一种面冲击载荷加载试验装置及方法

技术领域

本发明属于设备构件抗冲击性能试验技术领域，特别涉及一种面冲击载荷加载试验装置及方法。

背景技术

设备构件的抗冲击性能试验加载方法有静载和动载两种，由于静载荷方法条件下，构件所承受的外力不随时间而变化，故无法准确反应构件的抗冲击性能，因此，开展施加动载荷施加方法的研究十分必要。

根据载荷作用面与构件工作面的比例关系，动载荷又可分为两种，一是集中载荷，目前国内主要采用落锤、摆锤等方式进行加载试验，例如落锤冲击试验；二是均布载荷，即面冲击载荷，目前国内主要采用爆炸方式进行加载试验，例如设备设施抗爆性能试验，但这种方法存在试验难度大、限制条件多、安全风险大等多方面问题，因此不易推广应用。针对目前国内面冲击载荷发生和加载方法技术难题，研究一种面冲击载荷加载试验装置及方法十分必要。

发明内容

为了至少解决上述的现有技术中国内设备设施抗冲击性能试验依赖爆炸加载的难题，本发明提供如下技术方案：一种面冲击载荷加载试验装置，所述面冲击载荷加载试验装置包括：支架、电磁铁、配重机构、接力机构和基座；

所述基座与所述支架的底部连接；

所述电磁铁安装在所述支架上，所述电磁铁与电源连通；

所述配重机构位于所述电磁铁的下方，所述配重机构在所述电磁铁的吸力作用下悬停于空中，所述配重机构具有朝下设置的用于将势能转化为集中冲击力的冲击端；

所述接力机构位于所述配重机构的下方且位于所述基座上方，所述接力机构具有朝上设置的接力端，另一端为安装有流体压力传感器的弹性缓冲结构，所述弹性缓冲结构的面积大于所述接力端的面积。

优选的，所述面冲击载荷加载试验装置还包括：两对沿所述接力机构的周向间隔竖直设置的导向立柱；

两对所述导向立柱的一端均与所述基座连接，另一端均与所述支架的上部连接，两对所述导向立柱的中部均与所述配重机构滑动连接。

优选的，所述接力机构包括：接力锤头、试件箱体、所述弹性缓冲结构和试件；

所述试件箱体开口朝上且底部与所述基座连接，所述试件箱体的底部与所述基座上均设置有预留孔，所述试件箱体具有容纳所述试件的空腔；

所述试件位于所述试件箱体的空腔下部；

所述弹性缓冲结构压设在所述试件上且位于所述试件箱体内，所述弹性缓冲结构的下表面的面积不小于所述试件的上表面的面积，所述弹性缓冲结构的内腔具有流体，所述弹性缓冲结构的一侧设置有进流管，另一侧通过测压管与所述流体压力传感器连接；

所述接力锤头压设在所述弹性缓冲结构的上方，所述接力锤头具有朝上设置的与所述冲击端的位置相对的接力端，所述接力锤头另一端的表面积不大于所述弹性缓冲结构的上表面的面积。

优选的，所述支架包括：横梁和两对支撑立柱；

所述横梁水平交叉设置，所述横梁的底部中心位置悬挂有所述电磁铁；

两对所述支撑立柱均竖直设置，两对所述支撑立柱的上部均与所述横梁的一端连接，两对所述支撑立柱的下部均与所述基座连接，两对所述支撑立柱均位于所述接力机构的外侧。

优选的，所述配重机构包括：配重件和冲击锤头；

所述配重件上均匀设置有四个导向通孔，所述导向立柱位于所述导向通孔内，在所述配重件的底部设置有与每根所述导向立柱的位置相对的辅助滚动机构，用于减小所述配重件与所述导向立柱之间的摩擦力，所述配重件的上表面设置有若干个吊环；

所述冲击锤头的一端与所述配重件的下表面连接，所述冲击锤头的另一端为所述冲击端。

优选的，所述接力机构还包括：约束组件，所述约束组件包括：一对平行设置的第一销轴和盖板；

一对所述第一销轴分别位于所述接力锤头的两侧，一对所述第一销轴的两端均位于设置在所述试件箱体的上的安装环内；

所述盖板的中央设置有与所述接力锤头的外壁相匹配的凹槽，所述盖板压设在所述弹性缓冲结构上，所述盖板位于一对所述第一销轴的下方。

优选的，所述辅助滚动机构包括：助力轴承和一对平行设置的安装板；

一对所述安装板均设置在所述配重件的底部与所述导向立柱相对的位置上；

所述助力轴承通过第二销轴安装在一对所述安装板之间，所述助力轴承的侧壁与所述导向立柱的侧壁滑动接触。

优选的，所述冲击锤头包括：底座、竖直设置的冲击柱和若干个沿所述冲击柱的侧壁周向设置的第一加强肋板；

所述底座的上表面与所述配重件的下表面固定连接；

所述冲击柱的一端与所述底座的下表面固定连接；

若干个所述第一加强肋板的一端均与所述底座的下表面固定连接，若干个所述第一加强肋板的高度均低于所述冲击柱的高度。

优选的，所述弹性缓冲结构为水囊或气囊中的一种，所述试件箱体的内侧填充有沙子，所述沙子位于所述接力锤头与所述弹性缓冲结构之间、所述盖板与所述弹性缓冲结构之间、所述弹性缓冲结构和所述试件的外周。

本发明还提供一种面冲击载荷加载试验方法，所述面冲击载荷加载试验方法使用上述任一所述面冲击载荷加载试验装置，所述试验方法的步骤包括：

1)将电磁铁接通电源，然后将配重机构提升到指定高度处，配重机构悬停于空中；

2)将电磁铁断电，配重机构下落，而后配重机构的冲击端与接力机构的冲击端接触，配重机构向下运动，接力机构另一端的弹性缓冲结构发生形变；

3)配重机构停止运动，读取与弹性缓冲结构连接的流体压力传感器的数据。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过设置电磁铁、配重机构和接力机构，电磁铁通电产生吸力使配重机构悬停于空中指定高度处并具有一定的势能，然后将电磁铁断电，电磁铁的吸力消失，配重机构下落，配重机构的冲击端将势能转化为集中冲击力，配重机构的冲击端与接力机构的冲击端接触并将集中冲击力作用在接力机构上，接力机构中的弹性缓冲结构发生形变将所承受的集中载荷转化为面冲击载荷，配重机构停止运动后，读取与弹性缓冲结构连接的流体压力传感器的数据，测量出接力机构所承受的面冲击载荷的大小，实现了面冲击载荷生成和加载，解决了目前国内设备设施抗冲击性能试验依赖爆炸加载的难题，操作简单，安全性高，大幅度降低了试验成本和风险。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种面冲击载荷加载试验装置的结构示意图；

图2为图1中的辅助滚动机构的结构放大示意图；

图3为本发明实施例提供的一种面冲击载荷加载试验装置中的配重机构的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种面冲击载荷加载试验装置中的基座的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种面冲击载荷加载试验装置中的试件箱体与试件的组合结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种面冲击载荷加载试验装置中接力机构与基座的位置分布示意图；

图中：1、基座；2、试件箱体；201、安装环；202、第二加强肋板；3、盖板；4、第一销轴；5、接力锤头；6、配重机构；601、配重件；602、导向通孔；603、吊环；7、电磁铁；8、导向立柱；9、横梁；10、支撑立柱；11、试件；12、弹性缓冲结构；13、沙子；14、冲击锤头；1401、冲击柱；1402、底座；1403、第一加强肋板；15、辅助滚动机构；1501、助力轴承；1502、安装板；1503、第二销轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1-6，本发明提供一种面冲击载荷加载试验装置，面冲击载荷加载试验装置包括：支架、电磁铁7、配重机构6、接力机构和基座1。

基座1位于地面上，基座1与支架的底部连接，例如通过螺栓连接或焊接在一起。电磁铁7安装在支架上，具体的是，电磁铁7的顶部焊接有勾环，通过勾环电磁铁7悬挂于设置在支架的底部中心位置处的挂耳的通孔内。电磁铁7上设置有电源，拉下电磁铁7上的电闸使电磁铁7通电，连通产生吸力(电磁吸引力)，即此时电磁铁7具有磁性。配重机构6位于电磁铁7的下方，配重机构6在电磁铁7的吸力作用下悬停于空中，此时，配重机构6 具有势能，配重机构6具有朝下设置的冲击端，当电磁铁7断电(断开电闸) 后，配重机构6下落，配重机构6的冲击端可以将配重机构6的势能转化为集中冲击力。接力机构位于配重机构6的下方，接力机构位于基座1上，接力机构具有朝上设置的接力端，接力端与冲击端的位置相对，也就是说接力端位于冲击端的正下方，接力机构的另一端为弹性缓冲结构12，弹性缓冲结构12受外力冲击后可以发生弹性形变，弹性缓冲结构12的上表面和下表面的面积均大于接力端的面积，通过弹性缓冲结构12的工作面(指上表面和下表面)可以将接力机构所承受的集中载荷转化为面冲击载荷，同时弹性缓冲结构12的一侧连接有流体压力传感器，用于测量面冲击载荷的数值。需要说明的是基座1中央设置有预留孔(如图4所示)，预留孔可以作为观察孔，当在基座1下方挖掘隧道后，可以通过预留孔观察上方的结构变化，此外，还可以通过预留孔安装应变片来辅助流体传感器工作。

在本实施例中，先将电磁铁7与电源接通，然后借助起吊设备将配重机构6移动到指定高度处，由于电磁铁7得电产生吸力使配重机构6悬停于空中，配重机构6因为高度具有一定势能，再将电磁铁7与电源断开，电磁铁 7对配重机构6的吸力消失，配重机构6在自身重力的作用下开始下落，一段时间后，配重机构6的冲击端与接力机构的接力端接触，配重机构6的冲击端将势能转化为集中冲击力施加在接力机构上，接力机构中的弹性缓冲结构12发生形变将所承受的集中载荷转化为面冲击载荷，最后配重机构6停止运动，读取与弹性缓冲结构12连接的流体压力传感器数据，测量出弹性缓冲结构12所承受的面冲击载荷的数值。

进一步的，面冲击载荷加载试验装置还包括：两对沿接力机构的周向间隔竖直设置的导向立柱8。

两对导向立柱8的一端与基座1连接，此处连接可以是焊接或螺栓连接均可。两对导向立柱8的另一端均与支架的上部连接，具体的是，两对导向立柱8的另一端(上部)均插装在设置在支架上的通孔内，两对导向立柱8 的中部均与配重机构6滑动连接，这样可以确保配重机构6的冲击端准确的对接力机构的接力端施加集中冲击力。

在本实施例中，配重机构6始终沿导向立柱8的高度方向向上或者向下运动，当配重机构向下运动时，通过冲击端对接力机构的接力端施加集中冲击力，当配重机构6向上运动(指借助起吊设备提升)到一定高度时，配重机构6具有一定的势能。

为了将所承受的集中载荷转化为面冲击载荷，接力机构包括：接力锤头 5、试件箱体2、弹性缓冲结构12和试件11。

试件箱体2位于基座1的上方且底部与基座1连接，试件箱体2开口朝上，试件箱体2具有用于容纳试件11的空腔。为了减轻试件箱体2的重量，试件箱体2的侧壁上周向设置有凹槽。凹槽内设置有若干个第二加强肋板 202，用于提高试件箱体2所承受的来自内部构件水平传递的压力，此外，试件箱体2的底部设置有便于观察的预留孔，试件箱体2的预留孔与基座1上的预留孔位置相对。试件11位于试件箱体2内的底部(参照图5所示)。弹性缓冲结构12压设在试件11上方，弹性缓冲结构12位于试件箱体2内，弹性缓冲结构12的下表面的面积不小于与试件11的上表面的面积，弹性缓冲结构12的内腔装有流体，弹性缓冲结构12的一侧连通有进流管，进流管的另一端穿出试件箱体2且安装有调节阀，弹性缓冲结构12的另一侧连通有测压管，测压管的另一端穿出试件箱体2后与流体传感器连接。接力锤头5压设在弹性缓冲结构12的上方。打开进流管上的调节阀将适量的流体(水或空气)注入弹性缓冲结构12内部，当接力锤头5受到配重机构6的冲击端施加的集中冲击力作用，接力锤头5向下运动并下压弹性缓冲结构12，弹性缓冲结构12内部的流体受力向四周(相对于接力锤头5在弹性缓冲结构12上的投影的位置)流动，流体压力传感器通过测压管测量出流体的压力，并将压力信号转化为电信号，同时弹性缓冲结构12发生形变，弹性缓冲结构12将所承受的集中载荷转化为面冲击载荷并进一步的作用在试件11上，通过施加合适的面冲击载荷最终可以测出试件11的强度。接力机构的各构件的位置，从下向上看依次是，试件箱体2位于第一层，试件11位于第二层，弹性缓冲结构12位于第三层，接力锤头5位于第四层(参照图6所示)。接力锤头5 压设在弹性缓冲结构12的上方，接力锤头5具有朝上设置的与冲击端的位置相对的接力端，便于接力锤头5接受配重机构6的冲击端施加的集中冲击力，接力锤头5下压弹性缓冲结构12，接力锤头5另一端以及接力端的表面积均不大于弹性缓冲结构12的上表面的面积，这样的结构设计为弹性缓冲结构 12将所承载的集中载荷转化为面冲击载荷创造条件。

在本实施例中，接力锤头5接受上方配重机构6通过冲击端施加的集中冲击力，在集中冲击力的作用下，接力锤头5下压弹性缓冲结构12，弹性缓冲结构12接受集中冲击力，弹性缓冲结构12内的流体沿接力锤头5在弹性缓冲结构12上的投影的位置处向四周流动使弹性缓冲结构12发生形变，弹性缓冲结构12的上表面和下表面的面积均变大，从而将弹性缓冲结构12所承受的集中载荷转变成面冲击载荷，弹性缓冲结构12将面冲击载荷进一步作用在下方的试件11上，试件11在自身的强度范围内承受一定的载荷，随着载荷不断增大，试件11发生断裂，读取与弹性缓冲结构12通过测压管相连的流体压力传感器的数值测量出流体的压力，即弹性缓冲结构12对试件11 施加的面冲击载荷的数值，同时反应出试件11的强度。同时若干个第二加强肋板202可以提高试件箱体2内部承受的压力，这里的压力主要是弹性缓冲结构12发生形变和后面提到的沙子13受力流动所传递给试件箱体2的横向压力。

参照图1所示，支架包括：横梁9和两对支撑立柱10。

横梁9水平交叉设置，这样横梁9的四个端部分别与一根支撑立柱10 连接。电磁铁7悬挂在横梁9的底部中心位置，即横梁9的交叉点处。两对支撑立柱10均竖直设置，两对支撑立柱10的上部均与横梁9的一端连接，可以是插装或者焊接在一起，两对支撑立柱10的下部均与基座1的上部通过螺栓固定连接，同时两对支撑立柱10均位于接力机构的外侧。

为了将势能转化为集中冲击力，配重机构6包括：配重件601和冲击锤头14。

配重件601上均匀设置有四个导向通孔602，导向立柱8位于导向通孔 602内，需要说明的是导向立柱8与导向通孔602之间具有活动间隙，在配重件601的底部设置有与每根导向立柱8的位置相对的辅助滚动机构15，即配重件601的底部设置有四个辅助滚动机构15，辅助滚动机构15用于减小配重件601运动时与导向立柱8之间的摩擦力，配重件601的上表面均匀设置有若干个吊环603，这些吊环603用于安装起吊设备，配重机构6被起吊到位后通过电磁铁7的吸力悬停在空中指定高度，即此时配重机构6具有一定势能。冲击锤头14的一端与配重件601的下表面焊接在一起，冲击锤头 14的另一端为冲击端。当电磁铁7失电后对配重机构6的吸力消失，配重机构6下落，一段时间后冲击锤头14的冲击端与接力机构的接力端接触，冲击锤头14朝下的冲击端(参照图3所示)将配重机构6的势能转化为集中冲击力，依靠冲击端将集中冲击力施加于接力机构上。

为了约束弹性缓冲结构12，接力机构还包括：约束组件。

约束组件包括：一对平行设置的第一销轴4和盖板3。

一对第一销轴4分别位于接力锤头5的两侧，这里的接力锤头5指的是已经压在弹性缓冲结构12上方的接力锤头5，一对第一销轴4的两端均位于设置在试件箱体2的上的安装环201内，即第一销轴4插装在一对安装环201 内。盖板3的中央设置有与接力锤头5的外壁(图1中指的是接力锤头5底部的外壁)相匹配的凹槽，也就是说盖板3位于接力锤头5的外侧，盖板3 直接压设在弹性缓冲结构12上，同时盖板3还位于一对第一销轴4的下方。

在本实施例中，先将盖板3套设在接力锤头5的外侧，再将一对第一销轴4一一插装到试件箱体2上的安装环201内，当配重机构6下落，配重机构6通过冲击锤头14的冲击端将其势能转化为集中作用力并作用在接力锤头 5的接力端上，接力锤头5受集中作用力作用下压弹性缓冲结构12，由于弹性缓冲结构12具有一定的弹性，盖板3和一对的第一销轴4相互配合给弹性缓冲结构12一个反向作用力约束弹性缓冲结构12向上弹飞。

为了让配重机构6沿导向立柱8的高度方向运动更加流畅，参照图2所示，辅助滚动机构15包括：助力轴承1501和一对平行设置的安装板1502。

一对安装板1502均焊接在配重件601的底部且与导向立柱8相对的位置上，并且在一对安装板1502上设置有通孔。助力轴承1501通过第二销轴1503 安装在一对安装板1502之间，即第二销轴1503贯穿一对安装板1502上设置的通孔从而将助力轴承1501的位置固定，助力轴承1501的侧壁与导向立柱 8的侧壁滑动接触，即助力轴承1501沿第二销轴1503转动，并且助力轴承 1501与导向立柱8的位置相对设置。

在本实施例中，当配重机构6沿导向立柱8的高度方向上升或下降时，助力轴承1501沿第二销轴1503转动，配重件601通过助力轴承1501与导向立柱8滑动接触，从而减少配重件601与导向立柱8之间的摩擦力，从而使配重件601的运动更加流畅。

进一步的，冲击锤头14包括：底座1402、竖直设置的冲击柱1401和若干个沿冲击柱1401的侧壁轴向设置的第一加强肋板1403。

底座1402的上表面与配重件601的下表面焊接在一起。冲击柱1401的一端与底座1402的下表面焊接在一起。若干个第一加强肋板1403均焊接在冲击柱1401上，同时若干个第一加强肋板1403的一端均与底座1402的下表面焊接在一起，若干个第一加强肋板1403的高度均低于冲击柱1401的高度 (如图3所示)，这样冲击柱1401的冲击端才能将配重机构6的势能转化为集中冲击力，即将冲击力集中在冲击端上，冲击力相同时，冲击柱1401的冲击端的面积越小，冲击力的作用效果越明显。

弹性缓冲结构12为水囊或气囊中的一种，其材质可采用橡胶，水囊或气囊均具有一定的工作面(指水囊或气囊平放时的上表面和下表面)，水囊内填充有水，气体内填充有空气。水囊或气囊通过内部流体的流动从而产生形变，从而将所承受的集中载荷转变成面载荷。需要说明的是水囊或气囊的上表面与下表面的面积一致。试件箱体2的内侧填充有沙子13，沙子13位于接力锤头5与弹性缓冲结构12之间、盖板3与弹性缓冲结构12之间、弹性缓冲结构12和试件11的外周(如图6所示)，沙子13具有良好的流动性，并且沙子13的体积具有不可压缩性，利用沙子13可以保护弹性缓冲结构12 和试件箱体2。

在本实施例中，先将沙子13填满放置了试件11和弹性缓冲结构12以后的试件箱体2内，然后将接力锤头5放置到试件箱体2的中心位置沙子13 的上方，然后将盖板3套在接力锤头5的外侧，最后安装好一对第一销轴4，准备工作完成。当冲击锤头14下落与接力锤头5接触时，冲击锤头14的冲击端将配重机构6的势能转化为集中冲击力并直接作用在接力锤头5的接力端，接力锤头5依靠接力端承受集中冲击力，接力锤头5受力向下运动并下压弹性缓冲结构12，弹性缓冲结构12内的流体沿接力锤头5在弹性缓冲结构12的投影处向四周流动，使弹性缓冲结构12发生形变，弹性缓冲结构12 的上表面和下表面的面积均增大，同时弹性缓冲结构12的高度变低，弹性缓冲结构12将变形趋势力水平传递给试件箱体2，弹性缓冲结构12与试件箱体2之间的沙子发生流动，一部分沙子流向弹性缓冲结构12的上方或下方，并且产生缓冲作用，防止试件箱体2因内部压力上升发生破坏，提高试件箱体2对试件11和弹性缓冲结构12的约束能力，同时弹性缓冲结构12将所承受的集中载荷通过工作面转化为面冲击载荷并作用在下方的试件11上，与弹性缓冲结构12连接的流体压力传感器通过测压管测量出流体的压力，即试件 11所承受的面冲击载荷，通过数次实验测出试件11的抗冲击性能。

本发明还提供一种面冲击载荷加载试验方法，面冲击载荷加载试验方法使用上述的面冲击载荷加载试验装置，面冲击载荷加载试验方法的步骤包括：

1)将电磁铁7接通电源，然后起吊配重机构6到指定高度处，配重机构 6起吊到位后悬停于空中；

2)将电磁铁7断电，电磁铁7的吸力消失，配重机构6下落，而后配重机构6的冲击端与接力机构的冲击端接触，配重机构6继续向下运动，接力机构另一端的弹性缓冲结构12发生形变；

3)配重机构6停止运动，读取与弹性缓冲结构12连接的流体压力传感器的数据。

在本实施例中，先将电磁铁7与电源接通，然后利用起吊设备将配重机构6起吊到电磁铁7指定高度处，由于电磁铁7得电产生吸力使配重机构6 悬停于空中，配重机构6此时具有一定势能，然后将电磁铁7与电源断开，电磁铁7失电失去吸力，配重机构6在重力的作用下下落，一段时间后配重机构6的冲击端与接力机构的接力端接触，配重机构6的冲击端将配重机构 6的势能转化为集中冲击力并冲击接力机构的接力端，接力机构将接受的集中载荷通过另一端的弹性缓冲结构12转化为面冲击载荷，同时弹性缓冲结构 12将所承受的面冲击载荷传递给流体压力传感器，最后配重机构6停止运动，读取流体压力传感器的数据，即可测量出弹性缓冲结构12所承受的面冲击载荷的数值。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。