CN104614124A - 一种小量级的脉冲力发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小量级的脉冲力发生装置，属于动态力学计量技术领域。本发明采用压缩气体推动弹丸在气缸内向上运动撞击的方式产生脉冲力激励；其组成具体包括底座、升降杆、导杆、气缸塞、冲击气缸、弹丸、砧体、缓冲垫层、动态力传感器、质量块，限位机构和支架。通过调整压缩气体压力，弹丸的初始位置，砧体及质量块质量，砧体下方缓冲垫层的软硬程度及厚度，能够获得不同量级和不同持续时间的脉冲力激励。本发生装置结构简单，成本较低，并且由于质量块直接安装于动态力传感器上，无需附加机构，质量块的质量可以做到很小，因此极易实现几kN以内的小量级脉冲力激励。

Description

一种小量级的脉冲力发生装置

技术领域

本发明涉及一种小量级的脉冲力发生装置，属于动态力学计量技术领域。

背景技术

脉冲力是在短促时间间隔内因力参量急剧变化而激起系统瞬态脉冲运动，并引起系统产生明显动量变化的一种动态力作用，是一种瞬间的暂态能量交换，是动态力的重要表现形式之一。在科技工业中的结构加载、零部件试验、碰撞试验、材料试验、生物力学及工业自动化控制及监测等领域中，广泛存在着小量级脉冲力的测量。例如：飞行员跳伞的弹射力测试、运动员跑动落脚力(1kN～2kN)、微机械接触力(1kN以内)等。为了满足此类测试实验的可靠性，提高工业产品加工水平，加强工业产品生产过程质量控制，提出了小量程脉冲力测量传感器的量值溯源需求，因此迫切需要研制小量级脉冲力发生装置为脉冲力传感器的校准提供稳定可靠的激励源。

国内以往的脉冲力发生装置基本采用沿导向机构下落的锤体与动态力传感器撞击的方式产生脉冲力激励，脉冲力能够溯源到下落锤体的质量及撞击过程中锤体的运动加速度。这类装置结构原理简单，较易实现。但受到锤体下落时释放瞬间不同步的影响，以及下落过程中锤体与导向机构之间垂向摩擦力的作用，撞击过程中横向运动和摩擦力会对激励力值的重复性产生较大影响，并引入一定的横向力影响；同时受到导向机构等机械结构限制，装置一般较为笨重，下落锤体的质量较大，撞击产生的脉冲力值也较大，例如中国计量科学院的1MN动态力标准装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有落锤装置受到的限制及存在的不足，提供一种小量级的脉冲力发生装置，改进了脉冲力发生装置的发生方式，能减小横向运动及垂向摩擦力影响，实现小量级脉冲力激励。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种小量级的脉冲力发生装置，改变以往下落撞击的能量转换方式，采用压缩气体推动弹丸在气缸内向上运动撞击的方式产生脉冲力激励；其组成具体包括底座、升降杆、导杆、气缸塞、冲击气缸、弹丸、砧体、缓冲垫层、动态力传感器、质量块，限位机构和支架。

带有螺纹的升降杆垂直安装在底座上，能够上下移动；导杆与升降杆相连，导杆相对升降杆能上下运动。导杆上方支承气缸塞，弹丸置于气缸塞上方。

导杆上端伸入冲击气缸，气缸塞、弹丸、砧体、缓冲垫层均置于冲击气缸内部。冲击气缸的下端口与导杆间通过密封圈密闭，密封圈上有个进气孔。

支架下端垂直安装在底座上。冲击气缸垂直于底座、安装于支架上端，冲击气缸下端在升降杆上方。冲击气缸上端的侧壁制作有泄气槽。

缓冲垫层安装于砧体下方，动态力传感器安装在砧体上方，动态力传感器上表面紧固一质量块。限位机构紧固在支架上端，位于质量块上方、与质量块间有一定间距，用于限制撞击后砧体、动态力传感器及质量块的向上运动位移过大。

发生装置通过机械加工精度保证弹丸与砧体撞击的对中性；通过在冲击气缸内壁附加自润滑轴承，减少弹丸、砧体等运动过程中垂向摩擦力的影响；通过增加弹丸和砧体导向长度以减小横向运动，减少侧向力对动态力传感器输出力值的影响。从而提高发生装置产生的脉冲力激励幅值的重复性。

将进气孔通过电磁阀与外部蓄能气缸连接，外部气源的压缩空气经过滤器净化、减压阀减压，进入蓄能气缸。发生装置工作时，首先通过升降杆调整气缸塞在气缸内的位置，接通电磁阀，压缩空气快速释放进入冲击气缸驱动弹丸从气缸塞上部初始位置向上运动，在气缸出口处撞击放置于出口平台上的砧体及动态力传感器。

撞击过程产生近似半正弦的脉冲加速度运动，通过已知质量的质量块作用于动态力传感器，对其产生脉冲力激励。对该脉冲力发生装置能够建立简化脉冲力模型如式(1)：

F＝Ma+Mg          (1)

式中：a——质量块的运动加速度；

M——质量块质量和被校动态力传感器等效质量之和；

g——重力加速度；

F——传感器承受的脉冲力。

通过调整压缩气体压力，弹丸的初始位置，砧体及质量块质量，砧体下方缓冲垫层的软硬程度及厚度，能够获得不同量级和不同持续时间的脉冲力激励。限位机构紧固在质量块上方，对砧体撞击后向上运动的位移进行限制。撞击过程结束后，冲击气缸再通过泄气槽排气，使弹丸回落到冲击气缸下方气缸塞上，准备下一次撞击。

有益效果

本发生装置结构简单，成本较低，并且由于质量块直接安装于动态力传感器上，无需附加机构，质量块的质量可以做到很小，因此极易实现几kN以内的小量级脉冲力激励。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是具体实施方式中质量块14的脉冲加速度实测曲线；

图3是具体实施方式中动态力传感器12的脉冲力输出曲线；

标号说明：1-底座、2-升降杆、3-导杆、4-密封圈、5-进气孔、6-气缸塞、7-弹丸、8-冲击气缸、9-自润滑轴承、10-缓冲垫层、11-砧体、12-动态力传感器、13-泄气槽、14-质量块、15-限位机构、16-支架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明：

本发明的发生装置如图1所示，包括底座1、升降杆2、导杆3、密封圈4、气缸塞6、弹丸7、冲击气缸8、自润滑轴承9、缓冲垫层10、砧体11、动态力传感器12、质量块14、限位机构15、支架16。冲击气缸8垂直安装在底座1上方的支架16上，弹丸7置于冲击气缸8内气缸塞6上，正式工作之前，先旋转升降杆2将气缸塞6升降至一定高度，确定弹丸7的起始位置。密封圈4用于密封升降杆2与冲击气缸8之间缝隙。进气孔5用于输入压缩气体。缓冲垫层10粘结在砧体11的底部，起到对撞击过程进行缓冲，保护砧体11底部，调节脉冲力幅值、持续时间的目的。当弹丸7向上撞击砧体11后通过泄气槽13，可以对剩余的压缩空气进行释放。动态力传感器12通过转接螺钉刚性连接在砧体11的上表面，质量块14同样通过转接螺钉刚性连接在动态力传感器12的上表面。限位机构15在质量块14的上方，用以限制撞击过程中砧体11、动态力传感器12、质量块14向上运动的位移过大。

由于冲击气缸8是立式，激励方式为气动，冲击气缸8内不适于经常加油润滑，因此为了减小弹丸7在冲击气缸8内运动过程中的摩擦力影响，在冲击气缸8内壁添加了无油自润滑轴承9。此种轴承，适合常温工作条件下的干摩擦和少油润场合，能够降低弹丸7与冲击气缸8内壁之间的摩擦系数，减少弹丸7运动过程中的能量损耗和横向运动。同时弹丸7在冲击气缸8内运动的过程，弹丸7与冲击气缸8内壁之间的间隙，使得弹丸7周围因高压空气产生气膜，起到一定的约束弹丸7运动姿态，减小弹丸7横向运动，避免非垂直方向运动干扰的作用。提高了发生装置的脉冲力激励幅值的重复性，减小了横向运动及其影响。

砧体11上方的支架平台用于安装动态力传感器12，平台下方圆柱用于导向。砧体11安装于圆柱下方，采用钛合金材料，为了保证砧体11、动态力传感器12及质量块14在向上运动过程中的运动平衡，同时增强其运动过程的导向性，尽量加长砧体11下方冲击气缸的长度达到平台下方圆柱直径的4倍以上。

弹丸7由顶部、中部和尾部组成，顶部设计为弧形曲面，保证在与砧体11撞击时为单点对面的撞击，避免多点碰撞产生脉冲波形顶部双峰或失真，以便准确判断脉冲加速度和脉冲力曲线的峰值。中部形状为工字形，起到减小质量，减少激励能量的作用。尾部采用凹型设计，加长弹丸7与冲击气缸8内壁之间的导向距离，并采用精密的间隙配合，间隙较小，起到极好地导向和约束弹丸7运动姿态，减小碰撞前横向运动的作用。

以产生1kN的脉冲力为例，质量块14为不锈钢材质的圆柱形，底面中心孔用螺杆与动态力传感器12受力面刚性连接，质量块14的质量0.4kg，要产生1kN的脉冲力，质量块14需要产生2500m/s²左右的脉冲加速度峰值。砧体11为不锈钢材质的T形，上端圆柱直径为38mm，下端圆柱直径为16mm，动态力传感器12安装面通过螺杆与砧体11上端刚性连接。冲击气缸8内径28mm，砧体11上端圆柱架在冲击气缸8的上端，下端圆柱伸入冲击气缸8内，承受弹丸7的撞击。缓冲垫层10采用厚度12mm的橡胶垫，粘结于砧体11的下表面。动态力传感器12在承受2500m/s²左右的脉冲加速度峰值时，脉冲加速度的持续时间能够达到2.1ms。

在整个撞击过程中，质量块14从静止到向上运动，其速度变化量通过对加速度运动过程的积分得到：

$v=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}a\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

式中：a(t)——加速度-时间运动历程；

T——加速度-时间运动历程持续时间；

v——速度变化量。

质量块14撞击过程中的速度变化量约为2.8m/s，因此弹丸7在撞击前的速度约为4.2m/s。为了在撞击前达到需要的速度，蓄能气缸内压缩空气压力约为2.1bar左右，气缸塞6升至距离缓冲垫层10约30cm处。

图2是实测质量块14产生的脉冲加速度曲线，图3是动态力传感器12产生的脉冲力输出曲线。

气源使用压缩空气瓶，打开气源开关，压缩空气通过过滤器净化，经精密减压阀减至0.8Mpa以内。减压后的压缩空气，通过气动换向阀直接进入蓄能气缸；蓄能气缸内的储气压力，显示于数显压力表上。蓄能气缸通过单向阀与二位三通电磁阀常闭口连接，接通二位三通电磁阀后，压缩空气进入冲击气缸8驱动弹丸7。撞击结束后，冲击气缸8通过二位三通电磁阀及泄气槽13向外排出剩余气体，使弹丸7回到气缸塞6上。

本发明的主要优点如下：

1、通过机械加工工艺和精度的保证，利用弹丸7运动时，压缩气体在其周围形成的气膜，减小非垂直方向运动对发生的脉冲力测量的干扰。另一方面，大大减小了垂直方向的摩擦力，避免了摩擦力对发生装置产生的脉冲力激励幅值重复性的影响。

2、通过在冲击气缸8内壁上附加自润滑轴承9，进一步降低了弹丸7及砧体11运动过程中垂向摩擦力影响，同时降低能耗。

3、在保证一定质量的前提下，尽可能增加弹丸7及砧体11的导向长度，维持其运动姿态的稳定，降低横向运动，减小侧向力的产生。

4、脉冲力幅值可以通过气缸塞6的高度、质量块14的质量、压缩气体压力、缓冲垫层10的厚度和软硬进行多方位调节。

5、通过降低质量块14质量，获得小量级的脉冲力激励信号。

Claims (4)

1.一种小量级的脉冲力发生装置，其特征在于：采用压缩气体推动弹丸在气缸内向上运动撞击的方式产生脉冲力激励；其组成具体包括底座、升降杆、导杆、气缸塞、冲击气缸、弹丸、砧体、缓冲垫层、动态力传感器、质量块，限位机构和支架；

升降杆垂直安装在底座上，能够上下移动；导杆与升降杆相连，导杆相对升降杆能上下运动；导杆上方支承气缸塞，弹丸置于气缸塞上方；

导杆上端伸入冲击气缸，气缸塞、弹丸、砧体、缓冲垫层均置于冲击气缸内部；冲击气缸的下端口与导杆间通过密封圈密闭，密封圈上有个进气孔；

支架下端垂直安装在底座上；冲击气缸垂直于底座、安装于支架上端，冲击气缸下端在升降杆上方；冲击气缸上端的侧壁制作有泄气槽；

缓冲垫层安装于砧体下方，动态力传感器安装在砧体上方，动态力传感器上表面紧固一质量块；限位机构紧固在支架上端，位于质量块上方、与质量块间有间距；

弹丸与砧体撞击具对中性。

2.根据权利要求1所述的一种小量级的脉冲力发生装置，其特征在于：调整压缩气体压力、弹丸的初始位置、砧体及质量块质量、砧体下方缓冲垫层的软硬程度及厚度，能够获得不同量级和不同持续时间的脉冲力激励。

3.根据权利要求1所述的一种小量级的脉冲力发生装置，其特征在于：弹丸由顶部、中部和尾部组成，顶部为弧形曲面，中部形状为工字形，尾部为凹型。

4.根据权利要求1所述的一种小量级的脉冲力发生装置，其特征在于：冲击气缸内壁附加自润滑轴承。