旋转碰撞地冲击波模拟台

摘要

一种旋转碰撞地冲击波模拟台，缓冲系统由四个设置在冲击台与地面之间的缓冲鼓形钢丝绳弹簧组成；转动动力系统主要由轨道托架、碰撞球轨道、旋转轴、碰撞球组成，冲击台系统主要由冲击台、碰撞托架、缓冲阻尼垫、碰撞托板、试件夹板、试件、传感器和数据采集系统组成，试件夹板设置在冲击台上，试件上的传感器经导线与数据采集系统连接，冲击台下面连接碰撞托架，碰撞托架上固定连接与碰撞球轨道切向出口相对应的碰撞托板，碰撞托板上面粘接缓冲阻尼垫。解决了动力系统可以动态模拟高强冲击波的问题，缓冲系统可承受大变位的冲击，可进行重型结构模拟实验，能模拟80吨重型试件变位在20cm以上、加速度100g以上的爆炸冲击载荷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试设备，尤其是一种用于结构件冲击测试的冲击波模拟试验台。

背景技术

为了检验大型特种工程设备的刚度、强度及动态特性是否满足设计要求，在所处的振动与冲击环境中能否正常运行，需将大型特种工程设备放在冲击试验台上进行相应的冲击试验。

现有的冲击波模拟试验台，主要由缓冲系统、冲击台系统和动力系统组成。如美国专利号为6212954的《冲击试验装置》，它采用不同冲击条件下测试结构安全性能的装置，它能测试大型结构如汽车、道路安全护栏、飞机、太空舱安全性能的问题。该发明包括冲击杆和固定装置(用来固定试件以阻止试件在冲击方向上的运动)，实验时利用水压机或气压机加载预先使冲击杆离开试件，然后触发冲击杆上的爆破闩释放冲击杆，冲击杆与试件碰撞从而在结构中产生密集的冲击波或脉冲，在试件上的传感器则可以测试模拟冲击条件下的应力波在结构中的传播。但它采用传统的测试方法，须建造一堵特别的墙、防护栏或者放置另一辆汽车、一架飞机等辅助装置，然后在指定的位置放置传感器，测得冲击结果。这种做法使得测试如飞机这类的大型、复杂结构变得非常困难，并且当进行多次重复试验时，成本较高。

又如美国专利号为5739411的《冲击试验装置》，它是为了模拟测试，如高尔夫球杆这类结构击球时球杆内的动态应力。试验时，试件被夹持在特制的夹具中，以满足相应的边界条件，从而模拟球杆击球时杆内的瞬态应力。冲击力则由一压缩弹簧提供(弹簧的压缩量则由预先给定的冲击力决定)。试验过程中，球杆的速度及其冲击力可由安置在球杆上的压电传感器输出的电压号做相应的计算得到。上述已有的地冲击模拟台还存在着如下的不足：

1、已有冲击模拟台的缓冲系统不能承受大变位的冲击，由于没有采用承载能力高、可大变位、更大阻尼非线性弹簧的缓冲技术，所以没有解决试件重为80吨以上、变位在20cm以上、加速度在100g以上的爆炸地冲击载荷激励载荷模拟技术问题。

2、已有地冲击模拟台的动力系统不能同时在水平方向与垂直方向控制加载，不能动态模拟高强冲击波的冲击。

3、已有冲击台系统承载力较小，因此很难进行重型结构模拟实验。

发明内容

本发明的目的是提出一种旋转碰撞地冲击波模拟台，要解决动力系统可以动态模拟高强冲击波的问题；并解决已有冲击台系统承载力较小，很难进行重型结构模拟实验的问题；还解决已有冲击模拟台的缓冲系统不能承受大变位的冲击，不能模拟80吨重型试件时变位在20cm以上、加速度100g以上的爆炸冲击载荷的问题。

本发明的技术方案，这种旋转碰撞地冲击波模拟台，包括缓冲系统、冲击台系统和动力系统，其特征在于：

缓冲系统由四个缓冲鼓形钢丝绳弹簧组成，缓冲鼓形钢丝绳弹簧设置在冲击台与地面之间；上述的缓冲鼓形钢丝绳弹簧由上、下两个钢箍以及穿绕上、下两个钢箍之间的钢丝绳构成，其下钢箍由螺栓与地面固连，上钢箍由螺栓与冲击台固连；

动力系统主要由轨道托架、碰撞球轨道、旋转轴、碰撞球组成旋转动力系统，由轨道托架支撑的碰撞球轨道为C形钢管，碰撞球约束在碰撞球轨道内，由电机驱动的旋转轴被支撑在碰撞球轨道中心位置，旋转轴与驱动连杆一端连接，驱动连杆另一端自碰撞球轨道的向心开口伸至碰撞球轨道内拨动碰撞球旋转，碰撞球轨道的切线出口处外套启闭控制环，启闭控制环的两端有止推座，在碰撞球轨道外面置有与止推座配合的挡块；

冲击台系统主要由冲击台、碰撞托架、缓冲阻尼垫、碰撞托板、试件夹板、试件、传感器和数据采集系统组成，试件夹板设置在冲击台上，试件上的传感器经导线与数据采集系统连接，冲击台下面连接拐角形碰撞托架，碰撞托架上固定连接与碰撞球轨道切向出口相对应的碰撞托板，碰撞托板上面粘接缓冲阻尼垫。

上述旋转轴两端分别由支座支撑。

上述冲击台为钢板包砼结构或钢框架包砼的结构。

上述缓冲阻尼垫可以是高强厚橡胶垫或由橡胶垫与旧书组合而成。

本发明在动力系统中采用由圆环形轨道和碰撞球组成的旋转动力系统，在冲击台系统采用钢包砼结构，在缓冲系统采用鼓形钢丝绳弹簧。当圆轨道内旋转碰撞球至所设计的速度时，释放高速碰撞球，与冲击台与鼓形钢丝绳弹簧组成的系统碰撞，通过碰撞冲击和鼓形钢丝绳弹簧共同作用，使冲击台与试件按需要的地冲击波形振动，提供大型特种工程设备测试的大变位高速激励载荷，对大型工程设备在地冲击载荷作用下动态性能进行测试。进行测试前，首先对碰撞球的旋转产生的速度进行调试，达到所需速度为止；其次将试件通过吊装在冲击台上，并将周边用试件夹板固定连接好，然后根据测试需要，在试件上不同位置上布置应变与位移传感器，将各测试表归零，并将不同的传感器用不同的电线与数据采集系统中不同的接线柱连接；再次根据初步估算或以往测试经验粘接所需厚度的缓冲阻尼垫，调节缓冲阻尼垫厚度可以方便地模拟不同作用时间的波长。测试时，电机经过无级变速驱动旋转轴，旋转轴通过连杆驱碰撞球，当电机到达设计的转速时，开启启闭控制环，碰撞球经碰撞托架撞击冲击台，使缓冲鼓形钢丝绳弹簧大变形，冲击台振动，同时在水平方向与垂直方向控制加载，动态模拟高强冲击波的冲击，再经数据采集系统自动记录，从而实现了地冲击波的模拟和对复杂大型特种工程设备性能动态的测试。

本发明的旋转碰撞地冲击波模拟台的优点：1、由于采用的缓冲弹簧由4个非线性大阻尼具有三向刚度鼓形钢丝绳弹簧组成，每个弹簧承载能力为20000KN，最大变位达到20cm，阻尼比在0.25以上；因此，4个非线性弹簧组成的缓冲弹簧系统能承受80吨的试件，并且在一定速度和质量的碰撞球作用到试件支撑台上，通过缓冲弹簧将势能转化为弹性势能，再作用于试件，因此，本发明可模拟位移为20cm和加速度为100g较长时间作用的地冲击波，并通过缓冲垫控制冲击波的作用时间；2、可以通过电机调节碰撞球的速度和改变缓冲阻尼垫的厚度，从而分析试件在不同的地冲击载荷作用下的响应，来验证数值分析结果计算方法的正确性；3、由于缓冲弹簧可以并联，旋转轴上可以并联轨道，从而可以实现对更大实际结构的测试研究。它能很好地为分析模拟不同地冲击波作用到大型特种工程设备的动态特性提供实验环境。很好地为分析高强地冲击波的形成机理、演化过程以及动态特性提供实验环境。

附图说明

图1是本发明旋转碰撞地冲击波模拟台的结构示意图；

图2是图1中所示A向的动力系统实施例的结构示意图；

图3是图1中所示B向的冲击台系统示意图；

图4是图1中所示碰撞球轨道示意图；

图5是图1中碰撞球轨道C-C剖面的示意图；

图6是缓冲鼓形钢丝绳弹簧的示意图；

图7是图4的俯视图。

图8是本发明的旋转碰撞地冲击波模拟台碰撞球能量传递路线示意图。

1-缓冲鼓形钢丝绳弹簧、101-下钢箍、102-上钢箍、103-钢丝绳。

2-碰撞托架、3-冲击台、4-试件夹板、5-试件、6-传感器、7-数据采集系统、8-轨道托架、9-滑键、10-滑动套、11-驱动连杆、12-碰撞球轨道、121-向心开口、122-切向出口；

13-碰撞球、14-止推座、15-启闭控制环、16-缓冲阻尼垫、17-碰撞托板、18-支座、19-电机、20-旋转轴、21-墙体、22-地面、23-挡块。

具体实施方式

实施例如图1-6所示，这种旋转碰撞地冲击波模拟台，包括缓冲系统、冲击台系统和旋转动力系统。

参见图1、图6、图7，缓冲系统由四个缓冲鼓形钢丝绳弹簧1组成，缓冲鼓形钢丝绳弹簧设置在冲击台3与地面之间；上述的缓冲鼓形钢丝绳弹簧由上、下两个钢箍以及穿绕上、下两个钢箍之间的钢丝绳103构成，其下钢箍101由螺栓与地面22固连，上钢箍102由螺栓与冲击台固连。

参见图1、图2、图4、图5，旋转动力系统主要由轨道托架8、碰撞球轨道12、旋转轴20、碰撞球13组成，轨道托架8支撑在墙体21上，由轨道托架8支撑的碰撞球轨道12为C形钢管，碰撞球13约束在碰撞球轨道12内，由电机19驱动的旋转轴20被支撑在碰撞球轨道中心位置，旋转轴20两端分别由支座18支撑。旋转轴20由滑键9连接滑动套10，滑动套10与两根对称的驱动连杆11的一端连接，驱动连杆另一端自碰撞球轨道的向心开口121伸至碰撞球轨道内拨动碰撞球旋转，碰撞球轨道的切向出口122处外套启闭控制环15，启闭控制环15可以开启或闭合碰撞球轨道12的切向出口122，当碰撞球的速度达到设定值时，启闭控制环15开启，碰撞球13从切向出口122弹出，启闭控制环15的两端有止推座14，在碰撞球轨道外面置有与止推座配合的挡块23，使启闭控制环15在开启到合适位置时被挡住。

参见图1、图3，冲击台系统主要由冲击台3、碰撞托架2、缓冲阻尼垫16、碰撞托板17、试件夹板4、试件5、传感器6和数据采集系统7组成，试件夹板4设置在冲击台3上，试件上的传感器6经导线与数据采集系统7连接，上述冲击台3为钢板包砼结构或钢框架包砼的结构。冲击台下面连接拐角形碰撞托架2，碰撞托架上固定连接与碰撞球轨道切线出口122相对应的碰撞托板17，碰撞托板上面粘接缓冲阻尼垫16。上述缓冲阻尼垫16是高强厚橡胶垫或由橡胶垫与旧书组合而成。

鼓形钢丝绳弹簧1用于支撑试件冲击台3、试件夹板4和试件5，同时对冲击波波形模拟起到控制和对试件5起到缓冲作用，试件冲击台3和试件夹板4用于地冲击波波形的模拟和支撑试件5，试件5用于检验高强冲击波模拟台波形模拟可靠程度和系统的动态性能，测量系统参数的应变、位移传感器6通过电线与数据采集分析系统连接，数据采集系统7用于高强冲击波模拟台的波形模拟输出和系统响应输出的测量和分析，轨道托架8用于支撑轨道12，滑键9将滑动套10连接在旋转轴20上，并带动驱动连杆11，驱动连杆11驱动碰撞球13在轨道12中旋转运动，启闭控制环15用于碰撞球13释放时的控制，碰撞球13为旋转碰撞地冲击波模拟台提供试验能量，启闭控制环15安装在轨道12和控制环止推座14上，缓冲阻尼垫16用于控制所模拟冲击波幅值大小和波形，碰撞托架2用于支撑碰撞托板17，碰撞托板17供缓冲阻尼垫粘接和利于碰撞球13的相碰，电机19通过传动装置驱动旋转轴20转动，支座18用于支撑旋转轴20。

地面上均匀布置2×2个单只非线性缓冲鼓形钢丝绳弹簧1，弹簧下方通过鼓形钢丝绳弹簧的下钢箍101用螺栓与地面固连，上方通过鼓形钢丝绳弹簧的上钢箍102用螺栓与冲击台3固连。鼓形钢丝绳弹簧由若干根刚度较大的钢丝绳103绕成。碰撞托架2直接用螺栓固连在冲击台正下方，使碰撞托板17与碰撞球13轨道12上启闭控制环15的位置对正。

数据采集系统7采用DASP数据采集、分析、处理系统，在采集数据时可对所采数据进行动态实时显示，同时实时分析结构的固有特性并输出处理结果；在数据处理阶段对所采集数据进行FFT变换、小波变换，以精确地分析数据，其采集频率范围为：0～1MHz。

碰撞球13是一实心球，可用滚锻方法生产，其主要生产过程如下：35CrMo合金钢滚锻—粗加工—调质—精加工。主要技术参数列表如下：

启闭控制环15滑动套接在碰撞球轨道12上，碰撞球13加速过程中，关闭碰撞球轨道12的球出口，当需释放碰撞球13时，直流脉冲控制器提供瞬间脉冲电流，使得脉冲启闭控制环挂钩打开，从而释放碰撞球13。

碰撞球轨道12如图4、图5所示，采用圆钢管环结构，环内侧有向心开口121，以便驱动连杆可以旋转，为了碰撞球13能顺利释放，圆钢管环上留有切向出口122。

碰撞球轨道通过轨道托架支撑在结构墙上，以便碰撞球在轨道中安全加速旋转；碰撞球约束在轨道内，通过旋转轴、驱动连杆来驱动，到达一定速度后开启启闭控制环。启闭控制环采用局部圆环钢管结构，内环开槽，镶套在轨道上，并约束启闭控制环止推座上。

图6、图7是缓冲鼓形钢丝绳弹簧示意图。鼓形钢丝绳弹簧1用于支撑试件冲击台3和试件5，同时对冲击波波形模拟起到控制作用。其结构外形为鼓形，由上下两个钢圈及若干股钢丝组成，钢丝绕行与两钢圈之间，从而兼顾了垂向和侧向的力学性能，从而保证了同时模拟爆炸产生多向地冲击波效果。

图8是本发明的旋转碰撞地冲击波模拟台碰撞球能量传递路线示意图。进行冲击试验时，将碰撞球13旋转到一定速度，调节好缓冲阻尼垫垫16的形状和厚度，然后释放碰撞球13，碰撞球13冲击模拟冲击台3，使冲击台3与鼓形钢丝绳弹簧1共同作用产生所需模拟地冲击波，然后对试件5进行作用。碰撞球13碰撞冲击台3的同时，用数据采集系统7将试件5响应信号采集并分析，以检验冲击台3波形模拟性能和测试试件动态性能。