專利名稱：旋轉碰撞地沖擊波模擬臺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種測試設備，尤其是一種用于結構件沖擊測試的沖擊波模擬試驗臺。
背景技術：
為了檢驗大型特種工程設備的剛度、強度及動態特性是否滿足設計要求，在所處的振動與沖擊環境中能否正常運行，需將大型特種工程設備放在沖擊試驗臺上進行相應的沖擊試驗。
現有的沖擊波模擬試驗臺，主要由緩沖系統、沖擊臺系統和動力系統組成。如美國專利號為6212954的《沖擊試驗裝置》，它采用不同沖擊條件下測試結構安全性能的裝置，它能測試大型結構如汽車、道路安全護欄、飛機、太空艙安全性能的問題。該發明包括沖擊桿和固定裝置(用來固定試件以阻止試件在沖擊方向上的運動)，實驗時利用水壓機或氣壓機加載預先使沖擊桿離開試件，然后觸發沖擊桿上的爆破閂釋放沖擊桿，沖擊桿與試件碰撞從而在結構中產生密集的沖擊波或脈沖，在試件上的傳感器則可以測試模擬沖擊條件下的應力波在結構中的傳播。但它采用傳統的測試方法，須建造一堵特別的墻、防護欄或者放置另一輛汽車、一架飛機等輔助裝置，然后在指定的位置放置傳感器，測得沖擊結果。這種做法使得測試如飛機這類的大型、復雜結構變得非常困難，并且當進行多次重復試驗時，成本較高。
又如美國專利號為5739411的《沖擊試驗裝置》，它是為了模擬測試，如高爾夫球桿這類結構擊球時球桿內的動態應力。試驗時，試件被夾持在特制的夾具中，以滿足相應的邊界條件，從而模擬球桿擊球時桿內的瞬態應力。沖擊力則由一壓縮彈簧提供(彈簧的壓縮量則由預先給定的沖擊力決定)。試驗過程中，球桿的速度及其沖擊力可由安置在球桿上的壓電傳感器輸出的電壓號做相應的計算得到。上述已有的地沖擊模擬臺還存在著如下的不足1、已有沖擊模擬臺的緩沖系統不能承受大變位的沖擊，由于沒有采用承載能力高、可大變位、更大阻尼非線性彈簧的緩沖技術，所以沒有解決試件重為80噸以上、變位在20cm以上、加速度在100g以上的爆炸地沖擊載荷激勵載荷模擬技術問題。
2、已有地沖擊模擬臺的動力系統不能同時在水平方向與垂直方向控制加載，不能動態模擬高強沖擊波的沖擊。
3、已有沖擊臺系統承載力較小，因此很難進行重型結構模擬實驗。
發明內容
本發明的目的是提出一種旋轉碰撞地沖擊波模擬臺，要解決動力系統可以動態模擬高強沖擊波的問題；并解決已有沖擊臺系統承載力較小，很難進行重型結構模擬實驗的問題；還解決已有沖擊模擬臺的緩沖系統不能承受大變位的沖擊，不能模擬80噸重型試件時變位在20cm以上、加速度100g以上的爆炸沖擊載荷的問題。
本發明的技術方案，這種旋轉碰撞地沖擊波模擬臺，包括緩沖系統、沖擊臺系統和動力系統，其特征在于緩沖系統由四個緩沖鼓形鋼絲繩彈簧組成，緩沖鼓形鋼絲繩彈簧設置在沖擊臺與地面之間；上述的緩沖鼓形鋼絲繩彈簧由上、下兩個鋼箍以及穿繞上、下兩個鋼箍之間的鋼絲繩構成，其下鋼箍由螺栓與地面固連，上鋼箍由螺栓與沖擊臺固連；動力系統主要由軌道托架、碰撞球軌道、旋轉軸、碰撞球組成旋轉動力系統，由軌道托架支撐的碰撞球軌道為C形鋼管，碰撞球約束在碰撞球軌道內，由電機驅動的旋轉軸被支撐在碰撞球軌道中心位置，旋轉軸與驅動連桿一端連接，驅動連桿另一端自碰撞球軌道的向心開口伸至碰撞球軌道內撥動碰撞球旋轉，碰撞球軌道的切線出口處外套啟閉控制環，啟閉控制環的兩端有止推座，在碰撞球軌道外面置有與止推座配合的擋塊；沖擊臺系統主要由沖擊臺、碰撞托架、緩沖阻尼墊、碰撞托板、試件夾板、試件、傳感器和數據采集系統組成，試件夾板設置在沖擊臺上，試件上的傳感器經導線與數據采集系統連接，沖擊臺下面連接拐角形碰撞托架，碰撞托架上固定連接與碰撞球軌道切向出口相對應的碰撞托板，碰撞托板上面粘接緩沖阻尼墊。
上述旋轉軸兩端分別由支座支撐。
上述沖擊臺為鋼板包砼結構或鋼框架包砼的結構。
上述緩沖阻尼墊可以是高強厚橡膠墊或由橡膠墊與舊書組合而成。
本發明在動力系統中采用由圓環形軌道和碰撞球組成的旋轉動力系統，在沖擊臺系統采用鋼包砼結構，在緩沖系統采用鼓形鋼絲繩彈簧。當圓軌道內旋轉碰撞球至所設計的速度時，釋放高速碰撞球，與沖擊臺與鼓形鋼絲繩彈簧組成的系統碰撞，通過碰撞沖擊和鼓形鋼絲繩彈簧共同作用，使沖擊臺與試件按需要的地沖擊波形振動，提供大型特種工程設備測試的大變位高速激勵載荷，對大型工程設備在地沖擊載荷作用下動態性能進行測試。進行測試前，首先對碰撞球的旋轉產生的速度進行調試，達到所需速度為止；其次將試件通過吊裝在沖擊臺上，并將周邊用試件夾板固定連接好，然后根據測試需要，在試件上不同位置上布置應變與位移傳感器，將各測試表歸零，并將不同的傳感器用不同的電線與數據采集系統中不同的接線柱連接；再次根據初步估算或以往測試經驗粘接所需厚度的緩沖阻尼墊，調節緩沖阻尼墊厚度可以方便地模擬不同作用時間的波長。測試時，電機經過無級變速驅動旋轉軸，旋轉軸通過連桿驅碰撞球，當電機到達設計的轉速時，開啟啟閉控制環，碰撞球經碰撞托架撞擊沖擊臺，使緩沖鼓形鋼絲繩彈簧大變形，沖擊臺振動，同時在水平方向與垂直方向控制加載，動態模擬高強沖擊波的沖擊，再經數據采集系統自動記錄，從而實現了地沖擊波的模擬和對復雜大型特種工程設備性能動態的測試。
本發明的旋轉碰撞地沖擊波模擬臺的優點1、由于采用的緩沖彈簧由4個非線性大阻尼具有三向剛度鼓形鋼絲繩彈簧組成，每個彈簧承載能力為20000KN，最大變位達到20cm，阻尼比在0.25以上；因此，4個非線性彈簧組成的緩沖彈簧系統能承受80噸的試件，并且在一定速度和質量的碰撞球作用到試件支撐臺上，通過緩沖彈簧將勢能轉化為彈性勢能，再作用于試件，因此，本發明可模擬位移為20cm和加速度為100g較長時間作用的地沖擊波，并通過緩沖墊控制沖擊波的作用時間；2、可以通過電機調節碰撞球的速度和改變緩沖阻尼墊的厚度，從而分析試件在不同的地沖擊載荷作用下的響應，來驗證數值分析結果計算方法的正確性；3、由于緩沖彈簧可以并聯，旋轉軸上可以并聯軌道，從而可以實現對更大實際結構的測試研究。它能很好地為分析模擬不同地沖擊波作用到大型特種工程設備的動態特性提供實驗環境。很好地為分析高強地沖擊波的形成機理、演化過程以及動態特性提供實驗環境。
圖1是本發明旋轉碰撞地沖擊波模擬臺的結構示意圖；圖2是圖1中所示A向的動力系統實施例的結構示意圖；圖3是圖1中所示B向的沖擊臺系統示意圖；圖4是圖1中所示碰撞球軌道示意圖；圖5是圖1中碰撞球軌道C-C剖面的示意圖；圖6是緩沖鼓形鋼絲繩彈簧的示意圖；圖7是圖4的俯視圖。
圖8是本發明的旋轉碰撞地沖擊波模擬臺碰撞球能量傳遞路線示意圖。
1-緩沖鼓形鋼絲繩彈簧、101-下鋼箍、102-上鋼箍、103-鋼絲繩。
2-碰撞托架、3-沖擊臺、4-試件夾板、5-試件、6-傳感器、7-數據采集系統、8-軌道托架、9-滑鍵、10-滑動套、11-驅動連桿、12-碰撞球軌道、121-向心開口、122-切向出口；13-碰撞球、14-止推座、15-啟閉控制環、16-緩沖阻尼墊、17-碰撞托板、18-支座、19-電機、20-旋轉軸、21-墻體、22-地面、23-擋塊。
具體實施例方式
實施例如圖1-6所示，這種旋轉碰撞地沖擊波模擬臺，包括緩沖系統、沖擊臺系統和旋轉動力系統。
參見圖1、圖6、圖7，緩沖系統由四個緩沖鼓形鋼絲繩彈簧1組成，緩沖鼓形鋼絲繩彈簧設置在沖擊臺3與地面之間；上述的緩沖鼓形鋼絲繩彈簧由上、下兩個鋼箍以及穿繞上、下兩個鋼箍之間的鋼絲繩103構成，其下鋼箍101由螺栓與地面22固連，上鋼箍102由螺栓與沖擊臺固連。
參見圖1、圖2、圖4、圖5，旋轉動力系統主要由軌道托架8、碰撞球軌道12、旋轉軸20、碰撞球13組成，軌道托架8支撐在墻體21上，由軌道托架8支撐的碰撞球軌道12為C形鋼管，碰撞球13約束在碰撞球軌道12內，由電機19驅動的旋轉軸20被支撐在碰撞球軌道中心位置，旋轉軸20兩端分別由支座18支撐。旋轉軸20由滑鍵9連接滑動套10，滑動套10與兩根對稱的驅動連桿11的一端連接，驅動連桿另一端自碰撞球軌道的向心開口121伸至碰撞球軌道內撥動碰撞球旋轉，碰撞球軌道的切向出口122處外套啟閉控制環15，啟閉控制環15可以開啟或閉合碰撞球軌道12的切向出口122，當碰撞球的速度達到設定值時，啟閉控制環15開啟，碰撞球13從切向出口122彈出，啟閉控制環15的兩端有止推座14，在碰撞球軌道外面置有與止推座配合的擋塊23，使啟閉控制環15在開啟到合適位置時被擋住。
參見圖1、圖3，沖擊臺系統主要由沖擊臺3、碰撞托架2、緩沖阻尼墊16、碰撞托板17、試件夾板4、試件5、傳感器6和數據采集系統7組成，試件夾板4設置在沖擊臺3上，試件上的傳感器6經導線與數據采集系統7連接，上述沖擊臺3為鋼板包砼結構或鋼框架包砼的結構。沖擊臺下面連接拐角形碰撞托架2，碰撞托架上固定連接與碰撞球軌道切線出口122相對應的碰撞托板17，碰撞托板上面粘接緩沖阻尼墊16。上述緩沖阻尼墊16是高強厚橡膠墊或由橡膠墊與舊書組合而成。
鼓形鋼絲繩彈簧1用于支撐試件沖擊臺3、試件夾板4和試件5，同時對沖擊波波形模擬起到控制和對試件5起到緩沖作用，試件沖擊臺3和試件夾板4用于地沖擊波波形的模擬和支撐試件5，試件5用于檢驗高強沖擊波模擬臺波形模擬可靠程度和系統的動態性能，測量系統參數的應變、位移傳感器6通過電線與數據采集分析系統連接，數據采集系統7用于高強沖擊波模擬臺的波形模擬輸出和系統響應輸出的測量和分析，軌道托架8用于支撐軌道12，滑鍵9將滑動套10連接在旋轉軸20上，并帶動驅動連桿11，驅動連桿11驅動碰撞球13在軌道12中旋轉運動，啟閉控制環15用于碰撞球13釋放時的控制，碰撞球13為旋轉碰撞地沖擊波模擬臺提供試驗能量，啟閉控制環15安裝在軌道12和控制環止推座14上，緩沖阻尼墊16用于控制所模擬沖擊波幅值大小和波形，碰撞托架2用于支撐碰撞托板17，碰撞托板17供緩沖阻尼墊粘接和利于碰撞球13的相碰，電機19通過傳動裝置驅動旋轉軸20轉動，支座18用于支撐旋轉軸20。
地面上均勻布置2×2個單只非線性緩沖鼓形鋼絲繩彈簧1，彈簧下方通過鼓形鋼絲繩彈簧的下鋼箍101用螺栓與地面固連，上方通過鼓形鋼絲繩彈簧的上鋼箍102用螺栓與沖擊臺3固連。鼓形鋼絲繩彈簧由若干根剛度較大的鋼絲繩103繞成。碰撞托架2直接用螺栓固連在沖擊臺正下方，使碰撞托板17與碰撞球13軌道12上啟閉控制環15的位置對正。
數據采集系統7采用DASP數據采集、分析、處理系統，在采集數據時可對所采數據進行動態實時顯示，同時實時分析結構的固有特性并輸出處理結果；在數據處理階段對所采集數據進行FFT變換、小波變換，以精確地分析數據，其采集頻率范圍為0～1MHz。
碰撞球13是一實心球，可用滾鍛方法生產，其主要生產過程如下35CrMo合金鋼滾鍛—粗加工—調質—精加工。主要技術參數列表如下 啟閉控制環15滑動套接在碰撞球軌道12上，碰撞球13加速過程中，關閉碰撞球軌道12的球出口，當需釋放碰撞球13時，直流脈沖控制器提供瞬間脈沖電流，使得脈沖啟閉控制環掛鉤打開，從而釋放碰撞球13。
碰撞球軌道12如圖4、圖5所示，采用圓鋼管環結構，環內側有向心開口121，以便驅動連桿可以旋轉，為了碰撞球13能順利釋放，圓鋼管環上留有切向出口122。
碰撞球軌道通過軌道托架支撐在結構墻上，以便碰撞球在軌道中安全加速旋轉；碰撞球約束在軌道內，通過旋轉軸、驅動連桿來驅動，到達一定速度后開啟啟閉控制環。啟閉控制環采用局部圓環鋼管結構，內環開槽，鑲套在軌道上，并約束啟閉控制環止推座上。
圖6、圖7是緩沖鼓形鋼絲繩彈簧示意圖。鼓形鋼絲繩彈簧1用于支撐試件沖擊臺3和試件5，同時對沖擊波波形模擬起到控制作用。其結構外形為鼓形，由上下兩個鋼圈及若干股鋼絲組成，鋼絲繞行與兩鋼圈之間，從而兼顧了垂向和側向的力學性能，從而保證了同時模擬爆炸產生多向地沖擊波效果。
圖8是本發明的旋轉碰撞地沖擊波模擬臺碰撞球能量傳遞路線示意圖。進行沖擊試驗時，將碰撞球13旋轉到一定速度，調節好緩沖阻尼墊墊16的形狀和厚度，然后釋放碰撞球13，碰撞球13沖擊模擬沖擊臺3，使沖擊臺3與鼓形鋼絲繩彈簧1共同作用產生所需模擬地沖擊波，然后對試件5進行作用。碰撞球13碰撞沖擊臺3的同時，用數據采集系統7將試件5響應信號采集并分析，以檢驗沖擊臺3波形模擬性能和測試試件動態性能。
權利要求
1.一種旋轉碰撞地沖擊波模擬臺，包括緩沖系統、沖擊臺系統和動力系統，其特征在于緩沖系統由四個緩沖鼓形鋼絲繩彈簧組成，緩沖鼓形鋼絲繩彈簧設置在沖擊臺與地面之間；上述的緩沖鼓形鋼絲繩彈簧由上、下兩個鋼箍以及穿繞上、下兩個鋼箍之間的鋼絲繩構成，其下鋼箍由螺栓與地面固連，上鋼箍由螺栓與沖擊臺固連；動力系統主要由軌道托架、碰撞球軌道、旋轉軸、碰撞球組成旋轉動力系統，由軌道托架支撐的碰撞球軌道為C形鋼管，碰撞球約束在碰撞球軌道內，由電機驅動的旋轉軸被支撐在碰撞球軌道中心位置，旋轉軸與驅動連桿一端連接，驅動連桿另一端自碰撞球軌道的向心開口伸至碰撞球軌道內撥動碰撞球旋轉，碰撞球軌道的切線出口處外套啟閉控制環，啟閉控制環的兩端有止推座，在碰撞球軌道外面置有與止推座配合的擋塊；沖擊臺系統主要由沖擊臺、碰撞托架、緩沖阻尼墊、碰撞托板、試件夾板、試件、傳感器和數據采集系統組成，試件夾板設置在沖擊臺上，試件上的傳感器經導線與數據采集系統連接，沖擊臺下面連接拐角形碰撞托架，碰撞托架上固定連接與碰撞球軌道切向出口相對應的碰撞托板，碰撞托板上面粘接緩沖阻尼墊。
2.根據權利要求1所述的旋轉碰撞地沖擊波模擬臺，其特征在于上述旋轉軸兩端分別由支座支撐。
3.根據權利要求1所述的旋轉碰撞地沖擊波模擬臺，其特征在于上述沖擊臺為鋼板包砼結構或鋼框架包砼的結構。
4.根據權利要求1所述的旋轉碰撞地沖擊波模擬臺，其特征在于上述緩沖阻尼墊是高強厚橡膠墊或由橡膠墊與舊書組合而成。
全文摘要
一種旋轉碰撞地沖擊波模擬臺，緩沖系統由四個設置在沖擊臺與地面之間的緩沖鼓形鋼絲繩彈簧組成；轉動動力系統主要由軌道托架、碰撞球軌道、旋轉軸、碰撞球組成，沖擊臺系統主要由沖擊臺、碰撞托架、緩沖阻尼墊、碰撞托板、試件夾板、試件、傳感器和數據采集系統組成，試件夾板設置在沖擊臺上，試件上的傳感器經導線與數據采集系統連接，沖擊臺下面連接碰撞托架，碰撞托架上固定連接與碰撞球軌道切向出口相對應的碰撞托板，碰撞托板上面粘接緩沖阻尼墊。解決了動力系統可以動態模擬高強沖擊波的問題，緩沖系統可承受大變位的沖擊，可進行重型結構模擬實驗，能模擬80噸重型試件變位在20cm以上、加速度100g以上的爆炸沖擊載荷。
文檔編號G01M99/00GK1940522SQ20061020098
公開日2007年4月4日 申請日期2006年10月12日 優先權日2006年10月12日
發明者顧忠明, 程偉, 陳朝東, 趙壽根 申請人:第二炮兵工程設計研究院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
