CN219161889U - 一种模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，本实用新型的装置包括机架、电磁铁释放机构、落锤机构和试件固定机构，所述电磁铁释放机构分别位于机架内部的上方和下方，所述电磁铁释放机构用于吸附落锤机构并在预设时间下释放落锤机构，所述落锤机构被吸附在电磁铁释放机构上时位于试件固定机构正上方，所述落锤机构包括落锤、弹簧、阻尼器和接触片，所述弹簧和阻尼器均竖直固定在落锤下表面和接触片上表面之间，所述试件固定机构用于固定和摆放安装试件。本实用新型便于实验人员准确测试燃气爆炸荷载作用下混凝土等材料和结构的各项物理力学参数以及动力响应过程，且整个加载实验装置强度较高，安全性能较好。

Description

一种模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置

技术领域

本实用新型涉及燃气爆炸安全防护技术，特别涉及一种模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置。

背景技术

随着城市建设及基础建设的不断发展，燃气作为城市正常运行的主要能源之一，燃气爆炸安全研究也越来越受到广大研究人员的重视。燃气发生泄漏和爆炸的事故时有发生，严重威胁着城市安全和居民的生命财产安全。由于燃气爆炸的破坏效果受到浓度、点火能、点火位置、结构类型等因素的影响，燃气爆炸荷载的形式与凝聚态炸药爆炸存在明显的差异性，燃气爆炸荷载压力时程曲线更加平缓，作用时间更长。对于实验研究，限于一般燃气无色且容易泄露的特点，开展燃气爆炸实验容易造成安全事故，因此燃气爆炸实验一般采用小模型，但小模型存在显著的尺寸效应，因此一部分学者考虑使用等效替代的实验方法，但由于燃气爆炸荷载作用时长等特点，一般炸药、落锤、霍普金森杆以及轻气炮等实验系统均无法产生与燃气爆炸荷载相似的加载曲线，因此，采用研究一种能够等效替代燃气爆炸荷载的实验系统具有十分重要的现实意义和广阔的应用价值。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，可有效模拟燃气爆炸荷载的加载速率、峰值以及加载时长，进一步模拟混凝土等材料和结构在燃气爆炸荷载作用下动态过程，最终通过实验得到混凝土等材料和结构在燃气爆炸荷载作用下的动力响应和损伤分布等情况。

为解决以上技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，包括机架、电磁铁释放机构、落锤机构和试件固定机构，所述电磁铁释放机构和试件固定机构分别设置在机架内部的上方和下方，所述电磁铁释放机构用于吸附和释放落锤机构，所述落锤机构被吸附在电磁铁释放机构上时位于试件固定机构正上方，所述落锤机构包括落锤、弹簧、阻尼器和接触片，所述弹簧和阻尼器均竖直固定在落锤下表面和接触片上表面之间，所述试件固定机构用于固定和摆放安装试件且使得试件中部悬空。

本实用新型采用以上技术方案后，与现有技术相比，具有以下优点：

本实用新型安装使用方便，避免直接使用燃气造成的实验安全风险，便于实验人员准确测试燃气爆炸荷载作用下混凝土等材料和结构的各项物理力学参数以及动力响应过程，且整个加载实验装置强度较高，安全性能较好。

本实用新型通过在钢架的定位钢条上挂载电动升降机，通过钢绳控制电磁铁的升降，进一步用电磁铁吸附落锤，实现半自动化提升落锤的便捷操作，保障实验人员安全，使用该装置对落锤较重、实验人员较少等实验场景有有益效果，可以提高实验效率；

本实用新型通过在落锤底部焊接弹簧、阻尼器以及接触片，其中弹簧的刚度系数可以通过不同的弹簧规格进行调节，落锤在下落过程中受到弹簧弹力和阻尼器的阻碍，由匀加速运动变为变减速运动，也就是将落锤下落与混凝土试件碰撞的作用时间延长，从而模拟出燃气爆炸荷载时程曲线作用时间长的特点，并通过电磁铁断电实现落锤弹簧组合的瞬间释放，避免了传统落锤实验顶部附有拉绳的情况下影响落锤自由落体和下落过程中姿态难以保持的问题。而且本实用新型可适应多种实验工况的快速调整，如不同的撞击力加载速率和峰值，阻尼器可以配合调整作用的时长，使得本申请可以模拟多种实验工况，有效节约实验成本。

进一步的，所述电磁铁释放机构包括电动升降机、拉绳和电磁铁，所述电动升降机通过顶部焊接的挂钩安装于机架上，电动升降机为水平设置的旋转电机，所述拉绳一端固定在电动升降机的输出端上，另一端固定有电磁铁，且拉绳上段部分卷绕在电动升降机的输出端上，所述电动升降机用于通过带动输出端转动带动电磁铁上升或下降，所述电磁铁底部含有圆形磁吸片。

采用上述进一步方案的有益效果是：保证落锤通过电磁铁通电、断电操作可以瞬间处于自由落体状态，通过电动升降机确保落锤弹簧组合可以通过拉绳自动提升至预定高度，从而达到节约人力的效果，保障人员安全。

进一步的，所述落锤机构中，阻尼器和弹簧的上端焊接在落锤底部中心，阻尼器和弹簧下端焊接在接触片表面中心位置，接触片与落锤底面平行。

采用上述进一步方案的有益效果是：保证落锤弹簧组合在下落碰撞过程中不发生倾倒，弹簧始终处于弹性变形阶段，确保落锤弹簧组合可以与混凝土试件发生正向碰撞。

进一步的，所述试件固定机构包括两个C形夹制钢板和螺杆，两个C形夹制钢板分别位于试件两侧，螺杆用于将试件与C形夹制钢板固定。

采用上述进一步方案的有益效果是：保证混凝土试件在冲击实验过程中不会发生位移，影响实验结果，创造满足实验要求的边界条件，通过夹制钢板固定试件，可以抵消试件尺寸带来的边界效应，从而提高实验的精度。

进一步的，所述机架方形钢材料框架和定位钢条，所述定位钢条用于安装电磁铁释放机构且焊接在钢架顶部，所述定位钢条位置可根据实验调整。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过选择合适厚度和强度的钢材框架，可满足在挂起落锤弹簧组合、电磁铁装置以后不发生大变形，确保落锤下落位置可以调控。

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细说明。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构图；

图2为电磁铁释放机构结构示意图；

图3为落锤机构结构示意图；

图4为试件固定机构结构示意图；

附图中，各标号代表的含义如下：

1、机架；2、电磁铁释放机构；3、落锤机构；4、试件固定机构；21、电动升降机；22、拉绳；23、电磁铁；31、落锤；32、弹簧；33、阻尼器；34、接触片；41、C形夹制钢板；42、螺杆

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，一种模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，包括机架1、电磁铁释放机构2、落锤机构3和试件固定机构4，所述电磁铁释放机构2分别位于机架1内部的上方和下方，所述电磁铁释放机构2用于吸附和释放落锤机构3，所述落锤机构3被吸附在电磁铁释放机构2上时位于试件固定机构4正上方，所述落锤机构3包括落锤31、弹簧32、阻尼器33和接触片34，所述弹簧32和阻尼器33均竖直固定在落锤31下表面和接触片34上表面之间，所述试件固定机构4用于固定和摆放安装试件且使得试件中部悬空。

作为一种实施方式，如图2所示，所述电磁铁释放机构2包括电动升降机21、拉绳22和电磁铁23，所述电动升降机21通过顶部焊接的挂钩安装于机架1上，所述电动升降机通过钢质拉绳与电磁铁连接，电动升降机可以控制电磁铁的升降高度，所述落锤为铁质落锤，电磁铁通电以后通过磁力将落锤吸附，电动升降机通过转动可带动拉绳伸长或缩短，将落锤提升至指定高度，电磁铁断电实现落锤弹簧组合的瞬间释放，避免了传统落锤实验顶部附有拉绳的情况下影响落锤自由落体和下落过程中姿态难以保持的问题。

作为一种实施方式，如图3所示，所述落锤机构中包含圆形的落锤31、钢制的弹簧32、钢材的接触片34以及阻尼器33，圆形落锤满足在下落过程中仅发生平动而不发生转动，钢制弹簧大小及强度满足落锤下压过程不会超出弹簧有效弹性变形限度，钢材料接触片大小及强度满足与混凝土试件碰撞过程中不发生大变形，阻尼器和弹簧的上端焊接在落锤底部中心，阻尼器和弹簧下端焊接在接触片表面中心位置，接触片与落锤底面保持平行。通过在落锤底部焊接弹簧、阻尼器以及接触片，其中弹簧的刚度系数可以通过不同的弹簧规格进行调节，落锤在下落过程中受到弹簧弹力和阻尼器的阻碍，由匀加速运动变为变减速运动，也就是将落锤下落与混凝土试件碰撞的作用时间延长，从而模拟出燃气爆炸荷载时程曲线作用时间长的特点。

作为一种实施方式，如图4所示，所述试件固定机构4包括两个C形夹制钢板41和螺杆42，两个C形夹制钢板41分别位于试件两侧，螺杆42用于将试件与C形夹制钢板41固定。通过螺杆将夹制钢板、试件与固定器压紧在一起，在夹制作用下消除了实验的边界效应，并且固定器将试件两端抬起，试件中央部分悬空，保证实验模型与实际应用场景的相似性。

作为一种实施方式，所述机架1方形钢材料框架和定位钢条，所述定位钢条用于安装电磁铁释放机构2且焊接在钢架顶部，所述定位钢条位置可根据实验调整。

本实用新型的使用方法包括以下步骤：

步骤1、将试件固定在试件固定机构4上，试件中间悬空，以此模拟四边固定约束的混凝土试件状况，利用电磁铁释放机构2吸附落锤机构3，并将落锤机构3提升至预设高度；

步骤2、通过对电磁铁释放机构2的电磁铁23进行断电，在指定时刻释放落锤机构3；

步骤3、落锤机构3向下掉落，落锤机构中的落锤通过下方的弹簧弹力和阻尼器与试件发生多次正向碰撞，进行模拟实验。

相对于现有技术中采用的单落锤冲击的实验方法，本实用新型通过弹簧的弹性变形达到降低撞击力的加载速率，延长落锤撞击作用时间，避免直接落锤直接撞击产生高应变率的动载荷，从而达到模拟燃气爆炸荷载的冲击效果；另一方面，相对于燃气爆炸实验，本申请可以避免燃气泄露对实验人员产生危害，使用本申请更适应多种实验工况的快速调整，如不同的撞击力加载速率和峰值，阻尼器可以配合调整作用的时长，使得本申请可以模拟多种实验工况，有效节约实验成本。

以上所述为本实用新型最佳实施方式的举例，其中未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识。本实用新型的保护范围以权利要求的内容为准，任何基于本实用新型的技术启示而进行的等效变换，也在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，其特征在于，包括机架(1)、电磁铁释放机构(2)、落锤机构(3)和试件固定机构(4)，所述电磁铁释放机构(2)和试件固定机构(4)分别设置在机架(1)内部的上方和下方，所述电磁铁释放机构(2)用于吸附和释放落锤机构(3)所述落锤机构(3)被吸附在电磁铁释放机构(2)上时位于试件固定机构(4)正上方，所述落锤机构(3)包括落锤(31)、弹簧(32)、阻尼器(33)和接触片(34)，所述弹簧(32)和阻尼器(33)均竖直固定在落锤(31)下表面和接触片(34)上表面之间，所述试件固定机构(4)用于固定和摆放安装试件且使得试件中部悬空。

2.根据权利要求1所述的模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，其特征在于，所述电磁铁释放机构(2)包括电动升降机(21)、拉绳(22)和电磁铁(23)，所述电动升降机(21)通过顶部焊接的挂钩安装于机架(1)上，电动升降机(21)为水平设置的旋转电机，所述拉绳一端固定在电动升降机(21)的输出端上，另一端固定有电磁铁(23)，且拉绳(22)上段部分卷绕在电动升降机(21)的输出端上，所述电动升降机(21)用于通过带动输出端转动带动电磁铁(23)上升或下降，所述电磁铁(23)底部含有圆形磁吸片。

3.根据权利要求1所述的模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，其特征在于，所述落锤机构(3)中，阻尼器(33)和弹簧(32)的上端焊接在落锤(31)底部中心，阻尼器(33)和弹簧(32)下端焊接在接触片表面中心位置，接触片与落锤(31)底面平行。

4.根据权利要求1所述的模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，其特征在于，所述试件固定机构(4)包括两个C形夹制钢板(41)和螺杆(42)，两个C形夹制钢板(41)分别位于试件两侧，螺杆(42)用于将试件与C形夹制钢板(41)固定。

5.根据权利要求1所述的模拟燃气爆炸荷载的落锤弹簧系统实验装置，其特征在于，所述机架(1)方形钢材料框架和定位钢条，所述定位钢条用于安装电磁铁释放机构(2)且焊接在钢架顶部，所述定位钢条位置可根据实验调整。

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