数字化疲劳冲击试验仪器及试验方法技术

本发明专利技术公开了一种数字化疲劳冲击试验仪器及试验方法，包括导轨、导轨支撑架、试件夹具、冲击锤头、遮光板、加速度传感器、力传感器、光电传感器、气缸控制阀、气缸、电磁铁、行程开关和计算机。当冲击锤头从高处沿直线导轨下降冲击实验试件时，数据采集卡记录冲击过程的实验数据，在气缸和电磁铁作用下，冲击锤头能升起到设定位置准备下一次冲击。该仪器不但能完成冲击次数可控、冲击过程传感器数据可采集，还能获得每次冲击过程中的冲击接触力、冲击能量、冲击时间、加速度、位移、速度所涉及到物理量之间的变化关系，实现疲劳冲击过程的自动化、连续化和全数字化，对材料抗冲击过程精确模拟、设计和破坏机理探索具有非常重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
数字化疲劳冲击试验仪器及试验方法
本专利技术属于振动与冲击领域，具体涉及一种数字化疲劳冲击试验仪器及试验方法。
技术介绍
在实际生活中会经常碰到一些冲击现象，如天上的鸟群与飞行器，地上高速运行的车辆与障碍物，水面上的轮船与暗礁等等。大部分设备或零部件在受到冲击后会有不同的表现，有的造成重大安全事故，损失惨重；有的则伤及皮毛，损失轻微。出现这样结果的原因除了与冲击碰撞的具体环境有关外，就与设备或零部件的设计结构有关，如何设计零部件的结构让设备或零部件冲击后的损失降低到最低呢？在建立相关的设计理论与设计方法之前，工程技术人员必须做大量的试验，探索冲击损伤的破坏机理，研究冲击力学性能随几何参数的变化规律。目前经典的冲击试验仪器包括落锤冲击试验仪器、摆锤冲击试验仪器和气压弹射式冲击试验机，前两者都是利用高处的冲击锤头具有一定的势能，让其自由落下或绕转轴落下，将高处的势能转化为冲击锤的动能，对工件实施冲击。而气压弹射式冲击试验机主要依靠气压机构提供的机械能转化为动能来实现冲击的，这些仪器的共同特点是只能粗略地获得单次冲击过程的实验数据，如要真实精确地了解冲击过程，建立相关抗冲击的设计理论与设计方法，研究结构的损伤机理，就必须要有一种更能精准描述疲劳冲击过程的实验仪器。
技术实现思路
为了解决上述问题，本申请设计了数字化疲劳冲击试验仪，并使整个冲击过程数据采集实现自动化、连续化，冲击过程描述数字化，而且考虑了空气摩擦等因素对冲击锤头的阻碍作用。当冲击锤头从高处沿直线导轨向下冲击试验试件时，冲击锤头能在电磁铁、行程开关、带磁性开关的气缸、可编程序控制器(PLC)、数据采集卡和计算机的共同作用下，实现冲击次数可控、冲击过程传感器数据可采集，并能获得冲击过程中每次冲击接触力、冲击能量、时间、位移、速度、加速度和冲击惯性力所涉及到物理量之间的变化关系，实现疲劳冲击过程的全数字化描述。为了实现上述功能目标，本专利技术采用的技术方案如下：数字化疲劳冲击试验仪器，包括竖直设置的导轨，在所述的导轨上设有沿其上下移动的冲击锤头，在所述的冲击锤头的上方设有用于实现冲击锤头自动上下运动的驱动装置，在冲击锤头的下方设有用于夹紧实验试件的固定夹紧装置；在冲击锤头上下运动的路径上设有数据采集开始开关和两个光电传感器，在所述的冲击锤头上设有加速度传感器和力传感器；所述的加速度传感器、力传感器、光电传感器与数据采集卡相连，所述的数据采集卡采集的数据发送给数据处理装置，所述的驱动装置由控制系统控制，所述的控制系统能够完成试件的冲击次数可控，并通过各个传感器实时获取每次冲击过程的物理参数，对试件实现全自动、多次连续冲击，完成疲劳冲击过程的全数字化描述。进一步的，所述驱动装置包括带磁性开关的气缸，所述气缸的活塞杆底部设有用于吸附冲击锤头的电磁铁，靠该气缸杆伸缩带动电磁铁和冲击锤头往复上下沿着直线导轨运动；电磁铁把冲击锤头提升到设定高度，气缸活塞触发上位磁性开关发讯(装在气缸的上部)，电磁铁断电释放冲击锤头。进一步的，所述磁性开关包括上位磁性开关和下位磁性开关，所述的上位磁性开关和下位磁性开关被触发后，气缸控制阀换向；具体的，在控制系统的控制下，电磁铁通电，气缸控制阀换向，气缸杆伸出，当电磁铁运动到与冲击锤头接触时，电磁铁吸住冲击锤头；气缸触发下位磁性开关动作，气缸控制阀再次换向，气缸杆就会带着电磁铁向上运动，带磁性开关的气缸提着电磁铁把冲击锤头提升到设定高度，这时上位磁性开关被触发，电磁铁断电释放冲击锤头，就开始了新的一轮疲劳冲击循环。通过设置上位磁性开关和下位磁性开关使得电磁铁失电位置可控，气缸杆伸出长度可控，实现对试件的不同冲击能量要求下的疲劳冲击，通过控制系统和安装有数据采集卡的计算机集成，实现冲击锤头对试件的多次连续疲劳冲击。进一步的，所述气缸通过支撑架安装在所述的导轨前面，支撑架沿着所述的导轨可上下移动；带磁性开关气缸的高度可通过该气缸支撑架调节。进一步的，所述的固定夹紧装置包括一个竖直设置的套筒，在所述的套筒内安装有与其同轴设置的支撑套，在所述的支撑套顶部设有压环，所述的压环和支撑套之间设有调整环。进一步的，在所述套筒的底部设有冲击结束开关；如果试件冲击损坏，冲击锤头就会穿过试件，遇到冲击结束开关，整个疲劳冲击仪器停止冲击；或当试件完成的疲劳冲击次数达到预先设定冲击次数，或人为按动冲击结束开关干预冲击过程，整个仪器就自动停止冲击。进一步的，所述的控制系统上还安装有冲击开始按钮、冲击准备按钮和冲击停止按钮。进一步的，在所述的冲击锤头上安装有遮光片，在所述导轨的支撑架侧面上下安装了两个性能一致的光电传感器；冲击锤头的遮光片可以反射光电传感器的光，从而先后触发两个安装间距严格控制的光电传感器，通过两个光电传感器先后产生的脉冲上升沿或下降沿之间的时间差，由安装间距与时间差的比值获得冲击锤头的初始速度值。进一步的，所述力传感器与加速度传感器及光电传感器和数据采集卡所构成的数据测试系统可实时监测力传感器、加速度传感器及光电传感器信号，计算机对该信号完成进一步的分析处理后，并能同时获得冲击速度、位移、冲击能量、冲击锤头加速度、冲击锤头惯性力、冲击接触力和时间之中任何两个或多个物理量之间的变化关系。进一步的，磁性开关的位置可在气缸筒上变化，所以该仪器能实现对试件不同冲击能量大小的单次冲击和疲劳冲击。进一步的，该试验仪的直线导轨要通过导轨支撑架垂直于水平面安装，且直线导轨对水平面的垂直度小于0.08mm，导轨支撑架要通过多个膨胀螺丝牢固地安装在平面度较高的钢筋混凝土浇注的墙面上。本专利技术的工作过程如下：控制系统和数据处理装置实现对带磁性开关气缸、气缸控制换向阀、电磁铁及冲击次数的控制，当气缸杆向上运动时，安装在气缸杆上的电磁铁将冲击锤头吸起，当与气缸杆相连的活塞触发到上位磁性开关，电磁铁断电释放冲击锤头；当冲击锤头下降到临近光电传感器的位置时，数据采集开始工作开关发出信号，数据采集卡对冲击过程中传感器数据进行采集，当冲击锤头继续下降时，遮光片可以反射光电传感器的光，数据采集卡实现对两个光电传感器的信号有效采集；当冲击锤头继续下降时，冲击锤头开始接触工件，数据采集卡实现对加速度传感器与力传感器数据进行有效采集，分别测量冲击过程中的冲击加速度、冲击接触载荷和冲击时间的数据，直至试件冲击动作完成，数据采集卡停止采集工作，实现对试件的单次冲击；完成对试件的单次冲击后，如果当冲击锤头冲坏试件触发到夹具底端的行程开关时，或当试件完成的疲劳冲击次数达到预先设定冲击次数，或人为按动停止按钮，整个仪器就自动停止冲击；否则，疲劳冲击实验仪器就开始了下一个循环的冲击工作，在控制系统和安装有数据采集卡的计算机的控制下，电磁铁再次通电，气缸控制阀换向，气缸杆伸出，当电磁铁运动到与冲击锤头接触时，电磁铁吸住冲击锤头，气缸活塞触发下位磁性开关动作，气缸控制阀再次换向，气缸杆就会带着电磁铁向上运动，带磁性开关的气缸提着电磁铁把冲击锤头提升到设定高度，这时上位磁性开关被活塞触发，电磁铁断电释放冲击锤头，就开始了新的一轮疲劳冲击循环。直到达到设定的疲劳冲击次数，或冲坏实验试件，或人为干预，仪器停止疲劳冲击，在上述过程中，控制系统和安装有数据采集卡的计算机控制了疲劳冲击的次数，再通过数据采集卡本文档来自技高网...

【技术保护点】
数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，包括竖直设置的导轨，在所述的导轨上设有沿其上下移动的冲击锤头，在所述的冲击锤头的上方设有用于实现冲击锤头自动上下运动的驱动装置，在冲击锤头的下方设有用于夹紧实验试件的固定夹紧装置；在冲击锤头上下运动的路径上设有数据采集开始开关和两个光电传感器，在所述的冲击锤头上设有加速度传感器和力传感器；所述的加速度传感器、力传感器、光电传感器与数据采集卡相连，所述的数据采集卡采集的数据发送给数据处理装置，所述的驱动装置和数据采集开始开关由控制系统控制，所述的控制系统能够完成试件的冲击次数可控，并通过各个传感器实时获取每次冲击过程的物理参数，对试件实现全自动、多次连续冲击，完成疲劳冲击过程的全数字化描述。

【技术特征摘要】
1.数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，包括竖直设置的导轨，在所述的导轨上设有沿其上下移动的冲击锤头，在所述的冲击锤头的上方设有用于实现冲击锤头自动上下运动的驱动装置，在冲击锤头的下方设有用于夹紧实验试件的固定夹紧装置；在冲击锤头上下运动的路径上设有数据采集开始开关和两个光电传感器，在所述的冲击锤头上设有加速度传感器和力传感器；所述的加速度传感器、力传感器、光电传感器与数据采集卡相连，所述的数据采集卡采集的数据发送给数据处理装置，所述的驱动装置和数据采集开始开关由控制系统控制，所述的控制系统能够完成试件的冲击次数可控，并通过各个传感器实时获取每次冲击过程的物理参数，对试件实现全自动、多次连续冲击，完成疲劳冲击过程的全数字化描述。2.如权利要求1所述的数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，所述驱动装置包括带磁性开关的气缸，所述气缸的活塞杆底部设有用于吸附冲击锤头的电磁铁，靠该气缸杆伸缩带动电磁铁和冲击锤头往复上下沿着直线导轨运动。3.如权利要求2所述的数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，所述磁性开关包括上位磁性开关和下位磁性开关，所述的上位磁性开关和下位磁性开关被触发后，气缸控制阀换向。4.如权利要求2所述的数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，所述气缸通过支撑架安装在所述的导轨前面，沿着所述的导轨上下移动。5.如权利要求2所述的数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，所述的固定夹紧装置包括一个竖直设置的套筒，在所述的套筒内安装有与其同轴设置的支撑套，在所述的支撑套顶部设有压环，所述的压环和支撑套之间设有调整环。6.如权利要求2所述的数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，在所述套筒的底部设有与控制系统相连的冲击结束开关，所述的冲击结束开关被冲击锤头触发或者人为触发，使得整个疲劳冲击仪器停止冲击。7.如权利要求1所述的数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，所述的控制系统上还安装有冲击开始按钮、冲击准备按钮和冲击停止按钮。8.如权利要求1所述的数字化疲劳冲击试验仪器，其特征在于，在所述的冲击锤头上安装有遮光片，所述光电传感器安装在所述导轨的支撑架侧面的底部；冲击锤头的遮光片反射光电传感器的光，从而先后触发两个安装间距严格控制的光电传感器，通过两个光电传感器先后产生的脉冲上升沿或下降沿之间的时间差，由安装间距与时间差的比值获得冲击锤头的初始速度值。9.如权利要求1所述的数字化疲劳冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁森，郑长升，袁丽华，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37