[發明專利]多源變載荷沖擊實驗裝置

在審

• 申請號: 201510826665.2
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105277450A
• 公開（公告）日: 2016-01-27
• 發明（設計）人: 李鵬;王裕華;劉遠;黃金勇;余楊楊
• 申請（專利權）人: 華東交通大學
• 主分類號: G01N3/303
• 分類號: G01N3/303
• 代理公司: 南昌新天下專利商標代理有限公司 36115
• 代理人: 施秀瑾

1.多源變載荷沖擊實驗裝置，特征在于：包括沖擊實驗平臺和沖擊控制系統。

2.如權利要求1所述的多源變載荷沖擊實驗裝置，特征在于：沖擊實驗平臺包括：可動承載桿（7）、頂部固定架（8）、加強筋（9）、底部固定架（10）、立桿（11）、滑軌（12），底部固定架（10）、頂部固定架（8）、立桿（11）、可動承載桿（7）和加強筋（9）構成的長、寬和高分別為a、a和h的長方體結構，邊長為a的正方形底部固定架（10）的邊角通過螺栓與長度為h的立桿（11）下端連接，立桿（11）上端通過螺栓與邊長為a的正方形的頂部固定架（8）的邊角連接；正方形頂部固定架（8）的對邊固定有滑軌（12），可動承載桿（7）可沿滑軌（12）平行移動，可動承載桿（7）用于固定沖擊控制系統的步進電機（3），在沖擊實驗平臺各個側面的沿對角安裝長度為的加強筋（9），通過調整可動承載桿（7）和步進電機（3）的位置和數量來實現對多源沖擊位置的設定。

3.如權利要求1所述的多源變載荷沖擊實驗裝置，特征在于：沖擊控制系統由硬件和軟件兩個模塊組成。

4.如權利要求3所述的多源變載荷沖擊實驗裝置，特征在于：沖擊控制系統硬件模塊包括：單片機（1）、步進電機控制器（2）、步進電機（3）、轉軸（4）、繩索（5）、沖擊錘（6），單片機（1）IO端口通過杜邦線與步進電機控制器（2）的信號輸入端口相連接，步進電機控制器（2）的信號輸出端口通過導線與步進電機相連（3），步進電機（3）固定于可動承載桿（7）上，沖擊錘（6）通過繩索（5）懸掛于轉軸（4）上。

5.如權利要求3或4所述的多源變載荷沖擊實驗裝置，特征在于：硬件模塊中步進電機轉軸的最小半徑需結合最大沖擊程度要求和步進電機轉速進行確定，具體過程如下：

（1）最大沖擊高度h_max

沖擊錘采用自由落體方式完成沖擊，如需滿足最大沖擊載荷F_max的實驗要求，則相應最大沖擊高度h_max：

（1）

式中m為沖擊錘的質量，t_c為沖擊時間

（2）轉軸的最小半徑R_min

為保證沖擊錘以自由落體方式完成沖擊，要求沖擊發生時，步進電機釋放繩索的長度和沖擊錘自由落體的高度相同，如需滿足最大沖擊載荷F_max的實驗要求，則：

（2）

式中，f為步進電機轉速，h_max為最大沖擊高度，R_min為步進電機轉軸的最小半徑，t_max為最大沖擊高度h_max對應的自由落體時間，式（2）表明當步進電機轉速確定后，步進電機轉軸的最小半徑存在一個最小值。

6.如權利要求3所述的多源變載荷沖擊實驗裝置，特征在于：沖擊控制系統軟件模塊通過設定沖擊程度系數、步進電機脈沖信號周期、步進電機的釋放、休止和復位時間實現對變載荷沖擊過程的自動控制，具體過程為：

（1）沖擊載荷系數r

不同沖擊載荷F的調整是通過設定不同沖擊高度來實現的，定義沖擊載荷系數r為當前沖擊載荷F與最大沖擊載荷F_max之比：

（3）

即，

式中h為當前沖擊高度，

（2）步進電機脈沖信號周期T

根據步進電機轉速f，計算步進電機脈沖信號周期T：

（4）

式中，k為步進電機的細分倍數，

（3）沖擊高度初始化時間t₀

系統啟動后，沖擊錘從最大沖擊高度h_max降至當前沖擊高度h的時間t₀：

（5）

式中，T₀為沖擊錘恢復靜止狀態的時間，

（4）釋放時間t_s

沖擊過程中，在步進電機轉速不變的情況下，要求步進電機釋放繩索的長度與沖擊高度相同，電機釋放繩索的時間t_s小于等于沖擊錘的自由落體時間：

（6）

（5）休止時間t_x

由于步進電機的釋放時間t_s小于或等于沖擊錘自由落體時間，為保證沖擊錘完成沖擊，需要設定休止時間t_x，在該時間內，電機處于休止狀態，休止時間的計算如下：

（7）

（6）復位時間t_f

為保證沖擊完成后，沖擊錘可以復位至沖擊高度h，并等待沖擊錘恢復靜止狀態，步進電機應在休止時間結束后，立即復位（反轉）后，停止轉動，根據電機轉速可以計算該復位時間：

（8）。