所述整流桥的负极与所述限流电阻的正极连接，所述整流桥的正极与所述初级线圈的负极连接；所述限流电阻的负极与所述平波电感的正极连接；所述平波电感的负极与所述放电可控硅的正极连接；所述放电可控硅的负极与所述初级线圈的正极连接；

所述脉冲电容与所述续流二极管并联，且第一正极与所述平波电感的负极连接，第一负极与所述整流桥的正极连接；所述第一正极为所述脉冲电容和所述续流二极管并联后的正极，所述第一负极为所述脉冲电容和所述续流二极管并联后的负极。

6.根据权利要求5所述的基于电磁加载的冲击测试装置，其特征在于，所述整流桥包括第一整流二极管、第二整流二极管、第一整流可控硅和第二整流可控硅；

所述第一整流可控硅与所述第一整流二极管串联得到第一回路，所述第二整流可控硅与所述第二整流二极管串联得到第二回路，所述第一回路与所述第二回路并联形成整流桥；

所述升压变压器的输出端分别与所述第一整流可控硅的正极、所述第二整流可控硅的正极连接。

7.根据权利要求1所述的基于电磁加载的冲击测试装置，其特征在于，所述冲击测试装置还包括炮管和炮管支架；

所述炮管支架用于支撑所述炮管；

所述炮管套设在所述初级线圈上，所述炮管用于在工作时，将所述炮弹导出至所述冲击测试试验的待冲击试验件。

8.一种应用于权利要求1-7所述的基于电磁加载的冲击测试装置的冲击测试方法，其特征在于，所述冲击测试方法包括：

获取加载至初级线圈上的当前电压值；

根据所述当前电压值，计算第一磁场与第二磁场之间产生的互斥推力；所述第一磁场为所述初级线圈产生的磁场；所述第二磁场为次级线圈产生的磁场；

判断所述互斥推力与标准值之间的差值是否小于或者等于设定阈值；

若所述互斥推力与标准值之间的差值小于或者等于设定阈值，则将所述当前电压值加载至所述初级线圈上；

若所述互斥推力与标准值之间的差值大于设定阈值，则调节所述当前电压值，返回步骤根据所述当前电压值，计算第一磁场与第二磁场之间产生的互斥推力。

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