一种冲击试验用的气动式低速冲击机构的制作方法

本发明涉及冲击试验技术领域，尤其涉及一种冲击试验用的气动 式低速冲击机构。

背景技术：

复合材料在航空和民用工业领域有着越来越广泛的应用，而复合 材料零部件在制造和使用过程中不可避免会受到冲击损伤，而复合材 料对冲击损伤比较敏感，容易引起分层、开裂等缺陷，从而降低材料 和结构的性能。因而在结构设计和工程应用研究中，通常对材料或结 构引入冲击损伤后进行性能测试。

航空领域中，引入的冲击损伤通常有两种：小质量冲头高速冲击 或大质量冲锤低速冲击。关于大质量冲锤低速冲击，通常使用台式冲 击试验机预制冲击损伤，但是试验件必须安放在冲击试验机的试验空 间，无法在结构件试验现场引入冲击损伤。当前现有的便携式低速冲 击试验机有落锤式或弹簧式等，但存在一些缺点：无法进行任意角度 冲击，故无法在结构的任意位置预制损伤；单一冲锤冲击能量范围较 小；结构不够轻便等缺点。

冲击试验机上通常配备测速装置，以评估冲击能量。现有的冲击 试验机的测速装置，通常其测速原理是测量出冲锤通过固定距离s 所需要的时间t，然后计算出平均速度vm＝s/t，认为平均速度vm即 冲锤冲击试样表面时的瞬时速度平均速度vm代替瞬时速度。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种结构简 单、轻便便于移动，能够在试验件任意位置进行冲击，可在结构试验 现场引入低速冲击的冲击试验用的气动式低速冲击机构。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案，一种冲击试验用的 气动式低速冲击机构，包括连接筒，所述连接筒的端部固定连接有相 互平行的导轨，且该导轨与连接筒的端面垂直，所述连接筒内固定设 有气缸，该气缸的气动动作杆向导轨方向延伸，且位于相互平行的导 轨之间，所述导轨上设有一沿导轨上下运动的冲锤锤体，所述冲锤锤 体远离气缸的一端固定设有冲锤锤头，所述冲锤锤体的另一端固定设 有卡柱，所述的卡柱与固定设在气动动作杆端部的卡扣结构勾住或分 离。

所述卡扣结构包括固定连接在气动动作杆端部的连接底座，活动 连接在连接底座上且相互对称设置的卡钩，相互对称设置的卡钩之间 通过弹簧连接，所述的卡柱的端部撑开相互对称的卡钩倒挂在卡钩 上，将所述冲锤锤体与气动动作杆连接起来。

所述卡柱的上套设有一滑块，该滑块沿卡柱的卡杆上下移动；所 述冲锤锤体与导轨通过直线轴承连接.

所述连接筒设有导轨一端的端面上固定连接有电磁铁固定底座， 所述电磁铁固定底座远离连接筒的端部固定连接有吸盘式电磁铁，该 吸盘式电磁铁与固定设在连接筒上的电磁铁开关电连接，所述的吸盘 式电磁铁在通电时，产生的磁性吸附冲锤锤体。

所述连接筒的端部固定连接有支持底座，相互平行的导轨固定连 接该该支持底座上，所述导轨远离支持底座的一端固定连接有支持顶 座，且该支持顶座位于冲锤锤体的下方。

所述连接筒相对导轨的另一端设有方便携带的握持手柄。

所述的气缸的进气口通过管线连接有气动开关，该气动开关上设 有开启该气动开关的气动开关手柄。

所述连接筒内固定设有直线位移传感器，该直线位移传感器内插 入有直线位移传感器拉杆，该直线位移传感器拉杆的端部延伸到连接 筒外，并与冲锤锤体的上端面接触，所述直线位移传感器拉杆跟随冲 锤锤体运动，且所述的直线位移传感器检测直线位移传感器拉杆移动 的位移，并将检测到的信号通过位移信号转换器转换后，通过数据采 集模块发送给处理器进行数据处理。

所述的直线位移传感器拉杆与冲锤锤体接触的端部固定连接有备 紧螺母，该备紧螺母与所述冲锤锤体接触。

所述的连接筒上设有用于检测角度的数显倾角仪。

本发明的有益效果是：结构简单，方便携带，使用在冲击试验机 上，能够保证冲锤沿导向柱运动，冲击试验机安装的方向决定了冲击 方向，故可实现任意角度的冲击，向上和向下冲击都是可行的，试验 机上安装的角度仪可以方便的显示冲击角度；通过气缸作为驱动动 力，能够根据控制气缸的气压值调节冲击速度，即调节冲击能量的大 小；冲锤锤体的一端固定设有卡柱，卡柱与固定设在气动动作杆端部 的卡扣结构勾住或分离的，这一专门设计的结构可以实现冲锤冲击完 成时反弹时对冲锤的捕捉，可以有效防止冲击过程中冲锤的二次复冲； 冲锤与直线位移传感器连接，可获取冲击全过程冲锤的位移信号，并 可通过数据采集系统对信号进行采集、存储和处理，进而获取冲击过 程的速度曲线。

附图说明

图1是本发明使用在冲击试验机上的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明中在进行实验前，卡钩与卡柱的配合结构示意图；

图4是本发明中卡柱与卡钩分离时配合结构示意图；

图5是本发明中冲锤冲击后，冲锤锤体反弹，卡柱进入到卡钩时的 结构示意图；

图6是本发明中卡柱倒挂在卡钩中的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、 “前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、 “外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置 或元件必须具有特定的方位、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。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗 示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有 “第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该 特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或 两个以上。

实施例

如图2所示一种冲击试验用的气动式低速冲击机构，包括连接筒5， 所述连接筒5的端部固定连接有相互平行的导轨7，且该导轨7与连接 筒5的端面垂直，所述连接筒5内固定设有气缸9，该气缸9的气动动作 杆12向导轨7方向延伸，且位于相互平行的导轨7之间，所述导轨7上 设有一沿导轨7上下运动的冲锤锤体13，所述冲锤锤体13远离气缸9 的一端固定设有冲锤锤头14，所述冲锤锤体13的另一端固定设有卡柱 27，所述的卡柱27与固定设在气动动作杆12端部的卡扣结构勾住或分 离。

为了方便携带，在该连接筒相对导轨的另一端设有握持手柄4所述 握持手柄4用于方便人对该装置进行携带，同时方便在对不同角度是 进行冲击试验，所述连接筒作为整个装置的基础装置，为了所述的导 轨7能够方便的固定在连接筒上，在所述的连接筒相对握持手柄的另 一端固定连接有支撑底座6，然后将所述的导轨7固定连接在支撑底座 6上，保证导轨7能够稳定的安装在连接筒上，为了能够保证相互平行 的导轨7在使用时，整体性更好，在所述的导轨远离支撑底座6的一端 固定设有支持顶座8，该支撑底座8将相互平行导轨7连接起来，在使 用时，可以有效的起到支撑的作用，同时为了该支撑底座8不会影响 到冲锤锤体13下落对结构件进行冲击，因此该支撑底座8位于冲锤锤 体的下方，同时冲锤锤头能够能够穿过支撑底座对结构件形成冲击； 所述冲锤锤体13在导轨上进行上下移动，能够保证该冲击机构可以对 任何角度的结构件进行冲击试验，解决了目前只能在水平方向上进行 冲击试验的问题。

在工作时，需要进行冲击试验时，所述卡柱勾住在卡扣结构上， 保证所述的气缸9的气动动作杆12位于缩短的情况，通过气动驱动气 缸9，所述气缸9驱动气动动作杆,12伸长，气动动作杆12达到极限位 置时，冲锤锤体13在惯性的作用下继续下行，卡柱27与卡扣结构分离， 冲锤锤头14对所检测的固定结构件进行冲击试验，在发生冲击后，冲 锤锤体13反弹上行，所述卡柱27倒挂在所述的卡扣结构上，有效的放 置了进行二次冲击的可能。

气动式便携小巧的冲锤作动机构设计，防二次冲击结构设计和利 用直线位移传感器对冲击全过程的速度进行精准测量的测速装置是 本设计最重要的三个亮点。

进一步的，为了保证气动动作杆12在达到极限位置时，冲锤锤体 能够迅速的与卡扣结构分离，保证期冲击的速度，同时保证在在反弹 的过程中，所述的卡柱能够稳定的倒挂在所述卡扣结构上，确保不会 出现二次冲击，

如图1和图2所示，所述卡扣结构包括固定连接在气动动作杆12端 部的连接底座24，活动连接在连接底座24上且相互对称设置的卡钩 25，相互对称设置的卡钩25之间通过弹簧26连接，所述的卡柱27的端 部撑开相互对称的卡钩25倒挂在卡钩25上，将所述冲锤锤体13与气动 动作杆12连接起来。相互对称的卡钩25活动连接在连接底座24上，并 通过弹簧26连接起来，能够确保该卡钩25进行扣合和自动分离，同时 该卡钩25上的倒钩向相对应的反向延伸，保证能够将卡柱上端的锤形 柱头卡柱，同时能够在进行反弹时卡柱的柱头能够撑开卡钩，使其倒 挂在卡钩上。

同时为了进一步的保证所述的卡柱在于倒钩在分离时，能够迅速 的分离，并且不会需要太大的力保证其分离，具体的是所述卡柱27 的上套设有一滑块28，该滑块28沿卡柱27的卡杆上下移动；所述冲锤 锤体13与导轨7通过直线轴承15连接。

在使用时，所述的卡柱27插入到相互对称的卡钩中，并延伸到卡 钩的内的顶部，该滑块28位于相互对称的卡钩之间，将该对称设置的 卡钩撑开，同时该滑块的直径大于或等于卡柱27柱头下端最大处的直 径，同时在冲锤锤体与卡扣结构没有分离时，如图3所述的滑块与卡 钩相对静止，当气缸推动气动动作杆到达极限位置时，气动动作杆停 止，所述的卡柱在惯性的作用下继续下行，如图4所示当卡柱的卡头 移动到滑块的位置时，带动滑块和卡柱一起下行，冲锤锤体与卡扣结 构分离，自由下落，该冲锤锤体上的冲锤锤头对结构件进行冲击试验， 当冲击完成后，冲锤锤体进行反弹，冲锤锤体上的卡柱如图5所示进 入到卡钩中，并如图6所示倒钩在所述的卡钩中，避免进行二次冲击。

同时为了保证在气缸没有推动气动动作杆运动时，所述的卡柱能 稳定的插入带相互对称的卡钩中，并且所述的滑块能够将相互对称的 卡钩撑开，保证所述的冲锤锤体与气动动作杆暂时固定稳定的连接， 在所述连接筒5设有导轨7一端的端面上固定连接有电磁铁固定底座 20，所述电磁铁固定底座20远离连接筒5的端部固定连接有吸盘式电 磁铁21，该吸盘式电磁铁21与固定设在连接筒5上的电磁铁开关22电 连接，所述的吸盘式电磁铁21在通电时，产生的磁性吸附冲锤锤体13。 具体的是将所述的冲锤锤体移动到最上端，卡柱插入到卡钩中，同时 所述的滑块将卡钩撑开，此时所述的电磁铁开关打开，吸盘式电磁铁 21通电，产生磁性，与冲锤推头进行吸附，保证其稳定性，避免卡柱 相对滑块进行滑动，避免滑块在工作开始前不能将所述的卡钩撑开。

在进行试验时，确保气缸带动气动动作杆的伸缩速度符合需要进 行冲击时的速度，如图1所述气动驱动结构2包括气罐35，设在气罐35 上的空气压缩机30，且该空气压缩机30与所述气罐35连通，设在气罐 35上与气罐35连通的气动阀34，所述的气动阀34与气缸9上设有的气 动开关10通过管线连通，所述气动开关10上设有气动开关手柄11，所 述气罐35上还设有用于检测压力的数显压力表32和泄压阀33，所述的 空气压缩机30上设有与该空气压缩机30电连接的开关31。在进行冲击 实验前，通过开关31开启空气压缩机工作，同时气动阀关闭，该空气 压缩机将空气压缩后并储存到气罐中，通过气罐上的数显压力表确定 气罐的压力值，同时保证该气罐的压力值大于气缸动作的压力值，然 后通过泄压阀调整气罐内空气的压力，当气罐中的压力值与气缸使用 的压力值相等时，停止调整，在进行试验时，打开气动阀，同时通过 气动开关手柄11开启气动开关，气罐中的被压缩的空气进入到气缸中 驱动气缸的气动动作杆进行伸长，为冲击装置提供动力。

为了方便在进行检测时，能够对冲锤锤体的位移进行检测，方便 数据的处理，所述数据采集系统3包括设在连接筒5内的直线位移传感 器16，一端插入在直线位移传感器16内，另一端延伸到连接筒5外的 直线位移传感器拉杆17，且该直线位移传感器拉杆17在直线位移传感 器16内运动，所述直线位移传感器16用于检测直线位移传感器拉杆17 的位移数据，位于连接筒5外的直线位移传感器拉杆17的端部设有备 紧螺母8，该备紧螺母8与冲锤锤体13的上端面接触，所述直线位移传 感器16通过电连接有位移信号转换器19，该位移信号转换器19与处理 器37通过数据采集模块36电连接，所述处理器37将数据采集模块36 采集到的位移数据与时间数据转化为瞬间速度。在进行冲击试验时， 由于直线位移传感器拉杆17的一端位于直线位移传感器16内，且能够 在该直线位移传感器16内相对移动，因此当冲锤锤体在下落的过程 中，由于重力的情况(备紧螺母8能够确保直线位移传感器拉杆17与 冲锤推头接触)，直线位移传感器拉杆17和冲锤锤体同时进行下落， 所述的直线位移传感器16检测出直线位移传感器拉杆17的位移，该测 出的位移为冲锤锤头移动的位移，然后该直线位移传感器16将检测后 的数据通过位移信号转换器19进行转化后发送给数据采集模块，数据 采集模块进行接收到的数据发送给处理器(电脑终端)进行处理，并 计算出冲锤锤头在冲击时的瞬间速度，采用的公式为本申请背景技术 中的运算公式，属于本技术领域的公职常识在此不再进行详细的描 述。

进一步的，为了保证在进行倾斜冲击时，能够对倾斜的角度进行 测量，在所述的连接筒5上设有用于检测角度的数显倾角仪29。

一种冲击试验用的气动式低速冲击机构的冲击试验方法，按照以 下步骤进行：

步骤一：手持把持手柄4将冲击机构1顶在需要检测冲击试验的的 固定结构件上，并将冲击试验机固定在测试现场，保证冲击机构1的 导轨7的端部顶在固定结构件上；

电磁铁开关21开启，吸盘式电磁铁21通电产生磁性，同时冲锤锤 体13移动到导轨7的最上端，卡柱27进入到相互对称的卡钩25中，并 滑块28将相互对称的卡钩25撑开，并通过吸盘式电磁铁21吸附住冲锤 锤体13使冲锤锤体13固定在导轨7的最上端；

开关31开启，气动阀34关闭，空气压缩机30工作为气罐35充气， 确保数显压力表32检测到气罐的压力大于设定的压力值，关闭开关 31，通过泄压阀33调整气罐35内的气压，保证气压与设定的压力值相 同；

步骤二：打开气动阀34，气动开关10，气缸9的气动动作杆12推动 冲锤锤体13下行，当气动动作杆12位于极限位置时，冲锤锤体13在惯 性的作用下继续下行，卡柱27从相互对称的卡钩25中退出与气动动作 杆12分离，冲锤锤体13继续下行，与所要检测的固定结构件发生冲击， 并反弹，反弹后的冲锤锤体13上行，卡柱27进入到相互对称的卡钩25 中，并倒挂在卡钩25中；

与此同时，在冲锤锤体13下行的过程中，直线位移传感器拉杆17 随着冲锤锤体13下行，直线位移传感器16检测直线位移传感器拉杆17 的位移即为冲锤锤体13的位移，并将检测到的位移数据通过位移信号 转换器19转换后发送给数据采集模块36，所述数据采集模块36将接受 到的数据发送给处理器37进行处理计算，得到瞬间速度。

具体在进行冲击试验时可以分为实验前的准备工作，冲击工作和 数据采集工作；

试验前准备工作，将冲击机构1固定在所需要检测的结构件上，同 时根据倾斜角度的需求，调整冲击机构1的角度，确保数显倾角仪29 显示的角度符合需求的角度，然后驱动气动机构和数据采集系统与所 述的冲击机构上的部件进行关联，包括电连接和管道，机械连接，组 装完成后，将气动阀进行关闭，开启开关，空气压缩机开始工作，并 将压缩后的空气储存在气罐中，同时根据数显压力表32检测到气罐的 压力大于设定的压力值，关闭开关31，通过泄压阀33调整气罐35内的 气压，保证气压与设定的压力值相同，

在此同时将所述的冲锤锤体上移，使卡柱插入到卡钩中，同时滑 块将卡钩撑开，此时打开电磁开关，吸盘式电磁铁21通电(电磁开关 与吸盘式电磁铁通过导线23连接)，产生磁性，将所述的冲锤锤体吸 附在吸盘式电磁铁21上，确保冲锤锤体发生相对移动，完成所有准备 工作后，进行冲击试验；

冲击试验，将所述的气动阀打开，最好冲击实验前的最后准备工 作，然后通过气动开关手柄开启气动开关，气罐中的压缩空气通过管 线进入到气缸中，驱动气缸的气动动作杆进行伸长，该气动动作杆在 伸长的过程中带动冲锤锤体下行，冲锤锤体与吸盘式电磁铁21分离， 同时保证该气缸动作杆的下行速度大于自由落体的速度，保证滑块相 对与卡钩静止装置，确保滑块能够将卡钩撑开，当气动动作杆伸长到 极限位置时，冲锤锤体在惯性的作用下继续下落，同时卡柱从卡钩中 向外脱落，当卡柱的卡头达到滑块的位置时，带动滑块一起下落，避 免了卡钩卡主卡柱的情况存在，冲锤锤体与气动动作杆彻底分离时， 自由下落，与需要检测的结构件发生冲击，冲击后，冲锤锤体反弹上 行，卡柱插入到卡钩中，并倒挂在卡钩中，避免发生二次冲击。(气 缸作动杆12开始运动，使冲锤脱离电磁铁21沿导轨7向前运动， 当气缸作动杆12伸出到极限位置，如图4所示，冲锤在惯性作用下 继续向前运动，卡柱27脱离连接底座24并且将滑块28从卡钩 25中拉出，如图5所示，冲锤撞击试验件表面后发生回弹，卡柱27 将运动到卡钩25内，如图6所示，此时，防二次冲击装置完成对冲 锤的拦截)。

在进行冲击试验的同时，直线位移传感器拉杆17和冲锤锤体同时 进行下落，所述的直线位移传感器16检测出直线位移传感器拉杆17 的位移，该测出的位移为冲锤锤头移动的位移，然后该直线位移传感 器16将检测后的数据通过位移信号转换器19进行转化后发送给数据 采集模块，数据采集模块进行接收到的数据发送给处理器(电脑终端) 进行处理，并计算出冲锤锤头在冲击时的瞬间速度，完成整个冲击试 验。

该试验方法，确保落锤速度通过落锤测速装置和数据采集系统实 现，可实现冲击瞬时速度的精确测量，以及冲击全过程数据的实时采 集。冲锤沿导向柱运动，冲击试验机安装的方向决定了冲击方向，故 可实现任意角度的冲击，向上和向下冲击都是可行的，试验机上安装 的角度仪可以方便的显示冲击角度；通过控制储气罐的压力值调节冲 击速度，即调节冲击能量的大小。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保 护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护 范围之内。