CN216524673U - 一种轨道交通防护存储器强冲击试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于轨道交通电子设备试验技术领域，涉及一种轨道交通防护存储器强冲击试验装置。包括：空气炮系统(1)、弹体(2)、储能器(3)、受试件(4)、支架与导轨系统(5)、测试控制系统(6)、缓冲回收装置(7)，其中，支架与导轨系统(5)上表面设置导轨，其中储能器(3)和受试件(4)通过夹具连接并放置导轨上，缓冲回收装置(7)固定在导轨末端，试验时通过测试控制系统(6)对空气炮系统(1)进行控制，空气炮系统(1)驱动弹体(2)产生加速度并撞击储能器(3)撞击储能器(3)产生的冲击波加载在受试件(4)上。能实现对受试件承受的冲击过载幅值和脉宽的控制，达到试验工况要求。

Description

一种轨道交通防护存储器强冲击试验装置

技术领域

本实用新型属于轨道交通电子设备试验技术领域，涉及一种轨道交通防护存储器强冲击试验装置。

背景技术

九十年代开始，美国、英国等国家相继研发出了具有防护功能的轨道类司法记录器，并制定颁布了相应的防撞认证标准和强制实施细则，目前最新版本为美国电气和电子工程师协会的《IEEE Std 1482.1-2013铁路运输车辆事故记录器》以及英国铁路安全委员会的《GM/RT 2472 Issue2-2014列车数据记录器设计要求》，这些标准全面规定了司法记录器设计时必须记录的各种列车运行状态参数及数据防护能力要求。国内轨道交通尚无相关强制要求，但国内轨道交通机车安装的运行状态监控记录系统在发生高速碰撞时容易被损毁，不具备事故数据保护能力，导致事故调查所需的关键信息无法获取，对快速、准确进行事故原因分析和事故责任判定造成困难。因此，国内轨道交通机车制造商提出轨道交通的运行状态监控记录系统必须列装防护存储器，设备应满足 IEEE1482.1-2013规定的强冲击指标要求。

IEEE1482.1-2013标准规定设备应以类似半正弦波的冲击波形冲击设备，冲击波形峰值55g,脉宽100ms,积分面积大于28m/s。冲击完毕后防护存储器内的存储内容完整。国外采用跌落装置对设备进行强冲击试验。国内的强冲击试验方法有摆锤冲击试验、落锤冲击试验，但现有冲击能量有限，较难达到所需的加速度g值和脉宽。目前国内尚无可实现此类冲击的试验设备。Hopkinson杆冲击加载试验可以达到很高的加速度g值，但脉宽也较窄，试件质量不能过大；火炮及火箭撬冲击试验和空气炮冲击试验均可以达到所需的加速度g值，但是脉宽一般较窄，很难直接达到所需的55g、100ms的要求。而且火炮控制难度大、危险系数高，不适合在普通实验室环境进行试验。

实用新型内容

实用新型目的：提供一种轨道交通防护存储器强冲击试验装置。

技术方案：

一种轨道交通防护存储器强冲击试验装置，包括：空气炮系统1、弹体2、储能器3、受试件4、支架与导轨系统5、测试控制系统6、缓冲回收装置7，其中，支架与导轨系统5上表面设置导轨，其中储能器3和受试件4通过夹具连接并放置导轨上，缓冲回收装置7固定在导轨末端，试验时通过测试控制系统6对空气炮系统1)进行控制，空气炮系统1驱动弹体2产生加速度并撞击储能器3撞击储能器3产生的冲击波加载在受试件4上。

进一步地，储能器3包括金属弹簧301和包覆在金属弹簧301外的聚氨酯橡胶302。

进一步地，储能器3为中空结构，储能器3的一端外侧面为锥形，内侧面为喇叭口，储能器3的另一端为固定安装面。

进一步地，金属弹簧301的冲击响应速度至少为冲击加载波的频率的5倍。

进一步地，所述夹具包括安装板，其中安装板一侧设置有凸台，安装后，所述凸台与储能器3、空气炮系统1的炮管中心共轴，受试件4固定在安装板另一侧，安装板下方设置与导轨配合的底座。

进一步地，储能器3和弹体2质量相同。

有益效果：

通过调节空气炮系统1发射压力和弹体2质量，可以控制受试件4上的过载峰值即加速度g值的大小，调节储能器3的结构和弹体2撞击处的形状参数，可以调节受试件4上冲击加载波形及脉宽，从而实现对受试件4承受的冲击过载幅值和脉宽的控制，达到试验工况要求。

附图说明

图1试验件冲击安装示意图；

图2空气炮系统原理图；

图3复合弹体脱壳示意图；

图4储能器工作示意图；

图5储能器示意图；

图6受试件示意图；

图7支架和导轨系统示意图；

图8测试控制系统总体框图；

其中，空气炮系统1；弹体2；储能器3；受试件4，支架与导轨系统5，测试控制系统6，缓冲回收装置7；气罐101、活塞102、炮管103、装弹门104、弹体105、缓冲垫106、充气阀门107、放气阀门108、受试产品201、弹托202、脱壳机构203；金属弹簧301、聚氨酯橡胶302；夹具401、受试产品402、加速度传感器403；导轨501、支架502。

具体实施方式

为了满足IEEE1482.1-2013标准要求的强冲击加载试验，模拟轨道交通防护存储器与其他接触介质发生的碰撞的冲击工况。为了达到标准规定的冲击加载要求，本方法提出两种试验方法，可利用空气炮系统推动弹体撞击储能器，储能器将受到强冲击传递给刚性结构受试件，受试产品安装在受试件上，通过受试件上安装的加速度传感器进行加载测量。也可利用空气炮系统推动受试产品撞击储能器，储能器将受到强冲击传递给刚性结构受试件，通过受试件上安装的加速度传感器进行加载测量。

具体地，运用空气炮系统1驱动弹体2产生加速度并撞击储能器3，储能器和受试件4通过夹具连接，并固定在支架与导轨系统5上，撞击储能器产生的冲击波加载在受试件4上，通过测试控制系统6对空气炮系统1进行控制，对受试件4的冲击加载进行测试。末端设计有缓冲回收装置7，可用于模拟受试件撞击后的缓冲回收。

基本原理是通过调节空气炮系统1发射压力和弹体2质量，可以控制受试件4上的过载峰值即加速度g值的大小，调节储能器3的结构和弹体2撞击处的形状参数，可以调节受试件4上冲击加载波形及脉宽，从而实现对受试件4 承受的冲击过载幅值和脉宽的控制，达到试验工况要求。

如图1和2所示,采用电磁阀控制充气阀门107向气罐101冲入压缩空气充气，活塞102在高压空气的推动下向前移动，堵住气体出口，发射时，电磁阀控制放气阀门108开关打开，活塞102在高压空气的推动下向后移动，高压气体向炮管排出，驱动炮管内的103弹体105加速运动并对试验件进行冲击试验。活塞102远离炮口处贴有缓冲垫106，避免损失活塞面。为满足密封要求，活塞102上设计有2-3个凹槽，内装O型密封圈，即保证活塞可在气罐内滑行又保证具有一定的密封性。弹体105采用高强度表面光滑的不锈钢制成，可是多次反复利用。

本实用新型的气源可由高压气罐或者高压气源管路直接提供压缩空气,气罐上设有断电保护装置，装有直通阀，当气罐内压力大于环境压力时，如果气炮意外断电，能够在10分钟内使气罐自动泄压至环境压力,确保安全；炮管103 和气罐101通过法兰连接并用螺栓紧固,活塞在炮管103后端开有装弹门104, 弹体105从此处装入炮管103。炮管103和气罐101安装保证中线在同一中心，两者固定在地脚螺栓紧固的分段底座上，底座高度可调。

弹体为撞击加载物，采用高强度钢加工，能够自由的在炮管103内滑动；同时可以为包裹产品的复合弹体,复合弹体沿炮管高速滑动后在炮管端部的脱壳机构203作用下使得组成复合弹体的受试产品201和弹托202分离,受试产品 201沿轴线飞出,弹脱202被脱壳机构阻挡。见图3所示。弹托采用聚氨酯发泡材料成形，内外壁光滑，保证沿炮管103自由滑动，同时受试产品201可以轻松从弹托202中滑出。

储能器3和弹体2质量相同，以控制撞击后子弹的位置，防止其倒窜进炮管，擦伤炮管内壁。撞击速度可控。

如图4和5，储能器为复合弹体，设计原理为：当撞击杆以某一速度撞击储能器时，力或速度载荷在储能器中以应力波形式沿储能器轴线方向传播，传播速度是储能器结构沿轴向的纵波波速，当载荷前行到测试件后，测试件才在载荷作用下加速，最终累积到一定速度。具体示意图如下图4所示，其中l0为储能器出事长度，c0为储能器弹性波波速，对于一定速度v撞击储能器时，应力波传播到测试件时，所经历的时间为l0/c0，测试件在这段时间内一直加速，形成一定时段的加速度历程曲线a(t)，积累到最后以一定速度Vf飞出或撞击目标靶板,如公式1所示。

对于冲击的过载幅值和脉宽要求，可通过不同的储能器设计实现。

储能器采用金属弹簧301和聚氨酯橡胶302复合成一个满足冲击载荷特征的冲击波发生装置。聚氨酯聚氨酯橡胶为弹性体材料，具有较强的硬度,拉伸强度、撕裂强度和扭转强度，回弹和伸长率较大，对于冲击应力具有一定的缓冲，其分子结构对于应力波传递具有一定的滞后，通过设计不同的配比，可以得到较好的应力脉宽。同时，为了得到较好的冲击峰值和脉宽，利用金属弹簧的受力回弹性(弹簧固有频率应大于冲击波脉宽)提高峰值，并利用弹簧和聚氨酯橡胶的回弹力持续加载保证冲击脉宽。金属弹簧和聚氨酯胶料通过工艺复合成一体，橡胶外形螺旋线和金属弹簧同心；复合体中间为通孔，一端设计为锥形，在撞击中易形成平缓的冲击波上升端，此端中心倒斜角，方便弹体撞击时自找正定位轴心，微调弹体撞击姿态；后端通孔为复合体安装端，方便储能器安装。中间的直孔在撞击时的空气被高速压缩，形成一段空气弹簧，对于最末端的波形进行二次加载，提升加载波形脉宽。因此结构为橡胶加金属的复合结构，可多次重复利用，极大的节省了试验成本，减少了试验的不确定性。

如图6，受试件4为夹具401和受试产品402的组合件，夹具采用钢结构加工焊接，正面的圆凸台用于固定储能器3；中间的小孔为撞击时产生的空气弹簧的排气孔，底部两侧为固定夹具的楔形固定滑块，保证夹具可以在支架与导轨系统5上固定或者滑动。受试产品402通过刚性连接在夹具401背面，并在产品附件安装加速度传感器403，用来测量受试件碰撞后收到的冲击加载。试验开始时，受试件用同等质量的替代物代替受试产品402，加速度传感器403 在2次以上的连续撞击中采集的冲击加载数据满足试验要求时，将同等质量无替换为受试产品402，开始试验。

如图7，支架和导轨系统由若干支架502和2条平行导轨501组合而成；支架502采用型材焊接而成，导轨501采用型材加工并通过紧固螺钉固定在支架502上。受试件可沿导轨水平滑动。根据试验需求，受试件可以在导轨上滑动或者紧固在某固定位置。

测控系统具备根据冲击试验参数控制气炮高压气室充气、放气的功能；撞击速度采集、分析速度的功能；受试件加速度采集的功能。控制系统由工控机、电机驱动单元、伺服电机、数据采集系统及配套软件，测速装置及配套软件和控制系统总程序组成。整个系统基于LXI总线平台，具备高性能、高可靠性的要求。根据该系统的特点，将计算机通信、测试技术与激励技术有机结合进行系统设计，并结合虚拟仪器、现场控制、网络通讯等技术完成整个系统的设计与开发，保证整个系统具有很强的实时性、通用性和高可靠性。系统硬件总体框图如图8所示。

缓冲回收装置是对受试件进行缓冲系能的装置，固定在支架上，采用毡垫，轻质发泡橡胶板等组合而成，保证受试件撞击后的减速吸能。

1.轨道交通防护存储器碰撞强冲击试验通过空气炮压缩空气来驱动弹体 (可安装受试产品)在炮筒内滑行上并达到预定的碰撞冲击速度，通过对储能器的冲击压缩将标准要求的冲击载荷传递到受试件,并通过加速度传感器进行测量,撞击后通过缓冲装置进行减速回收,整个试验方法简单，冲击载荷易于测量，弹体、储能器、缓冲回收装置均可多次重复使用，试验成本低廉。

2.采用高压空气驱动弹体(可安装受试产品)的方法撞击储能器，撞击速度控制精度较高，撞击后通过与储能器连接的受试件测量加载的冲击波形，可实现撞击试验要求的可控(如图2、图3)。

3.可采用金属加工成刚性体撞击储能器，产生的加载通过和储能器、受试产品连接的受试件进行测量，也可是装有受试产品的复合结构，通过聚氨酯发泡材料固定受试产品，并利用压缩空气将复合结构以一定速度发射，通过炮管端口的脱壳机构将受试产品和聚氨酯发泡材料分离，使得受试产品直接撞击储能器，并通过与储能器连接的受试件测量加载的强冲击波，达到精确控制。

4.采用独特的结构，利用金属弹簧和弹性聚氨酯橡胶复合而成，利用金属弹簧的压缩弹性和聚氨酯橡胶的粘弹性特性，以及对应力传递的迟滞特性，两种材料特性配合可形成较宽的冲击脉宽波形。

5.中间通孔，用于撞击后压缩此处空气，形成空气弹簧，提高冲击加载时间，同时，一端用于安装固定，一端做锥形，内口部倒角，可形成一定的冲击波形并可以对撞击物的撞击姿态和对中性进行微调整。

6.金属弹簧的冲击响应速度(固有频率)大于冲击加载波的频率，可以对冲击加载进行有效的响应，实现较宽的波形加载。

7.金属加工的刚性夹具，正面有圆凸台，上有小直径圆孔用于空气弹簧排气，凸台用于储能器安装；背面安装受试产品或替代品，周围安装加速度传感器。受试件底部有楔形块，用于受试件在导轨上滑动和紧固。

Claims (6)

1.一种轨道交通防护存储器强冲击试验装置，其特征在于，包括：空气炮系统(1)、弹体(2)、储能器(3)、受试件(4)、支架与导轨系统(5)、测试控制系统(6)、缓冲回收装置(7)，其中，支架与导轨系统(5)上表面设置导轨，其中储能器(3)和受试件(4)通过夹具连接并放置导轨上，缓冲回收装置(7)固定在导轨末端，试验时通过测试控制系统(6)对空气炮系统(1)进行控制，空气炮系统(1)驱动弹体(2)产生加速度并撞击储能器(3)撞击储能器(3)产生的冲击波加载在受试件(4)上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，储能器(3)包括金属弹簧(301)和包覆在金属弹簧(301)外的聚氨酯橡胶(302)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，储能器(3)为中空结构，储能器(3)的一端外侧面为锥形，内侧面为喇叭口，储能器(3)的另一端为固定安装面。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，金属弹簧(301)的冲击响应速度至少为冲击加载波的频率的5倍。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹具包括安装板，其中安装板一侧设置有凸台，安装后，所述凸台与储能器(3)、空气炮系统(1)的炮管中心共轴，受试件(4)固定在安装板另一侧，安装板下方设置与导轨配合的底座。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，储能器(3)和弹体(2)质量相同。

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