CN115308051A - 一种落锤冲击试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种落锤冲击试验系统，属于机械工程技术领域，它包括上横梁、左立柱、高度标尺、左滑轨、滑尺、防二次冲击左机构、光电门、左底支撑梁、左底纵梁、左底座角梁、载物台立柱、底板、下横梁、右底座角梁、右底纵梁、右底支撑梁、防二次冲击右机构、右立柱、右滑轨、锤架上板、配重块、螺杆、锤架下板、锤头支座、传感器、锤头、固定夹、载物台面、控制器、数据采集系统、数据存储系统和数据处理及显示系统，能够对复合材料、铝合金、镁合金等多种材料及结构进行落锤冲击试验测试，而且具有防二次冲击功能。与现有技术相比，具有操作方便，容易制造、安装和拆卸，成本低，能耗低等有益效果，工程应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料或结构的冲击性能测试系统，尤其涉及一种落锤冲击试验系统，属于机械工程技术领域。
背景技术
复合材料、铝合金、镁合金、纤维-金属混合层板(FML)等新材料在飞机、高铁、汽车、工程机械等设备中的应用越来越多。动态冲击载荷是这些设备的零部件设计时必须考虑的工况，因此抗冲击性能成为必须要测试的力学性能。目前，材料和结构的动态冲击性能测试方法主要有摆锤冲击、落锤冲击、跌落冲击等。落锤冲击方法，冲击能量容易控制，试样放置方便，因此在工程中得到了普遍应用。但是，目前的落锤冲击试验台，存在结构复杂、体积庞大、造价高昂等问题，当试样未被贯穿时，锤头可能发生回弹现象，回弹的锤头因为重力作用会再次下落，如果撞击到试样上，会造成不可控的过加载，严重影响测试结果的准确性，因此需要发展防二次冲击装置，避免试样被二次或多次冲击。如公布号为CN112834155A的专利公开了一种用于冲击试验防二次撞击的磁悬浮夹持支座及方法，通过控制磁悬浮控制系统的功率，使永磁体带动试件固定件中的试件悬浮起一定距离，不与底面接触，锤头撞击试件的同时，数据传感器采集仪测得数据，反馈到磁悬浮控制系统，瞬间使电磁体的磁力降到最低，使试件下落，从而避免试件的二次撞击；该装置需要增加永磁体、电磁体、磁悬浮控制系统等，系统组成复杂而且成本高，需要消耗很大的电能，不节能环保；此外还容易受到电磁波的干扰而影响系统稳定性，维护也困难；另外需要注意的是这种试验装置与零部件的实际工程应用环境存在明显差异，一般的工程用零部件下部都不可能用磁悬浮进行支撑，这导致其测试结果难以与工程实际工况进行比较。
发明内容
1、发明目的：
本发明为了解决上述背景技术中的问题，提供一种落锤冲击试验系统，能够用于多种材料或结构的冲击性能测试，而且能够防止锤头回弹后落下引起的二次撞击。
2、技术方案：
本发明一种落锤冲击试验系统，包括以下部分：上横梁、左立柱、高度标尺、左滑轨、滑尺、防二次冲击左机构、光电门、左底支撑梁、左底纵梁、左底座角梁、载物台立柱、底板、下横梁、右底座角梁、右底纵梁、右底支撑梁、防二次冲击右机构、右立柱、右滑轨、锤架上板、配重块、螺杆、锤架下板、锤头支座、传感器、锤头、固定夹、载物台面、控制器、数据采集系统、数据存储系统、数据处理及显示系统；其中，防二次冲击左机构由围板、外轴套、上挡块、内轴套、转轴、挡板和下挡块组成；它们之间的关系是：上横梁、左立柱、左底纵梁、右底纵梁与右立柱通过螺栓固定连接，共同组成了落锤冲击试验机的主体框架结构；两个左底支撑梁对称布置于左立柱的两侧，通过螺栓固定连接在左立柱与左底纵梁，呈斜拉筋形式；两个右底支撑梁对称布置于右立柱的两侧，通过螺栓固定连接在右立柱与右底纵梁，呈斜拉筋形式；下横梁通过螺栓固定连接于左底纵梁和右底纵梁之间；两个光电门对称布置于左右立柱，位于二次冲击左机构和防二次冲击右机构之下，距离载物台面的高度为锤架上板上表面与锤头下端点之间的距离再加上两倍的滑尺宽度；左滑轨、右滑轨的上下端部有螺纹，布置于上横梁与下横梁之间，上下端部通过螺母拧紧定位；锤架上板与锤架下板通过法兰球轴承安装于左滑轨、右滑轨之上，能够在两个滑轨上自由滑动；锤头支座位于锤架下板的下表面，传感器通过螺纹旋转固定于锤头支座上，然后再通过螺纹与锤头相连；配重块位于锤架上板和锤架下板之间，通过增减配置块的数量来改变落锤的重量；锤架上板和锤架下板通过螺杆连接；左底座角梁通过螺栓固连于左底纵梁和载物台立柱；右底座角梁通过螺栓固连于右底纵梁和载物台立柱；滑尺固连于锤架上板的左右两侧；高度标尺固连于左立柱的内侧；防二次冲击左机构固连于左立柱上；防二次冲击右机构固连于右立柱；
冲击试验时，首先把试验样件放置在载物台面上，通过四个固定夹将样件固定；然后，防二次冲击左机构与防二次冲击右机构中的电磁铁通电，将挡板拨至立起，挡块吸住挡板；根据冲击能量计算出落锤的重力势能，进而得到落锤下落高度和落锤重量，安装配重块；随后将落锤提升到指定高度，释放后沿着滑轨自由落体运动落下，对载物台面上的试样进行冲击测试；滑尺通过光电门时，激光被阻挡，试验系统被触发，控制器向挡块中的电磁场发送断电控制信号，电磁铁断电失去磁性，挡板落下，同时数据采集系统接收到触发信号，根据激光被阻挡的时长计算出落锤的速度，并开始采集锤头上传感器的冲击力和冲击加速度的数据，传输至数据存储系统进行保存，经过数据处理及显示系统滤波处理得到并显示冲击力-时间曲线、冲击力峰值、冲击动能、冲击速度；若试样被锤头刺入或贯穿，锤头不会弹起，试验结束；若试样没有发生断裂，锤头发生反弹，滑尺将挡板顶开，落锤再次下落时滑尺被防二次冲击左机构和防二次冲击右机构中的两块挡板阻挡，从而避免二次冲击的发生；最后，打开固定夹，取下试样；
所述上横梁、左立柱、左底支撑梁、左底纵梁、右底纵梁、右底支撑梁和右立柱为凹形槽钢，左底纵梁和右底纵梁的底面设有防滑减振橡胶垫；
所述下横梁为盒形结构，下表面开口，上表面封闭，左右两端设有与左右底纵梁连接用的通孔，上表面设有左右导轨安装用的通孔；
所述防二次冲击左机构，与防二次冲击右机构结构相同，左右对称布置于落锤冲击试验机的左右立柱上，通过围板焊接或螺栓固定在立柱上，围板的下边缘布置有外轴套；转轴穿过外轴套和内轴套；内轴套位于挡板的边缘；挡板围绕转轴转动，上挡块和下挡块限制挡板的位置；上挡块为电磁铁，由控制器控制，电磁铁通电时上挡块吸附住挡板，使挡板保持立起状态，锤头能够顺利通过；电磁铁断电时，挡板绕转轴旋转落下，处于放倒状态，下挡块限制挡板继续向下转动；锤头回弹时，滑尺将挡板顶开，再次下落时滑尺会被挡板阻挡，从而避免二次撞击试样；挡板由橡胶与钢板复合而成，上表面除与上挡块接触区域之外均有橡胶涂层，能够缓冲滑尺对其的冲击，使落锤尽快停止振动；
所述光电门，为激光传感器，作为本发明的触发器，滑尺通过光电门，激光束被阻挡，计时器开始工作，根据滑尺的宽度和挡光时间，计算得到落锤的冲击速度；光电门的激光被阻挡时，控制器向上挡块的电磁铁发送断电信号；
所述固定夹，通过螺钉固定于载物台面上，四个固定夹夹紧一块试样板，使试样板固定在载物台面上，固定夹的夹持面具有花纹或涂覆有防滑材料，以提高夹持固定时的摩擦力；
所述载物台面，由高强钢板制成，经过淬火处理，以提高刚度和强度，防止多次冲击后发生变形，而且中间为矩形孔洞，作为落锤冲击区域，下部被四个载物台立柱支撑，底板位于四个载物台立柱之下，它们通过焊接进行连接；底板的下面设有防滑减振橡胶垫。
3、本发明提供一种落锤冲击试验系统，相比现有技术具有以下进步和优点：
(1)试验系统组成简单，操作方便，成本低，安装和拆卸方便，便于运输。
(2)冲击能量调整方便，试验系统能耗低，而且结构牢固，使用寿命长。
(3)具有防二次冲击功能，响应速度快，避免试样被多次冲击，提高试验测试的准确性。
总之，本发明是一种操作方便，容易制造、安装和拆卸，成本低，能耗低的落锤冲击试验系统，可用于工程塑料、纤维增强复合材料、铝合金等多种材料或结构的冲击性能测试。
附图说明
图1为本发明的三维轴测示意图。
图2为本发明的主视示意图。
图3为本发明的防二次冲击装置处于立起状态的示意图。
图4为本发明的防二次冲击装置处于放倒状态的示意图。
图中符号说明如下：
1-上横梁、2-左立柱、3-高度标尺、4-左滑轨、5-滑尺、6-防二次冲击左机构、7-光电门、8-左底支撑梁、9-左底纵梁、10-左底座角梁、11-载物台立柱、12-底板、13-下横梁、14-右底座角梁、15-右底纵梁、16-右底支撑梁、17-防二次冲击右机构、18-右立柱、19-右滑轨、20-锤架上板、21-配重块、22-螺杆、23-锤架下板、24-锤头支座、25-传感器、26-锤头、27-固定夹、28-载物台面、29-控制器、30-数据采集系统、31-数据存储系统、32-数据处理及显示系统、601-围板、602-外轴套、603-上挡块、604-内轴套、605-转轴、606-挡板、607-下挡块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：
如附图所示，本发明一种落锤冲击试验系统，包括以下部分：上横梁1、左立柱2、高度标尺3、左滑轨4、滑尺5、防二次冲击左机构6、光电门7、左底支撑梁8、左底纵梁9、左底座角梁10、载物台立柱11、底板12、下横梁13、右底座角梁14、右底纵梁15、右底支撑梁16、防二次冲击右机构17、右立柱18、右滑轨19、锤架上板20、配重块21、螺杆22、锤架下板23、锤头支座24、传感器25、锤头26、固定夹27、载物台面28、控制器29、数据采集系统30、数据存储系统31、数据处理及显示系统32；其中，防二次冲击左机构6由围板601、外轴套602、上挡块603、内轴套604、转轴605、挡板606和下挡块607组成；它们之间的关系是：上横梁1、左立柱2、左底纵梁9、右底纵梁15与右立柱18通过螺栓固定连接，共同组成了落锤冲击试验机的主体框架结构；两个左底支撑梁8对称布置于左立柱2的两侧，通过螺栓固定连接在左立柱2与左底纵梁9，呈斜拉筋形式；两个右底支撑梁16对称布置于右立柱18的两侧，通过螺栓固定连接在右立柱18与右底纵梁15，呈斜拉筋形式；下横梁13通过螺栓固定连接于左底纵梁9和右底纵梁15之间；两个光电门7对称布置于左右立柱，位于二次冲击左机构6和防二次冲击右机构17之下，距离载物台面28的高度为锤架上板20上表面与锤头26下端点之间的距离再加上两倍的滑尺5宽度；左滑轨4、右滑轨19的上下端部有螺纹，布置于上横梁1与下横梁13之间，上下端部通过螺母拧紧定位；锤架上板20与锤架下板23通过法兰球轴承安装于左滑轨4、右滑轨19之上，能够在两个滑轨上自由滑动；锤头支座24位于锤架下板23的下表面，传感器25通过螺纹旋转固定于锤头支座24上，然后再通过螺纹与锤头26相连；配重块21位于锤架上板20和锤架下板23之间，通过增减配置块的数量来改变落锤的重量；锤架上板20和锤架下板23通过螺杆22连接；左底座角梁10通过螺栓固连于左底纵梁9和载物台立柱11；右底座角梁14通过螺栓固连于右底纵梁15和载物台立柱11；滑尺5固连于锤架上板20的左右两侧；高度标尺3固连于左立柱2的内侧；防二次冲击左机构6固连于左立柱2上；防二次冲击右机构17固连于右立柱18；
所述上横梁1、左立柱2、左底支撑梁8、左底纵梁9、右底纵梁15、右底支撑梁16和右立柱18为凹形槽钢，左底纵梁9和右底纵梁15的底面设有防滑减振橡胶垫；
所述下横梁13为盒形结构，下表面开口，上表面封闭，左右两端设有与左右底纵梁连接用的通孔，上表面设有左右导轨安装用的通孔；
所述防二次冲击左机构6，与防二次冲击右机构17结构相同，左右对称布置于落锤冲击试验机的左右立柱上，通过围板601焊接或螺栓固定在立柱上，围板601的下边缘布置有外轴套602；转轴605穿过外轴套602和内轴套604；内轴套604位于挡板606的边缘；挡板606围绕转轴605转动，上挡块603和下挡块607限制挡板606的位置；上挡块603为电磁铁，由控制器29控制，电磁铁通电时上挡块603吸附住挡板606，使挡板606保持立起状态，锤头能够顺利通过；电磁铁断电时，挡板606绕转轴605旋转落下，处于放倒状态，下挡块607限制挡板606继续向下转动；锤头回弹时，滑尺5将挡板606顶开，再次下落时滑尺5会被挡板606阻挡，从而避免二次撞击试样；挡板606由橡胶与钢板复合而成，上表面除与上挡块603接触区域之外均有橡胶涂层，能够缓冲滑尺5对其的冲击，使落锤尽快停止振动；
所述光电门7为激光传感器，作为本发明的触发器，滑尺5通过光电门7，激光束被阻挡，计时器开始工作，根据滑尺5的宽度和挡光时间，计算得到落锤的冲击速度；光电门7的激光被阻挡时，控制器29向上挡块603的电磁铁发送断电信号；
所述固定夹27通过螺钉固定于载物台面28上，四个固定夹27夹紧一块试样板，使试样板固定在载物台面28上，固定夹27的夹持面具有花纹或涂覆有防滑材料，以提高夹持固定时的摩擦力；
所述载物台面28，由高强钢板制成，经过淬火处理，以提高刚度和强度，防止多次冲击后发生变形，而且中间为矩形孔洞，作为落锤冲击区域，下部被四个载物台立柱11支撑，底板12位于四个载物台立柱11之下，它们通过焊接进行连接；底板12的下面设有防滑减振橡胶垫；
本发明试验时，首先把试验样件放置在载物台面28上，通过四个固定夹27将样件固定；然后，防二次冲击左机构6与防二次冲击右机构17中的电磁铁通电，将挡板606拨至立起，挡块603吸住挡板606；根据冲击能量计算出落锤的重力势能，进而得到落锤下落高度和落锤重量，安装配重块21；随后将落锤提升到指定高度，释放后沿着滑轨自由落体运动落下，对载物台面28上的试样进行冲击测试；滑尺5通过光电门7时，激光被阻挡，试验系统被触发，控制器向挡块603中的电磁场发送断电控制信号，电磁铁断电失去磁性，挡板606落下，同时数据采集系统30接收到触发信号，根据激光被阻挡的时长计算出落锤的速度，并开始采集锤头上传感器25的冲击力和冲击加速度的数据，传输至数据存储系统31进行保存，经过数据处理及显示系统32滤波处理得到并显示冲击力-时间曲线、冲击力峰值、冲击动能、冲击速度；若试样被锤头刺入或贯穿，锤头不会弹起，试验结束；若试样没有发生断裂，锤头发生反弹，滑尺5将挡板606顶开，落锤再次下落时滑尺5被防二次冲击左机构6和防二次冲击右机构17中的两块挡板606阻挡，从而避免二次冲击的发生；最后，打开固定夹27，取下试样。
本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种落锤冲击试验系统，其特征在于：包括上横梁、左立柱、高度标尺、左滑轨、滑尺、防二次冲击左机构、光电门、左底支撑梁、左底纵梁、左底座角梁、载物台立柱、底板、下横梁、右底座角梁、右底纵梁、右底支撑梁、防二次冲击右机构、右立柱、右滑轨、锤架上板、配重块、螺杆、锤架下板、锤头支座、传感器、锤头、固定夹、载物台面、控制器、数据采集系统、数据存储系统、数据处理及显示系统；其中，防二次冲击左机构由围板、外轴套、上挡块、内轴套、转轴、挡板和下挡块组成；它们之间的关系是：上横梁、左立柱、左底纵梁、右底纵梁与右立柱通过螺栓固定连接，共同组成了落锤冲击试验机的主体框架结构；两个左底支撑梁对称布置于左立柱的两侧，通过螺栓固定连接在左立柱与左底纵梁，呈斜拉筋形式；两个右底支撑梁对称布置于右立柱的两侧，通过螺栓固定连接在右立柱与右底纵梁，呈斜拉筋形式；下横梁通过螺栓固定连接于左底纵梁和右底纵梁之间；两个光电门对称布置于左右立柱，位于二次冲击左机构和防二次冲击右机构之下，距离载物台面的高度为锤架上板上表面与锤头下端点之间的距离再加上两倍的滑尺宽度；左滑轨、右滑轨的上下端部有螺纹，布置于上横梁与下横梁之间，上下端部通过螺母拧紧定位；锤架上板与锤架下板通过法兰球轴承安装于左滑轨、右滑轨之上，能够在两个滑轨上自由滑动；锤头支座位于锤架下板的下表面，传感器通过螺纹旋转固定于锤头支座上，然后再通过螺纹与锤头相连；配重块位于锤架上板和锤架下板之间，通过增减配置块的数量来改变落锤的重量；锤架上板和锤架下板通过螺杆连接；左底座角梁通过螺栓固连于左底纵梁和载物台立柱；右底座角梁通过螺栓固连于右底纵梁和载物台立柱；滑尺固连于锤架上板的左右两侧；高度标尺固连于左立柱的内侧；防二次冲击左机构固连于左立柱上；防二次冲击右机构固连于右立柱；
所述上横梁、左立柱、左底支撑梁、左底纵梁、右底纵梁、右底支撑梁和右立柱为凹形槽钢，左底纵梁和右底纵梁的底面设有防滑减振橡胶垫；
所述下横梁为盒形结构，下表面开口，上表面封闭，左右两端设有与左右底纵梁连接用的通孔，上表面设有左右导轨安装用的通孔；
所述防二次冲击左机构，与防二次冲击右机构结构相同，左右对称布置于落锤冲击试验机的左右立柱上，通过围板焊接或螺栓固定在立柱上，围板的下边缘布置有外轴套；转轴穿过外轴套和内轴套；内轴套位于挡板的边缘；挡板围绕转轴转动，上挡块和下挡块限制挡板的位置；上挡块为电磁铁，由控制器控制，电磁铁通电时上挡块吸附住挡板，使挡板保持立起状态，锤头能够顺利通过；电磁铁断电时，挡板绕转轴旋转落下，处于放倒状态，下挡块限制挡板继续向下转动；锤头回弹时，滑尺将挡板顶开，再次下落时滑尺会被挡板阻挡，从而避免二次撞击试样；挡板由橡胶与钢板复合而成，上表面除与上挡块接触区域之外均有橡胶涂层，能够缓冲滑尺对其的冲击，使落锤尽快停止振动；
所述载物台面，由高强钢板制成，经过淬火处理，以提高刚度和强度，防止多次冲击后发生变形，而且中间为矩形孔洞，作为落锤冲击区域，下部被四个载物台立柱支撑，底板位于四个载物台立柱之下，它们通过焊接进行连接；底板的下面设有防滑减振橡胶垫。
2.根据权利要求1所述的一种落锤冲击试验系统，其特征在于：冲击试验时，首先把试验样件放置在载物台面上，通过四个固定夹将样件固定；然后，防二次冲击左机构与防二次冲击右机构中的电磁铁通电，将挡板拨至立起，挡块吸住挡板；根据冲击能量计算出落锤的重力势能，进而得到落锤下落高度和落锤重量，安装配重块；随后将落锤提升到指定高度，释放后沿着滑轨自由落体运动落下，对载物台面上的试样进行冲击测试；滑尺通过光电门时，激光被阻挡，试验系统被触发，控制器向挡块中的电磁场发送断电控制信号，电磁铁断电失去磁性，挡板落下，同时数据采集系统接收到触发信号，根据激光被阻挡的时长计算出落锤的速度，并开始采集锤头上传感器的冲击力和冲击加速度的数据，传输至数据存储系统进行保存，经过数据处理及显示系统滤波处理得到并显示冲击力-时间曲线、冲击力峰值、冲击动能、冲击速度；若试样被锤头刺入或贯穿，锤头不会弹起，试验结束；若试样没有发生断裂，锤头发生反弹，滑尺将挡板顶开，落锤再次下落时滑尺被防二次冲击左机构和防二次冲击右机构中的两块挡板阻挡，从而避免二次冲击的发生；最后，打开固定夹，取下试样。
3.根据权利要求1所述的一种落锤冲击试验系统，其特征在于：所述光电门，为激光传感器，作为本发明的触发器，滑尺通过光电门，激光束被阻挡，计时器开始工作，根据滑尺的宽度和挡光时间，计算得到落锤的冲击速度；光电门的激光被阻挡时，控制器向上挡块的电磁铁发送断电信号。
4.根据权利要求1所述的一种落锤冲击试验系统，其特征在于：所述固定夹，通过螺钉固定于载物台面上，四个固定夹夹紧一块试样板，使试样板固定在载物台面上，固定夹的夹持面具有花纹或涂覆有防滑材料，以提高夹持固定时的摩擦力。
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