CN114166663A - 落锤冲击实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及落锤冲击实验技术领域，尤其涉及一种落锤冲击实验装置及方法，落锤冲击实验装置包括锤体和测速组件，测速组件包括信号发射器和信号接收器，信号接收器沿锤体的移动方向延伸设置，信号发射器设置于锤体上，且与信号接收器相对设置。本发明可获取锤体冲击试件的准确冲击速率和能量，避免因无法计算锤体下落过程中产生的其它能量损失而造成的能量计算不准。为了落锤接触试件的瞬间速率测量更加准确，确保每次实验都可以获得精确的速率数值，减少实验的失败率，调高实验的准确性及效率。本发明结构简单，安装操作和使用方便，提高了检测冲击能量的精准性，瞬间速率的可测性。

Description

落锤冲击实验装置及方法
技术领域
本发明涉及落锤冲击实验技术领域，尤其涉及一种落锤冲击实验装置及方法。
背景技术
冲击能量的研究对于采矿行业十分重要，如果可获得准确的冲击能量数值，方可通过能量缓冲吸收装置吸收能量，避免矿井灾害的发生。冲击实验的研究过程中，能量是实验中最重要的参考数据。在落锤冲击实验中，对于能量的计算通常采用质量和高度进行计算；对于冲击速率的获取主要依靠测速仪器获取，其主要是一端发射信号，另一端接收信号，当锤体经过信号区，接收信号段暂时将不会接收到信号，根据锤体的长度和锤体经过信号区的时间比值，可获得冲击速率。随着落锤试验机逐步应用在采矿行业，其在冲击能量计算方面存在以下的不足和局限：
目前在实验中的速率大多数采用激光测速仪进行测量，数据只能采取到锤头与试件接触前微小段距离的瞬间速度，造成冲击速度即冲击能量的准确值无法获取，在能量的计算过程中将会产生较大的误差。冲击能量另一种计算方式为通过锤头的高度和质量进行计算，但下落过程中能量损失问题较突出，锤体与导轨的之间将会产生有一定摩擦力，摩擦力将会消耗部分能量，地心引力差等将会产生无法避免的能量损失。
此外，利用仪器测量冲击能量，存在仪器失灵、不能捕捉到冲击瞬间速率等问题。激光测速仪存在仪器采集不到信号的情况，造成实验重复操作率较高。
发明内容
本发明提供一种落锤冲击实验装置及方法，用以解决现有技术中落锤冲击实验中对落锤冲击试件的瞬间速率和能量检测计算的准确性差的缺陷，实现获取锤体冲击试件的准确冲击速率和能量，避免因无法计算锤体下落过程中产生的其它能量损失而造成的能量计算不准。对于落锤接触试件的瞬间速率测量更加准确，确保每次实验都可以获得精确的速率数值，减少实验的失败率的效果。
本发明提供一种落锤冲击实验装置，包括锤体和测速组件，所述测速组件包括信号发射器和信号接收器，所述信号接收器沿所述锤体的移动方向延伸设置，所述信号发射器设置于所述锤体上，且与所述信号接收器相对设置。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验装置，还包括导轨，所述锤体设置于所述导轨上，并可沿所述导轨移动。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验装置，所述导轨包括两条相互平行设置的单轨，所述锤体与两条所述单轨均连接。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验装置，至少一条所述单轨沿其延伸方向设有第一凹槽，所述信号接收器设置于所述第一凹槽的槽底。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验装置，所述信号发射器为激光信号发射器，所述信号接收器为激光信号接收器。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验装置，所述激光信号接收器为光电半导体信号接收条。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验装置，所述锤体上设有第二凹槽，所述信号发射器嵌入所述第二凹槽内。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验装置，所述测速组件还包括处理器，所述处理器与所述接收器连接。
本发明还提供一种落锤冲击实验方法，应用于上所述的锤体冲击实验装置，包括：
根据测速组件检测的锤体在对应信号接收器延伸设置范围内下落的瞬时速度，获得锤体的加速度；
根据锤体的加速度和锤体的下落高度，获得锤体冲击试件表面的瞬时速度和锤体冲击试件的能量。
根据本发明提供的一种落锤冲击实验方法，所述测速组件检测的锤体在对应信号接收器延伸设置范围内下落的瞬时速度的步骤包括：
信号发射器每间隔第一设定时间发射信号，每次发射信号持续第二设定时间，信号发射次数大于或等于10次。
本发明提供的落锤冲击实验装置，锤体可由一定高度位置下落冲击试件，信号接收器沿锤体下落的方向延伸设置，信号发射器设置在锤体上，在锤体下落的过程中，信号发射器发射信号，对应信号接收器设置器，确保信号每次发射均可有效传递至信号接收器接收，信号接收器接收信号后，可获取每个信号接收点锤体的瞬时速率，对应瞬时速率可获得锤体的实际加速度，结合锤体实际的下落高度，就可获得锤体冲击试件的能量和冲击试件表面的瞬时速率。本发明利用信号发射器和沿锤体下落方向延伸设置的信号接收器，对锤体下落过程中进行数据采集和处理，可获得精确的加速度以及锤体作用于试件时刻的冲击速率。
本发明可获取锤体冲击试件的准确冲击速率和能量，避免因无法计算锤体下落过程中产生的其它能量损失而造成的能量计算不准。为了落锤接触试件的瞬间速率测量更加准确，确保每次实验都可以获得精确的速率数值，减少实验的失败率，调高实验的准确性及效率。本发明结构简单，安装操作和使用方便，提高了检测冲击能量的精准性，瞬间速率的可测性，不仅可以应用在冲击落锤试验机，还适用于其它一些测速装置。
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装置的结构示意图；
图2是本发明提供的落锤冲击实验装置的横截面结构示意图；
附图标记：
100、锤体；110、通槽；
200、测速组件；210、信号发射器；220、信号接收器；230、处理器；
300、导轨；310、单轨；320、第一挡板；330、第二挡板；340、第三挡板。
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和图2所示，本发明实施例提供的落锤冲击实验装置，包括锤体100和测速组件200，测速组件200包括信号发射器210和信号接收器220，信号接收器220沿锤体100的移动方向延伸设置，信号发射器210设置于锤体100上，且与信号接收器220相对设置。
本发明实施例的落锤冲击实验装置，锤体100可由一定高度位置下落冲击试件，信号接收器220沿锤体100下落的方向延伸设置，信号发射器210设置在锤体100上，在锤体100下落的过程中，信号发射器210发射信号，对应信号接收器220设置器，确保信号每次发射均可有效传递至信号接收器220接收，信号接收器220接收信号后，可获取每个信号接收点锤体100的瞬时速率，对应瞬时速率可获得锤体100的实际加速度，结合锤体100实际的下落高度，就可获得锤体100冲击试件的能量和冲击试件表面的瞬时速率。本发明利用信号发射器210和沿锤体100下落方向延伸设置的信号接收器220，对锤体100下落过程中进行数据采集和处理，可获得精确的加速度以及锤体100作用于试件时刻的冲击速率。
本发明可获取锤体100冲击试件的准确冲击速率和能量，避免因无法计算锤体100下落过程中产生的其它能量损失而造成的能量计算不准。为了落锤接触试件的瞬间速率测量更加准确，确保每次实验都可以获得精确的速率数值，减少实验的失败率，调高实验的准确性及效率。本发明结构简单，安装操作和使用方便，提高了检测冲击能量的精准性，瞬间速率的可测性，不仅可以应用在冲击落锤试验机，还适用于其它一些测速装置。
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装置还包括导轨300，锤体100设置于导轨300上，并可沿导轨300移动。本实施例中，锤体100下落过程与导轨300接触，并且沿导轨300移动，导轨300起到稳定锤体100下落导向作用，锤体100与导轨300上设置相对应的连接部，如通槽110和与通槽110配合的凸起，可使锤体100在导轨300上稳定滑动下落。
根据本发明提供的一个实施例，导轨300包括两条相互平行设置的单轨310，锤体100与两条单轨310均连接。本实施例中，导轨300由两条单轨310组成，每条单轨310均沿锤体100下落的方向设置，锤体100的两侧分别设置两条单轨310，且锤体100可通过连接部与两条单轨310滑动连接。信号接收器220设置于至少一条单轨310上。在锤体100下落的过程中，可始终保持信号发射器210与信号接收器220的信号传递。两条单轨310能够对锤体100均衡施力，为锤体100的下落限位，防止锤体100在下落过程中发生摆动和横向位移，脱离导轨300。
根据本发明提供的一个实施例，至少一条单轨310沿其延伸方向设有安装部，信号接收器220设置于安装部上。本实施例中，两条单轨310均为横截面形状为“工”字形，包括两条平行的第一挡板320和第二挡板330，以及分别垂直于第一挡板320和第二挡板330的第三挡板340，两个第一挡板320相对且平行设置，锤体100上分别设置两个相对的通槽110作为连接部，两个第一挡板320分别穿过两个通槽110，即锤体100沿第一挡板320下落滑动。第三挡板340一侧的第二挡板330构造为安装部，且位于第二挡板靠近锤体的一侧面，信号接收器220在此安装部的位置内可拆卸安装，便于维修更换，即可直接插入安装部或由安装部内抽出。
在其它实施例中，两条单轨210可其中一条为“工”字形，另一条能够对锤体100进行限位导向即可，还可两条单轨210上均设置安装部安装信号接收器。
根据本发明提供的一个实施例，信号发射器210为激光信号发射器210，信号接收器220为激光信号接收器220。本实施例中，信号发射器210与接收器均选用激光信号类型，激光信号接收器220的型号可根据需要自由选择，型号种类区别主要是根据需要检测的区间长度确定。接收条设计为可替换式，在导轨300左内测预设卡槽，信号条可通过卡槽进行抽换。
在其它实施例中，信号接收器220与信号发射器210还可采用其它信号类型的收发器，如红外线、光电等。
根据本发明提供的一个实施例，激光信号接收器220为光电半导体信号接收条。本实施例中，激光信号接收器220可采用信号接收条的类型，信号接收条采用敏感的光电半导体材料，将光信号转化为电信号，通过电信号表示所求的速率。光电半导体信号接收条的宽度与导轨300的第一凹槽宽度相匹配，条状结构可直接由第一凹槽抽换。
在其它实施例中，激光信号接收器220还可采用多个块状接收器沿锤体100下落的方向定点拼接形成。
根据本发明提供的一个实施例，锤体100上设有第二凹槽，信号发射器210嵌入第二凹槽内。本实施例中，在锤体100中部位置设置第二凹槽，第二凹槽对应信号接收器220，信号发射器210嵌入式安装在第二凹槽内，有利于拆装方便，确保锤体100下落过程中不会掉落以及避免冲击试件的后作用力使得信号发射器210震落。
根据本发明提供的一个实施例，测速组件200还包括处理器230，处理器230与接收器连接。本实施例中，信号接收器220与处理器230通过铜质导线连接，确保信号采集不受外界干扰。信号接收器220能够持续采集信号，并通过处理器230读取结果，信号接收器220根据接收到的信号，可获取每个信号接收点处锤体100下落的瞬时速率，将获得的瞬时速率传递到处理器230进行预处理。在锤体100整体下落完毕，处理器230进行速度处理，通过显示屏显示实验过程中锤体100的加速度、冲击时刻的瞬时速率以及冲击能量。
本发明实施例还提供落锤冲击实验方法，应用于上述实施例的落锤冲击实验装置，包括：
根据测速组件200检测的锤体100在对应信号接收器220延伸设置范围内下落的瞬时速度，获得锤体100的加速度；
根据锤体100的加速度和锤体100的下落高度，获得锤体100冲击试件表面的瞬时速度和锤体100冲击试件的能量。
本发明实施例的落锤冲击实验方法，在冲击实验锤体100释放之前，打开测速仪器进行校准，确保仪器工作正常。本发明实施例具体原理为如下：
Vt＝V0+at (1)
根据加速一般公式可得：
v2＝v1+at
v3＝v2+at
……
Figure BDA0003364622350000091
式中
Figure BDA0003364622350000092
为锤体100下落的加速度，单位mm/s2；vn为信号接收器220采集的锤体100的终速度，单位mm/s；v0为信号接收器220采集的锤体100的初速度，单位mm/s。锤体100下落高度为h，单位mm。
锤体100冲击试件表面的瞬时速率公式为：
Figure BDA0003364622350000093
结合上述公式可得：
Figure BDA0003364622350000094
落锤冲击试件的准确能量公式为：
Figure BDA0003364622350000095
其中，m为锤体的质量，单位kg。
本实施例中，通过处理器230，根据公式(4)-(5)输入对应的参考锤体100的高度数值，其中高度为锤体100的锤头与试件上表面的垂直距离，即可获得精确冲击能量和冲击速率，确保冲击试验能量的准确性。
根据本发明提供的一个实施例，测速组件200检测的锤体100在对应信号接收器220延伸设置范围内下落的瞬时速度的步骤包括：
信号发射器210每间隔第一设定时间发射信号，每次发射信号持续第二设定时间，信号发射次数大于或等于10次。
本实施例中，为确保获得准确的冲击速率，信号发射器210在实验过程中发射信号次数不低于10次，信号发射器210发射信号的时间间隔，即第一设定时间，可以根据实验的能量需求高度进行自由设置。冲击实验过程中，确保信号发射器210和信号接收器220一直处于工作状态中，信号发射器210在相同时间，即第一设定时间，发射信号一次，每一次发射的持续时间为第二设定时间，信号接收器220接收一次信号，根据信号接收器220在第二设定时间中所接收信号的区间长度，可根据瞬间速率计算方法获得本测速点的瞬间速率。为确保所测速率无限接近锤体100的瞬间速率，要求第二设定时间远远小于第一设定时间。
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)

1.一种落锤冲击实验装置，其特征在于：包括锤体和测速组件，所述测速组件包括信号发射器和信号接收器，所述信号接收器沿所述锤体的移动方向延伸设置，所述信号发射器设置于所述锤体上，且与所述信号接收器相对设置。
2.根据权利要求1所述的落锤冲击实验装置，其特征在于：还包括导轨，所述锤体设置于所述导轨上，并可沿所述导轨移动。
3.根据权利要求2所述的落锤冲击实验装置，其特征在于：所述导轨包括两条相互平行设置的单轨，所述锤体与两条所述单轨均连接。
4.根据权利要求3所述的落锤冲击实验装置，其特征在于：至少一条所述单轨沿其延伸方向设有第一凹槽，所述信号接收器设置于所述第一凹槽的槽底。
5.根据权利要求1所述的落锤冲击实验装置，其特征在于：所述信号发射器为激光信号发射器，所述信号接收器为激光信号接收器。
6.根据权利要求5所述的落锤冲击实验装置，其特征在于：所述激光信号接收器为光电半导体信号接收条。
7.根据权利要求1所述的落锤冲击实验装置，其特征在于：所述锤体上设有第二凹槽，所述信号发射器嵌入所述第二凹槽内。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的落锤冲击实验装置，其特征在于：所述测速组件还包括处理器，所述处理器与所述接收器连接。
9.一种落锤冲击实验方法，其特征在于：应用于权利要求1至8任意一项所述的落锤冲击实验装置，包括：
根据测速组件检测的锤体在对应信号接收器延伸设置范围内下落的瞬时速度，获得锤体的加速度；
根据锤体的加速度和锤体的下落高度，获得锤体冲击试件表面的瞬时速度和锤体冲击试件的能量。
10.根据权利要求9所述的落锤冲击实验方法，其特征在于：所述测速组件检测的锤体在对应信号接收器延伸设置范围内下落的瞬时速度的步骤包括：
信号发射器每间隔第一设定时间发射信号，每次发射信号持续第二设定时间，信号发射次数大于或等于10次。
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