CN114034545A - 弹射装置及落锤冲击实验机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及落锤冲击实验技术领域，尤其涉及一种弹射装置及落锤冲击实验机，弹射装置包括箱体、弹性件和推板，箱体的底部设有敞口，推板设置于敞口处，且推板可在箱体内在顶部与底部之间滑动，弹性件设置于箱体内，弹性件的顶端抵接箱体的顶壁，弹性件的底端抵接推板，箱体的外壁沿弹性件的伸缩方向设有第一刻度标识和可视窗，可视窗与第一刻度标识相对应。提升锤体带动推板压缩弹性件，直至达到能够满足提供所需相应初始能量的高度，即可简单快速地增加落锤冲击能量，使得落锤在接触实验试件时满足所需能量要求。

Description

弹射装置及落锤冲击实验机
技术领域
本发明涉及落锤冲击实验技术领域，尤其涉及一种弹射装置及落锤冲击实验机。
背景技术
在工程实践中，冲击实验主要集中研究材料的力学响应特性，包括岩土中的岩石材料和混凝土材料等，以及金属和非金属材料的应力-应变曲线关系、材料的形变等。随着煤炭资源的逐步开发，煤炭资源的开采深度逐渐由浅部向深部发展，为了研究深部煤矿冲击地压、岩爆及煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害，落锤冲击实验装置开始广泛应用于采矿岩土领域。目前，基于落锤冲击实验机高能量冲击实验数量逐渐增加，但局限于落锤实验机的机架高度以及实验室的高度，对于如何实现较高能量的冲击实验成为冲击过程中的重要问题。
普通的落锤冲击实验根据冲击能量需求，电动机通过牵引装置将锤体提升至需求高度，打开安全栓，释放落锤进行冲击。但对于研究材料强度系数较大的实验以及探索不同能量冲击等级对于实验材料的影响，普通落锤实验机无法满足实验要求。
在高冲击能量的实验中，冲击能量主要局限于实验机设备以及实验室的高度，为提供高冲击能量的需求，大部分采用增加锤体的质量获得高冲击能量，但动力系统中的牵引装置无法满足高重量锤体的需求。目前对提高冲击能量的其他方式较少，无法简洁快速地提供高冲击能量以满足高冲击能量实验的要求。
发明内容
本发明提供一种弹射装置及落锤冲击实验机，用以解决现有技术中落锤冲击实验机无法满足高冲击能量实验要求的缺陷，实现在相同落锤高度和质量下提高冲击能量的目的。
本发明提供一种弹射装置，包括箱体、弹性件和推板，所述箱体的底部设有敞口，所述推板设置于所述敞口处，且所述推板可在所述箱体内在顶部与底部之间滑动，所述弹性件设置于所述箱体内，所述弹性件的顶端抵接所述箱体的顶壁，所述弹性件的底端抵接所述推板，所述箱体的外壁沿所述弹性件的伸缩方向设有第一刻度标识和可视窗，所述可视窗与所述第一刻度标识相对应。
根据本发明提供的一种弹射装置，所述箱体的顶部设有第一孔，所述推板设有与所述第一孔对应的第二孔，所述箱体内部设有连通所述第一孔与所述第二孔的通道。
根据本发明提供的一种弹射装置，所述箱体与所述推板之间设有导向部。
根据本发明提供的一种弹射装置，所述箱体的敞口处设有向所述箱体内侧延伸的翻边。
根据本发明提供的一种弹射装置，所述弹性件包括多根弹簧，多根所述弹簧相互平行设置，所述弹簧的顶端抵接所述箱体的顶壁，所述弹性件的底端抵接所述推板。
根据本发明提供的一种弹射装置，所述箱体的高度大于或等于所述弹性件的长度与所述弹性件的伸长量之和。
根据本发明提供的一种弹射装置，所述箱体的外壁设有用于与机架连接的连接件。
本发明还提供一种落锤冲击实验机，包括机架、锤体、提升机构和如上所述的弹射装置，所述弹射装置设置于所述机架上，所述提升机构与所述锤体连接，所述锤体设置于所述推板的下方。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验机，还包括导轨，所述锤体与所述导轨滑动连接，所述导轨上设有第二刻度标识，所述推板上设有标杆，所述标杆沿所述锤体的移动方向延伸设置。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验机，所述提升机构包括牵引绳和与所述牵引绳连接的电机，所述牵引绳穿过所述箱体的通道与所述锤体连接。
本发明提供的弹射装置，提供了一种应用于落锤冲击实验机的弹射装置，在落锤冲击实验机增加弹射装置，在进行实验时，锤体首先通过提升机提升，在锤体提升至一定高度后，锤体顶推推板向上移动，推板移动的同时压缩弹性件，通过可视窗和第一刻度标识能够获知弹性件的压缩量，从而获得弹性势能，锤体下落时，弹性件恢复伸长，弹力作用在锤体上为锤体提高落锤的初始速率，锤体离开推板继续下落直至冲击试件，实现在相同落锤高度和质量下提高冲击能量的目的。
根据实验所要求冲击能量，换算出锤体所要达到的初始速率，根据初始速率可获得弹性件的压缩量，提升锤体带动推板压缩弹性件，直至达到能够满足提供所需相应初始能量的高度，即可简单快速地增加落锤冲击能量，使得落锤在接触实验试件时满足所需能量要求。为了增加实验的可重复性以及获取弹射装置可释放的弹射能量，箱体的外壁沿着弹性件的伸缩方向标有刻度标识，通过可视窗可观察到推板在箱体内移动的位置，进而对比可视窗一侧的刻度标识，获知弹性件的压缩量，确保实验的可重复性、可操作性，为实验增加的弹性能进行量化，无需增加锤体重量，对于提升机构不产生负担，对于不同冲击能量要求可对通过弹性件自身性质或对弹性件的压缩量进行相应调整实现，操作方便适用范围广。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的落锤冲击实验机的弹射装置的结构示意图；
图2是本发明提供的弹射装置的结构示意图；
图3是本发明提供的弹射装置的左侧视示意图；
图4是本发明提供的弹射装置的导向部的结构示意图；
图5是本发明提供的落锤冲击实验机的弹射装置的第二刻度标识和标杆的结构示意图；
附图标记：
100、箱体；110、第一刻度标识；120、可视窗；130、通道；140、翻边；150、标杆；
200、弹性件；210、弹簧；
300、推板；400、导向部；500、连接件；600、机架；700、锤体；
800、提升机构；810、牵引绳；820、电机；
900、导轨；910；第二刻度标识。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
此外，在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1、图2和图3所示，本发明实施例提供的弹射装置，包括箱体100、弹性件200和推板300，箱体100的底部设有敞口，推板300设置于敞口处，且推板300可在箱体100内在顶部与底部之间滑动，弹性件200设置于箱体100内，弹性件200的顶端抵接箱体100的顶壁，弹性件200的底端抵接推板300，箱体100的外壁沿弹性件200的伸缩方向设有第一刻度标识110和可视窗120，可视窗120与第一刻度标识110相对应。
本发明实施例的弹射装置，提供了一种应用于落锤冲击实验机的弹射装置，在落锤冲击实验机增加弹射装置，在进行实验时，锤体700首先通过提升机提升，在锤体700提升至一定高度后，锤体700顶推推板300向上移动，推板300移动的同时压缩弹性件200，通过可视窗120和第一刻度标识110能够获知弹性件200的压缩量，从而获得弹性势能，锤体700下落时，弹性件200恢复伸长，弹力作用在锤体700上为锤体700提高落锤的初始速率，锤体700离开推板300继续下落直至冲击试件，实现在相同落锤高度和质量下提高冲击能量的目的。
根据实验所要求冲击能量，换算出锤体700所要达到的初始速率，根据初始速率可获得弹性件200的压缩量，提升锤体700带动推板300压缩弹性件200，直至达到能够满足提供所需相应初始能量的高度，即可简单快速地增加落锤冲击能量，使得落锤在接触实验试件时满足所需能量要求。为了增加实验的可重复性以及获取弹射装置可释放的弹射能量，箱体100的外壁沿着弹性件200的伸缩方向标有刻度标识，通过可视窗120可观察到推板300在箱体100内移动的位置，进而对比可视窗120一侧的第一刻度标识110，获知弹性件200的压缩量，确保实验的可重复性、可操作性，为实验增加的弹性能进行量化，无需增加锤体700重量，对于提升机构800不产生负担，对于不同冲击能量要求可对通过弹性件200自身性质或对弹性件200的压缩量进行相应调整实现，操作方便适用范围广。
本实施例的弹射装置可满足更广泛的实验能量要求，特别是对于一些高的冲击能量，而受限于实验室及机架600的高度的实验装置。本发明，通过弹射装置外侧的刻度尺。对于实验室微小的冲击实验机提供一种增加能量的装置，不仅仅局限于落锤冲击实验机的应用，也可以根据需要应用其他设备。
本实施例中，弹性件200可采用弹簧210，通过弹射装置的能量转化，即可确定锤体700的初始速度，具体公式为：
设弹射装置中每一根弹簧210的劲度系数为ki，所有的弹簧210并联弹簧劲度系数K，单位N/mm，弹力为F，单位N，计算公式为：
Figure BDA0003364623060000071
F＝K×S (2)
则落锤初始释放能量增加量Ws，单位J，计算公式为：
Figure BDA0003364623060000072
式中，S为弹性件200的位移量，单位mm；S1为弹性件200在压缩弹力F作用下的压缩量，单位mm。锤体700在离开弹射装置，此刻要求忽略此装置摩擦因素，弹性势能和重力势能将会转化为锤体700的动能Ek，单位J，动能公式为：
Figure BDA0003364623060000081
式中，m为锤体700的质量，单位kg，v1为锤体700离开弹射装置的推板300的速率，即初始速率，结合上述公式(1)-公式(4)可得：
Figure BDA0003364623060000082
根据本发明提供的一个实施例，箱体100的顶部设有第一孔，推板300设有与第一孔对应的第二孔，箱体100内部设有连通第一孔与第二孔的通道130。本实施例中，提升机构800包括电机820和牵引绳810，电机820通过牵引绳810连接锤体700，并驱动锤体700提升高度。为了方便锤体700的提升或释放，便于提升机构800的安装，在箱体100内部设置通道130，相应的通道130两端在箱体100的顶部形成第一孔和推板300上形成第二孔。牵引绳810由第一孔进入箱体100内的通道130，再由通道130穿过第二孔后与滑轮连接，再滑轮返回通道130穿出第一孔，滑轮与锤体700连接。以此为牵引绳810提供拉升运动的空间。
本实施例中，根据通道130内牵引绳810之间的距离设计箱体100内部的通道130以及第一孔和第二孔的直径。
如图4所示，根据本发明提供的一个实施例，箱体100与推板300之间设有导向部400。本实施例中，推板300在箱体100内可在箱体100的顶部与底部之间往复移动，锤体700通过推动推板300向上移动从而压缩弹性件200，弹性件200恢复伸长推动推板300向下移动从而对锤体700提供初始速率。为防止弹性件200偏离原本伸缩路线，箱体100内部与推板300的边缘配合设置导向部400，以保证推板300在箱体100内部移动的限位稳定，弹性件200能够按照锤体700下落方向压缩和伸长。
本实施例中，导向部400可为凹槽和与凹槽配合的凸起，凹槽可沿弹性件200的伸缩方向延伸设置于箱体100的内壁，推板300在对应凹槽的位置可设置凸起嵌入凹槽内，在其它实施例中，凸起也可沿弹性件200的伸缩方向延伸设置于箱体100的内壁，推板300在对应凸起的位置可设置凹槽，凸起嵌入凹槽内即可。
根据本发明提供的一个实施例，箱体100的敞口处设有向箱体100内侧延伸的翻边140。本实施例中，箱体100的敞口位置设置向内的翻边140，翻边140能够将推板300限制在箱体100内部，在锤体700接触到推板300前，推板300可搭设在翻边140上，锤体700推动推板300向上运动时，推板300逐渐远离翻边140，在弹性件200恢复伸长的过程中，推板300逐渐靠近翻边140，直至与翻边140接触，锤体700离开推板300。翻边140能够防止推板300随着落锤释放脱落，起到良好的防脱限位作用。本实施例中，翻边140向内围出的范围决定了箱体100的敞口的大小。
根据本发明提供的一个实施例，弹性件200包括多根弹簧210，多根弹簧210相互平行设置，弹簧210的顶端抵接箱体100的顶壁，弹性件200的底端抵接推板300。本实施例中，弹簧210的伸缩方向为锤体700的下落方向，弹簧210原长为零刻度。通过对箱体100外壁的第一刻度标识110的读数可获得弹簧210的伸长量和压缩量，根据公式(3)可求得弹性势能。
本实施例的弹性件200是可替换组件，通过改变弹簧210的基本参数实现，单根弹簧210刚度系数公式为：
Figure BDA0003364623060000091
式中，G为弹簧线性的刚性模量，单位N/mm2；d为弹簧材料直径，单位mm；Dm为弹簧外径，单位mm；Nc为有效圈数。
在弹性限度内，劲度系数表示弹簧210的一种属性，与弹簧210材料、弹簧210丝直径大小、弹簧210圈的直径等相关。可以根据公式改变任意因素，增加劲度系数。
在其它实施例中，弹性件200还可采用橡胶等弹性制品，保证能够产生弹性势能，具有一定弹性变形恢复力即可。
根据本发明提供的一个实施例，箱体100的高度大于或等于弹性件200的长度与弹性件200的伸长量之和。本实施例中，箱体100的高度不超过弹性件200自身原始状态的长度与弹性件200因推板300作用引起的伸长量之和。推板300具有一定的质量，锤体700下落时，在锤体700与推板300分离之后，推板300还储存一定的能量，能量会造成弹性件200的伸长，以此形成弹簧210的伸长量。箱体100的高度要求为了增加箱体100的使用寿命，防止箱体100的底部翻边140因反复长期遭受冲力受到破坏，箱体100整体高度大于等于弹簧210原长与伸长量的和，即H≥S0+S2，S0为弹簧210的原长，S2为推板300作用引起弹簧210的伸长量。
根据本发明提供的一个实施例，箱体100的外壁设有用于与机架600连接的连接件500。本实施例中，箱体100的外壁上还设置了连接件500，用于与落锤冲击实验机的机架600连接。箱体100与机架600可采用插接或卡接形式，连接件500搭配相应的卡槽和滑块，或者插块和插孔等，以保证箱体100在机架600上的限位稳定安装和便于更换。通过连接件500可以是弹射装置为可拆卸式设置在机架600上，根据落锤冲击不同的能量需求，替换劲度系数更大弹性件200的弹射装置。
本实施例中，连接件500可为卡槽和与卡槽配合的滑块，卡槽可沿箱体100的安装方向延伸设置于箱体100的外壁，机架600在对应安装位置可设置滑块滑入卡槽内，在其它实施例中，滑块也可设置于箱体100外壁，机架600在对应安装位置沿箱体100的安装方向延伸设置卡槽，滑块滑入卡槽内即可。
如图1所示，本发明实施例还提供一种落锤冲击实验机，包括机架600、锤体700、提升机构800和如上述实施例的弹射装置，弹射装置设置于机架600上，提升机构800与锤体700连接，锤体700设置于推板300的下方。
本发明实施例的落锤冲击实验机，增加弹射装置，在进行实验时，锤体700首先通过提升机提升，在锤体700提升至一定高度后，锤体700顶推推板300向上移动，推板300移动的同时压缩弹性件200，通过可视窗120和第一刻度标识110能够获知弹性件200的压缩量，从而获得弹性势能，锤体700下落时，弹性件200恢复伸长，弹力作用在锤体700上为锤体700提高落锤的初始速率，锤体700离开推板300继续下落直至冲击试件，实现在相同落锤高度和质量下提高冲击能量的目的。
如图5所示，根据本发明提供的一个实施例，本发明实施例的落锤冲击实验机还包括导轨900，锤体700与导轨900滑动连接，导轨900上设有第二刻度标识910，推板300上设有标杆150，标杆150沿锤体700的移动方向延伸设置。本实施例中，锤体700的两侧对称设置导轨900，锤体700与导轨900连接并可沿导轨900的延伸方向下落，导轨900为锤体700限位稳定运动轨迹。弹射装置通常设置于机架600的顶端，受机架600高度的限制，操作人员无法通过可视窗120观察获知弹性件200的伸缩长度，为了方便观察弹射装置中弹性件200的压缩量，在导轨900的内侧设置第二刻度标识910，在推板300的下表面安装标杆150，标杆150沿锤体700下落的方向延伸，标杆150的底端始终处于第二刻度标识910的标定范围内。
弹性件200维持原长是，标杆150的底端处于第一位置，当锤体700推动推板300向上运动时，推板300压缩弹性件200的同时带动标杆150同步移动直至推板300移动到所需位置，标杆150的底端到达第二位置，由此可获得弹性件200的压缩量，可方便得到弹射装置储存的能量。
根据本发明提供的一个实施例，提升机构800包括牵引绳810和与牵引绳810连接的电机820，牵引绳810穿过箱体100的通道130与锤体700连接。本实施例中，电机820通过牵引绳810连接锤体700，并驱动锤体700提升高度。为了方便锤体700的提升或释放，便于提升机构800的安装，在箱体100内部设置通道130，相应的通道130两端在箱体100的顶部形成第一孔和推板300上形成第二孔。牵引绳810由第一孔进入箱体100内的通道130，再由通道130穿过第二孔后与滑轮连接，再滑轮返回通道130穿出第一孔，滑轮与锤体700连接。以此为牵引绳810提供拉升运动的空间。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种弹射装置，其特征在于：包括箱体、弹性件和推板，所述箱体的底部设有敞口，所述推板设置于所述敞口处，且所述推板可在所述箱体内在顶部与底部之间滑动，所述弹性件设置于所述箱体内，所述弹性件的顶端抵接所述箱体的顶壁，所述弹性件的底端抵接所述推板，所述箱体的外壁沿所述弹性件的伸缩方向设有第一刻度标识和可视窗，所述可视窗与所述第一刻度标识相对应。
2.根据权利要求1所述的弹射装置，其特征在于：所述箱体的顶部设有第一孔，所述推板设有与所述第一孔对应的第二孔，所述箱体内部设有连通所述第一孔与所述第二孔的通道。
3.根据权利要求1所述的弹射装置，其特征在于：所述箱体与所述推板之间设有导向部。
4.根据权利要求1所述的弹射装置，其特征在于：所述箱体的敞口处设有向所述箱体内侧延伸的翻边。
5.根据权利要求1所述的弹射装置，其特征在于：所述弹性件包括多根弹簧，多根所述弹簧相互平行设置，所述弹簧的顶端抵接所述箱体的顶壁，所述弹性件的底端抵接所述推板。
6.根据权利要求1所述的弹射装置，其特征在于：所述箱体的高度大于或等于所述弹性件的长度与所述弹性件的伸长量之和。
7.根据权利要求1至6任意一项所述的弹射装置，其特征在于：所述箱体的外壁设有用于与机架连接的连接件。
8.一种落锤冲击实验机，其特征在于：包括机架、锤体、提升机构和如权利要求1至7任意一项所述的弹射装置，所述弹射装置设置于所述机架上，所述提升机构与所述锤体连接，所述锤体设置于所述推板的下方。
9.根据权利要求8所述的落锤冲击实验机，其特征在于：还包括导轨，所述锤体与所述导轨滑动连接，所述导轨上设有第二刻度标识，所述推板上设有标杆，所述标杆沿所述锤体的移动方向延伸设置。
10.根据权利要求8所述的落锤冲击实验机，其特征在于：所述提升机构包括牵引绳和与所述牵引绳连接的电机，所述牵引绳穿过所述箱体的通道与所述锤体连接。
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