CN114136757A - 一种冲击试验的控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冲击试验的控制系统，包括立柱和分别设于立柱顶端的顶板和底端的底板，所述的顶板和底板之间还连接有设于立柱内侧的对称的两丝杆和对称的两导轨，所述的两导轨之间连接有用于对锤头加速的加速机构，所述的两丝杆之间连接有用于对锤头提升并释放的捕捉机构，所述的加速机构活动连接捕捉机构；本发明提供的冲击试验的控制系统，通过加速机构对锤头施加加速度的冲击力，通过捕捉机构实现对落锤实现提升并释放，提高了冲击试验的适用范围和试验精度，使试验机的性能更加完善合理。
Description
技术领域
本发明属于冲击试验技术领域，具体涉及一种冲击试验的控制系统。
背景技术
材料的动态力学性能对其抗冲击特性有显著影响，精确获取冲击全过程中试样的力、位移等数据对新型材料的开发具有重要意义，冲击试验机的市场需求来源于材料的强度试验，目前用于材料冲击力学性能研究的冲击试验系统主要有压杆试验系统、空气炮、摆锤式冲击试验系统以及落锤式冲击试验系统，相对于其他冲击试验系统，落锤冲击试验台具有成本低、安全可靠等优点。落锤式冲击试验系统的工作原理是将一定质量的重锤提升到某一高度后释放，通过锤体的自由落体运动将重力势能转换成冲击能量，或者锤体在预加力机构作用下，获得一定的初始速度对被测试件进行冲击，以此验证材料的抗冲击性能。
随着科技的进步，新材料的层出不穷，且对材料的抗冲击性能研究已经不仅仅满足在测试材料的损伤情况，为了更进一步研究各种新型材料的抗冲击性能，传统的落锤冲击试验台因存在操作不便，安全可靠程度不高的缺点，且冲击能量仅靠锤头自由落体所产生，其受锤头重量和导向柱长度约束。
发明内容
本发明的目的是为了解决背景技术中所提出的问题，而提供一种冲击试验的控制系统，通过加速机构对锤头施加加速度的冲击力，通过捕捉机构实现对落锤实现提升并释放，提高了冲击试验的适用范围和试验精度，使试验机的性能更加完善合理。
本发明的目的是这样实现的：
一种冲击试验的控制系统，包括立柱和分别设于立柱顶端的顶板和底端的底板，所述的顶板和底板之间还连接有设于立柱内侧的对称的两丝杆和对称的两导轨，所述的两导轨之间连接有用于对锤头加速的加速机构，所述的两丝杆之间连接有用于对锤头提升并释放的捕捉机构，所述的加速机构活动连接捕捉机构。
作为优选的，所述的两导轨之间的上端通过连接件连接有支板一，所述支板一通过电伸缩杆连接有支板二，所述支板二的两端通过连接件连接有在导轨上滑动的滑块，所述支板二的底端固定连接加速机构。
作为优选的，所述的加速机构包括固定连接支板二底端的承重板和活动连接捕捉机构的加力板，所述的承重板和加力板之间通过均匀排布的若干导向杆和若干线性弹簧连接，所述的线性弹簧间隔分布于导向杆之间，所述的导向杆的一端螺栓固定连接承重板，所述的导向杆的另一端贯穿加力板并与加力板相对滑动连接，所述的线性弹簧的两端通过弹簧座分布固定连接承重板和加力板，所述的线性弹簧靠近加力板的一端设有拉压力传感器，用于测量加速机构的弹簧力。
作为优选的，所述的两丝杆设于两导轨的外侧，所述的两丝杆之间连接有支板三，所述支板三的两端分别通过与丝杆适配的螺母沿丝杆的高度方向位移，所述的支板三对应两导轨处穿管导轨设置，所述支板三通过连接件连接有在导轨上滑动的滑块，所述的捕捉机构贯穿支板三与加速机构连接。
作为优选的，所述的捕捉机构包括贯穿支板三并相对支板三滑动的拉杆，所述拉杆贯穿支板三的一端连接有限位拉杆的限位座，所述拉杆远离支板三的另一端连接一安装板，所述拉杆的底端两侧的凸翼分别连接有两对称的夹持组件，所述的夹持组件安装于安装板内，所述安装板的中央处开设有供拉杆进出的导向槽。
作为优选的，所述的夹持组价包括连接凸翼的连接柄的一端，所述连接柄的另一端连接有通过转轴安装于安装板的半拨轮，所述安装板的底部水平方向上设有滑槽，所述滑槽内滑动连接有滑座，所述滑座的上端设有与半拨轮啮合连接的齿条，所述滑座的下端设有用于夹持锤头的夹板。
作为优选的，所述的两对称的夹持组件的夹板之间连接有拉伸弹簧，所述夹板的底部设有具有锥度的弯钩，所述的弯钩与锤头配合。
作为优选的，所述捕捉机构的正下方设有连接于底板上端面的用于限位试件的限位机构，所述限位机构的周围设有连接于底板上端面的用于防止锤头对试件二次冲击的缓冲机构。
作为优选的，所述的缓冲机构包括液压缸的外筒和设于外筒内部的内筒，所述外筒和内筒之间形成低压腔，所述内筒的内腔为高压墙，所述的内筒的内腔内设有复位弹簧，所述复位弹簧的一端固定连接内筒的内侧壁，所述复位弹簧的另一端连接有贯穿外筒和内筒同端的活塞杆，所述内筒的一侧壁上设有回油孔，所述的低压腔内、靠近活塞杆的一端设有储能器，所述内筒低压腔内设有连接内筒侧壁的阻尼器。
作为优选的，所述限位机构包括固定设于底板上端面的升降筒，所述升降筒的顶端螺栓固定连接有固定板，所述固定板内固定连接有用于夹持试件的夹具，所述夹具的两侧设有用于对试件固定的限位螺钉。
作为优选的，所述顶板的顶端连接有光电编码器，所述的光电编码器记录丝杆的驱动电机的脉冲转动数，其中脉冲步距和丝杠螺距是设定值，由脉冲数、脉冲步距和丝杠螺距便可计算得出落锤的提升高度。
作为优选的，所述的线性弹簧单根所需的弹簧刚度系数为k，假设预期的弹簧储备的最大能量为Q，则有k＝Q/d，其中d为线性弹簧的最大压缩量。
作为优选的，设锤头冲击试件时的速度是v0，下落前锤头的高度为h0，弹簧的收缩量为D，落锤的质量为M，弹簧的个数为n个，则有：
v0＝[2gh0+(nkD/M)]1/2，通过外力增加落锤下落加速度的方法，提高落锤的冲击速度，在外力的提供上，选择弹簧作为提供能量及加速度的装置，根据弹簧与锤头之间的关系，选择适合的弹簧。
作为优选的，所述的系统还包括有用于监测试件损伤程度的监测机构，所述的监测机构包括用于实时监测应力波的声发射传感组件，用于光电信号转换与信号放大功能的光纤传感器解调仪器，用于采集高速声发射信号的示波器和对采集的信号进行滤波降噪、通过设定的阈值识别声波到达时间的上位机，所述的声发射传感组件包括设于锤头上的压电传感器和设于试件上的光纤传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明提供的一种冲击试验的控制系统，通过加速机构对锤头施加加速度的冲击力，通过捕捉机构实现对落锤实现提升并释放，提高了冲击试验的适用范围和试验精度，使试验机的性能更加完善合理。
2、本发明提供的一种冲击试验的控制系统，拉伸弹簧具有一定的预紧力，在抓取落锤时弯钩有一定锥度与落锤的提钩的锥度相配合，提升时具有一定自锁性从而防止落锤意外脱钩，落锤提升至行程最高处时，拉杆顶端的安装座向上压缩加速机构，线性弹簧被压缩后，在锤头释放瞬间弹簧内储存的弹性势能将转变为锤头的动能，为锤头增加冲击能量，线性弹簧在恢复弹力的过程中挤压拉杆，拉杆推动半拨轮通过齿条带动两夹板远离，落锤失去支撑而自由落下，实现脱钩的动作，使脱钩过程更加平滑。
附图说明
图1是本发明一种冲击试验的控制系统结构示意图。
图2是本发明一种冲击试验的控制系统加速机构示意图。
图3是本发明一种冲击试验的控制系统捕捉机构示意图。
图4是本发明一种冲击试验的控制系统限位机构示意图。
图5是本发明一种冲击试验的控制系统缓冲机构示意图。
图中：1、底板；2、立柱；3、丝杆；4、导轨；5、顶板；6、支板一；7、连接件；8、电伸缩杆；9、支板二；10、滑块；11、加速机构；111、承重板；112、线性弹簧；113、导向杆；114、弹簧座；115、拉压力传感器；116、加力板；12、捕捉机构；120、滑槽；121、安装座；122、拉杆；123、安装板；124、导向槽；125、凸翼；126、连接柄；127、半拨轮；128、滑座；1281、齿条；1282、夹板；1283、弯钩；129、拉伸弹簧；13、支板三；14、外筒；15、低压腔；16、内筒；17、高压腔；18、复位弹簧；19、阻尼器；20、回油孔；21、储能器；22、活塞杆；23、升降筒；24、固定板；25、夹具；26、限位螺钉。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。
实施例1
结合图1-3，一种冲击试验的控制系统，包括立柱2和分别设于立柱2顶端的顶板5和底端的底板1，所述的顶板5和底板1之间还连接有设于立柱2内侧的对称的两丝杆3和对称的两导轨4，所述的两导轨4之间的上端通过连接件7连接有支板一6，所述支板一6通过电伸缩杆8连接有支板二9，所述支板二9的两端通过连接件7连接有在导轨4上滑动的滑块10，所述的两丝杆3设于两导轨4的外侧，所述的两丝杆3之间连接有支板三13，所述支板三13的两端分别通过与丝杆3适配的螺母沿丝杆3的高度方向位移，所述的支板三13对应两导轨4处穿管导轨4设置，所述支板三13通过连接件7连接有在导轨4上滑动的滑块10。
所述的两导轨4之间连接有用于对锤头加速的加速机构11，所述的两丝杆3之间连接有用于对锤头提升并释放的捕捉机构12，所述的加速机构11活动连接捕捉机构12。
所述支板二9的底端固定连接加速机构11，所述的加速机构11包括固定连接支板二9底端的承重板111和活动连接捕捉机构12的加力板116，所述的承重板111和加力板116之间通过均匀排布的若干导向杆113和若干线性弹簧112连接，所述的线性弹簧112间隔分布于导向杆113之间，所述的导向杆113的一端螺栓固定连接承重板111，所述的导向杆113的另一端贯穿加力板116并与加力板116相对滑动连接，所述的线性弹簧112的两端通过弹簧座114分别固定连接承重板111和加力板116，所述的线性弹簧112靠近加力板116的一端设有拉压力传感器115，用于测量加速机构11的弹簧力。
所述的捕捉机构12贯穿支板三13与加速机构11连接，所述的捕捉机构12包括贯穿支板三13并相对支板三13滑动的拉杆122，所述拉杆122贯穿支板三13的一端连接有限位拉杆122的限位座121，所述拉杆122远离支板三13的另一端连接一安装板123，所述拉杆122的底端两侧的凸翼125分别连接有两对称的夹持组件，所述的夹持组件安装于安装板123内，所述安装板123的中央处开设有供拉杆122进出的导向槽124。
所述的夹持组价包括连接凸翼125的连接柄126，所述连接柄126远离凸翼125的一端连接有通过转轴安装于安装板123的半拨轮127，所述安装板123的底部水平方向上设有滑槽120，所述滑槽120内滑动连接有滑座128，所述滑座128的上端设有与半拨轮127啮合连接的齿条1281，所述滑座128的下端设有用于夹持锤头的夹板1282，两对称的夹持组件的夹板1282之间连接有拉伸弹簧129，所述夹板1282的底部设有具有锥度的弯钩1283，所述的弯钩与锤头1283配合。
拉伸弹簧具有一定的预紧力，在抓取落锤时弯钩有一定锥度与落锤的提钩的锥度相配合，提升时具有一定自锁性从而防止落锤意外脱钩，落锤提升至行程最高处时，将安装板固定，通过电伸缩杆调节加重板相对于拉杆的高度，当顶端的安装座向上压缩加速机构，线性弹簧被压缩后，线性弹簧在回弹过程中对拉杆释放弹力，开启拉杆的开关，两夹板之间远离，在锤头释放瞬间弹簧内储存的弹性势能将转变为锤头的动能，为锤头增加冲击能量，线性弹簧在恢复弹力的过程中挤压拉杆，拉杆推动半拨轮通过齿条带动两夹板远离，落锤失去支撑而自由落下，实现脱钩的动作，使脱钩过程更加平滑，在不需要为锤头增加加速度时，拉杆由电动控制，实现锤头的自由落体。
在一次冲击过程中，驱动电机需要频繁重复正转、反转、加速和减速等过程，对于速度精度有一定的要求，试验平台使用选型变频器改变变频调速电机的电源频率调节行程速度，通过工作行程中布置的接近开关、限位开关，变频器的输入开关量信号进行速度变化的触发作用，行程开关用来实现对电机停止、正转和反转的控制，行程开关的布置间距就是落锤的提升高度，限位开关是在行程开关失效的情况下防止捕锤装置上下行程超过规定行程对试验台造成损坏，电机运行中，当接近开关被触发时，电机由高速正转开始减速，捕捉机构带动落锤减速提升，在捕捉锤头行程时，接近开关被触发时电机由高速反转开始减速，落锤冲击压缩至指定位置的信号被接近开关捕捉，从而触发液压缸作用，液压缸立即弹起顶起落锤防止一次冲击结束后产生的第二次冲击影响试验结果。
在行程最高点安装行程开关，落锤提升到最高点的信号被捕捉以后，电机反转进行下一动作，设有时间继电器作用以保证锤钩有足够时间完成脱钩动作。同样，在行程上端和下端所布置的行程开关间的间距就是落锤所提升的高度，理想高度值是依据试验参数所要求的初速度理论计算得来，但实际中由于阻尼摩擦的存在，需要对高度进行补偿。
实施例2
在实施例的基础上，所述顶板的顶端连接有光电编码器，所述的光电编码器记录丝杆的驱动电机的脉冲转动数，其中脉冲步距和丝杠螺距是设定值，由脉冲数、脉冲步距和丝杠螺距便可计算得出落锤的提升高度。
所述的线性弹簧单根所需的弹簧刚度系数为k，假设预期的弹簧储备的最大能量为Q，则有k＝Q/d，其中d为线性弹簧的最大压缩量。
设锤头冲击试件时的速度是v0，下落前锤头的高度为h0，弹簧的收缩量为D，落锤的质量为M，弹簧的个数为n个，则有：v0＝[2gh0+(nkD/M)]1/2，通过外力增加落锤下落加速度的方法，提高落锤的冲击速度，在外力的提供上，选择弹簧作为提供能量及加速度的装置，根据弹簧与锤头之间的关系，选择适合的弹簧。
实施例3
结合图4和图5，所述捕捉机构的正下方设有连接于底板上端面的用于限位试件的限位机构，所述限位机构的周围设有连接于底板上端面的用于防止锤头对试件二次冲击的缓冲机构。
所述的缓冲机构包括液压缸的外筒和设于外筒内部的内筒，所述外筒和内筒之间形成低压腔，所述内筒的内腔为高压墙，所述的内筒的内腔内设有复位弹簧，所述复位弹簧的一端固定连接内筒的内侧壁，所述复位弹簧的另一端连接有贯穿外筒和内筒同端的活塞杆，所述内筒的一侧壁上设有回油孔，所述的低压腔内、靠近活塞杆的一端设有储能器，所述内筒低压腔内设有连接内筒侧壁的阻尼器。
当缓冲机构受到锤头的跌落冲击碰撞时，锤头的动能冲量经过活塞杆传递给活塞，使其受力向右运动挤压高压腔的液压油，使液压油从活塞杆与缓冲器高压腔之间的节流孔挤压出来，流入液压缓冲器低压腔，液压油从高压腔进入低压腔的过程会耗能，将动能转化为内能，散发到空气当中，在活塞杆开始运动时，由于与缓冲器低压腔之间的节流孔数量较多，油液容易被挤出；随着活塞杆继续向右运动时，节流孔数量及节流面积越来越小，即活塞阻力不断增大，液压油从节流孔喷射而出，速度越来越开，做功越来越多，更多的动能转化为液压油热能而散发到外界大气中，当活塞杆到顶杆的圆柱形阶段后，节流孔都被活塞杆挡住有效节流面积为零，阻力也趋近稳定于最大值。液压缓冲器被压缩的过程是通过活塞挤压液压油，液压油经过节流孔做功的过程，液压油经过节流孔时产生液压阻力，同时也受到复位弹簧的弹性力，在液压阻力和复位弹簧阻力的共同作用下实现对跌落冲击平台的缓冲减速，这一过程消耗了大量动能，起到缓冲作用，当工作完毕，活塞被复位弹簧推至原始位置，完成一个工作循环。
所述限位机构包括固定设于底板上端面的升降筒，所述升降筒的顶端螺栓固定连接有固定板，所述固定板内固定连接有用于夹持试件的夹具，所述夹具的两侧设有用于对试件固定的限位螺钉，对试件的加装采用传统的螺栓装夹，稳定可靠。
实施例4
所述的系统还包括有用于监测试件损伤程度的监测机构，所述的监测机构包括用于实时监测应力波的声发射传感组件，用于光电信号转换与信号放大功能的光纤传感器解调仪器，用于采集高速声发射信号的示波器和对采集的信号进行滤波降噪、通过设定的阈值识别声波到达时间的上位机，所述的声发射传感组件包括设于锤头上的压电传感器和设于试件上的光纤传感器。
声发射传感组件与前置放大器连接并将采集的信号发送到示波器中，示波器与上位机通过局域网交换数据，为声发射源的定位提供足够的信息，及时、有效、完整地采集传感器所感知的声发射源信号，利用傅里叶变换、滤波降噪和阈值触发等功能判断应力波到达时间，准确识别声发射源位置。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的保护范围内所做的任何修改，等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种冲击试验的控制系统，其特征在于：包括立柱(2)和分别设于立柱(2)顶端的顶板(5)和底端的底板(1)，所述的顶板(5)和底板(1)之间还连接有设于立柱(2)内侧的对称的两丝杆(3)和对称的两导轨(4)，所述的两导轨(4)之间连接有用于对锤头加速的加速机构(11)，所述的两丝杆(3)之间连接有用于对锤头提升并释放的捕捉机构(12)，所述的加速机构(11)活动连接捕捉机构(12)。
2.根据权利要求1所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述的两导轨(4)之间的上端通过连接件(7)连接有支板一(6)，所述支板一(6)通过电伸缩杆(8)连接有支板二(9)，所述支板二(9)的两端通过连接件(7)连接有在导轨(4)上滑动的滑块(10)，所述支板二(9)的底端固定连接加速机构(11)。
3.根据权利要求2所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述的加速机构(11)包括固定连接支板二(9)底端的承重板(111)和活动连接捕捉机构(12)的加力板(116)，所述的承重板(111)和加力板(116)之间通过均匀排布的若干导向杆(113)和若干线性弹簧(112)连接，所述的线性弹簧(112)间隔分布于导向杆(113)之间，所述的导向杆(113)的一端螺栓固定连接承重板(111)，所述的导向杆(113)的另一端贯穿加力板(116)并与加力板(116)相对滑动连接，所述的线性弹簧(112)的两端通过弹簧座(114)分别固定连接承重板(111)和加力板(116)，所述的线性弹簧(112)靠近加力板(116)的一端设有拉压力传感器(115)，用于测量加速机构(11)的弹簧力。
4.根据权利要求1所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述的两丝杆(3)设于两导轨(4)的外侧，所述的两丝杆(3)之间连接有支板三(13)，所述支板三(13)的两端分别通过与丝杆(3)适配的螺母沿丝杆(3)的高度方向位移，所述的支板三(13)对应两导轨(4)处穿管导轨(4)设置，所述支板三(13)通过连接件(7)连接有在导轨(4)上滑动的滑块(10)，所述的捕捉机构(12)贯穿支板三(13)与加速机构(11)连接。
5.根据权利要求4所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述的捕捉机构(12)包括贯穿支板三(13)并相对支板三(13)滑动的拉杆(122)，所述拉杆(122)贯穿支板三(13)的一端连接有限位拉杆(122)的限位座(121)，所述拉杆(122)远离支板三(13)的另一端连接一安装板(123)，所述拉杆(122)的底端两侧的凸翼(125)分别连接有两对称的夹持组件，所述的夹持组件安装于安装板(123)内，所述安装板(123)的中央处开设有供拉杆(122)进出的导向槽(124)。
6.根据权利要求5所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述的夹持组价包括连接凸翼(125)的连接柄(126)，所述连接柄(126)远离凸翼(125)的一端连接有通过转轴安装于安装板(123)的半拨轮(127)，所述安装板(123)的底部水平方向上设有滑槽(120)，所述滑槽(120)内滑动连接有滑座(128)，所述滑座(128)的上端设有与半拨轮(127)啮合连接的齿条(1281)，所述滑座(128)的下端设有用于夹持锤头的夹板(1282)。
7.根据权利要求6所述的一种冲击试验的控制系统，其特征在于：所述的两对称的夹持组件的夹板(1282)之间连接有拉伸弹簧(129)，所述夹板(1282)的底部设有具有锥度的弯钩(1283)，所述的弯钩与锤头(1283)配合。
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