新型落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)研制

江 磊，吳乙萬，白鴻柏，李上洲，任志英

(1.福州大學(xué) 金屬橡膠工程研究中心，福州 350108； 2.福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福州 350108)

0 引言

材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能對其抗沖擊特性有顯著影響，精確獲取沖擊全過程中試樣的力、位移等數(shù)據(jù)對新型材料的開發(fā)具有重要意義。

目前用于材料沖擊力學(xué)性能研究的沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)主要有：Hopkinson壓桿試驗(yàn)系統(tǒng)[1]、空氣炮[2]、擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)[3]以及落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)[4]。相對于其他沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，落錘沖擊試驗(yàn)臺具有成本低、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理是將一定質(zhì)量的重錘提升到某一高度后釋放，通過錘體的自由落體運(yùn)動(dòng)將重力勢能轉(zhuǎn)換成沖擊能量，或者錘體在預(yù)加力機(jī)構(gòu)作用下，獲得一定的初始速度對被測試件進(jìn)行沖擊，以此驗(yàn)證材料的抗沖擊性能[5]。

常規(guī)落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)備僅用于驗(yàn)證試樣(金屬/非金屬結(jié)構(gòu)件)承受沖擊載荷后的損傷情況，對沖擊過程中試樣的沖擊載荷、變形狀況的時(shí)間歷程關(guān)注較少?，F(xiàn)有落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)主要采用以下兩種途徑獲取沖擊過程中的沖擊載荷時(shí)間歷程：通過沖擊過程中錘頭加速度變化根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算沖擊載荷；通過由安裝在錘頭的動(dòng)態(tài)力傳感器直接測量沖擊載荷。現(xiàn)有落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)測量試樣變形量的時(shí)間歷程的方法主要有：借助高速相機(jī)拍攝沖擊歷程，通過圖像處理獲得沖擊過程中錘頭位移、速度和加速度的時(shí)間歷程[6-7]；使用高速激光位移傳感器測量沖擊點(diǎn)背部的位移和速度[8]；通過安裝在錘頭的加速度傳感器進(jìn)行二次積分獲取位移信息[9]。

雖然現(xiàn)有技術(shù)已能實(shí)現(xiàn)沖擊過程中沖擊載荷和位移的時(shí)間歷程實(shí)時(shí)測量，但仍存在以下不足之處：通過加速度傳感器計(jì)算沖擊載荷為間接測量對傳感器的精度要求高；通過加速度二次積分計(jì)算位移存在傳感器零飄和電磁干擾而導(dǎo)致精度降低的可能；通過高速相機(jī)和高速激光位移傳感器測量位移需要的硬件成本較為高昂[10]。隨著科技的進(jìn)步，新材料的層出不窮，且對材料的抗沖擊性能研究已經(jīng)不僅僅滿足在測試材料的損傷情況，為了更進(jìn)一步研究各種新型材料的抗沖擊性能，傳統(tǒng)的落錘沖擊試驗(yàn)臺因存在操作不便，安全可靠程度不高的缺點(diǎn)，且如上文所述，其無法精確獲取被測材料在沖擊過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)，在此背景下，本文將設(shè)計(jì)一種低成本新型落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，采用動(dòng)態(tài)力傳感器和磁柵尺位移傳感器實(shí)現(xiàn)沖擊過程中沖擊載荷與位移的精確測量，利用LabVIEW-RT實(shí)現(xiàn)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制與數(shù)據(jù)采集。

1 落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)總體方案

圖1為落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的方案示意圖。實(shí)時(shí)機(jī)從宿主機(jī)獲取實(shí)時(shí)代碼，通過PCIe-6353多功能數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號，經(jīng)放大電路調(diào)制后控制執(zhí)行器(電動(dòng)絞盤、電磁鐵)工作，進(jìn)而使錘體提升或釋放，在沖擊過程中三種傳感器實(shí)時(shí)采集錘體動(dòng)態(tài)信號，并由PCIe-6353完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，然后實(shí)時(shí)機(jī)將數(shù)據(jù)通過TCP/IP回傳至宿主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與顯示。落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)主要包含：軟件部分、硬件部分、實(shí)時(shí)平臺和信號處理系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)各部分的功能如表1所示。

圖1 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)方案示意圖

組成功能軟件部分GUI界面虛擬控制面板與數(shù)據(jù)可視化控制算法實(shí)現(xiàn)電動(dòng)絞盤、電磁鐵啟?？刂朴布糠謧鞲衅鲌?zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)拉壓力傳感器測量加力機(jī)構(gòu)額外施加的載荷動(dòng)態(tài)力傳感器測量反作用于錘頭的沖擊載荷磁柵尺測量錘頭的位移電磁鐵實(shí)現(xiàn)錘頭的吸和與脫離電動(dòng)絞盤實(shí)現(xiàn)錘頭的提升機(jī)架總體安裝框架并實(shí)現(xiàn)落錘錘頭導(dǎo)向錘頭用于施加沖擊載荷加速機(jī)構(gòu)使錘頭獲得一定的初始速度實(shí)時(shí)平臺主機(jī)控制代碼編寫、下載實(shí)時(shí)代碼目標(biāo)機(jī)運(yùn)行控制算法信號處理系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電動(dòng)絞盤、電磁鐵多功能數(shù)據(jù)采集卡(PCIe-6353)采集傳感器信號、輸出控制信號

2 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)時(shí)平臺

落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平臺由兩臺計(jì)算機(jī)組成(宿主機(jī)和實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī))。宿主機(jī)與實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)采用TCP/IP通訊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。操作人員可在宿主機(jī)上利用圖形化編程語言LabVIEW編寫人機(jī)交互界面、電動(dòng)絞盤與電磁鐵控制程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序，且可將程序編成成實(shí)時(shí)代碼并下載至實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)。實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)作為實(shí)時(shí)運(yùn)算平臺，運(yùn)行控制程序并利用PCIe-6353多功能數(shù)據(jù)采集卡完成傳感器信號采集與驅(qū)動(dòng)信號輸出工作，連接到采樣頻率為 20 kHz 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，因此采集卡完成傳感器信號采集與驅(qū)動(dòng)信號輸出工作。

2.2 硬件部分

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2.1.1 機(jī)架

機(jī)架作為落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的安裝載體，應(yīng)具有足夠的剛度與強(qiáng)度以保證在沖擊過程中不會發(fā)生變形，其關(guān)乎整個(gè)落錘試驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。采用T型槽鑄鐵平臺作為安裝底座，其加工有若干螺紋孔用于安裝支撐柱、導(dǎo)向柱和電動(dòng)絞盤等。選用四根長4 m、直徑100 mm的鍍鉻光軸作為支撐柱，選用為兩根長4 m直徑為60 mm的鍍鉻光軸作為錘頭導(dǎo)向柱，選用一根長4 m的6060工業(yè)鋁型材作為磁條的安裝軌道。采用一塊的鐵板作為頂板，其上加工有若干螺紋孔用于安裝支撐柱、加力彈簧、定滑輪等。

2.2.1.2 錘頭

錘頭是在沖擊試驗(yàn)中與試件直接接觸的部件，需保證其有足夠的剛度以免在沖擊過程中發(fā)生變形。設(shè)計(jì)的錘頭如圖2所示。整體采用45鋼加工而成，其總質(zhì)量為76 kg。錘頭的兩端開有通孔并內(nèi)嵌自潤滑石墨黃銅套，錘頭的石墨黃銅套與導(dǎo)向柱之間為間隙配合。自潤滑石墨黃銅套能大大降低錘體和導(dǎo)向桿之間在落錘過程中產(chǎn)生的摩擦力，避免因過多的摩擦導(dǎo)致沖擊初始速度實(shí)際值與理論值偏差較大；同時(shí)，亦減少對導(dǎo)向柱表面的磨損，延長落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)使用壽命。錘頭一端加工有磁柵尺位移傳感器的讀磁頭安裝座，用于安裝讀磁頭以實(shí)現(xiàn)沖擊過程中錘頭位移的精確測量，其具體安裝方式如圖2所示。

1.導(dǎo)向柱；2.錘體；3.石墨黃銅套；4.鎖緊螺母；5.鋁型材；6.磁柵尺固定座；7.磁柵尺。
圖2 錘頭及磁柵尺結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1.3 加速機(jī)構(gòu)

由落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)原理可知，沖擊能量僅靠錘頭自由落體所產(chǎn)生，其受錘頭重量和導(dǎo)向柱長度約束，為增大沖擊能量設(shè)計(jì)如圖3所示的加速機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)主要由四根線性彈簧和導(dǎo)向桿組成。彈簧壓縮后，在錘頭釋放瞬間加速機(jī)構(gòu)儲存的彈性勢能將轉(zhuǎn)變?yōu)殄N頭的動(dòng)能。由于彈簧壓縮儲能的能量ΔE為：

(1)

式中，k為加力彈簧剛度值；ΔF為額外施加的彈簧力。

1.承重板；2.輪輻式拉壓力傳感器；3.上彈簧座；4.線性彈簧；5.下彈簧座；6.鎖緊螺母；7.加力板；8.導(dǎo)向桿。
圖3 加速模塊結(jié)構(gòu)圖

選用剛度為60 kN/mm四根線性彈簧，線性彈簧自由狀態(tài)下高度為100 mm，最大壓縮量程為50 mm，四根彈簧能提供最大值為12000 kN的預(yù)加力。

2.2.2 傳感器

為便于控制落錘沖擊試驗(yàn)裝置的初始沖擊速度，加速模塊中四根線性彈簧上方安裝有4個(gè)輪輻式拉壓力傳感器，用于測量加速機(jī)構(gòu)額外施加的彈簧力。選用杭州美控自動(dòng)化技術(shù)有限公司公司生產(chǎn)的MIK-LCLY輪輻式拉壓力傳感器，單個(gè)量程為5000 kN，精度為0.3%FSR。

動(dòng)態(tài)力傳感器選用揚(yáng)州一軒公司生產(chǎn)的YX-60T動(dòng)態(tài)力傳感器，其安裝在錘頭的下表面中心部位，用于測量沖擊過程中作用于錘頭的沖擊反作用力。該傳感器量程為60 T，分辨率為1.95 Pc/N。另外，可根據(jù)測量沖擊力的大小更換不同量程的動(dòng)態(tài)力傳感器。

磁柵尺位移傳感器的輸出為數(shù)字脈沖信號，具有優(yōu)異的抗干擾性能。將磁條貼于平行導(dǎo)向柱的軌道上，并將讀磁頭安裝在錘頭的一側(cè)。錘頭運(yùn)動(dòng)過程中讀磁頭將與磁條有相對位移，并輸出脈沖信號。讀磁頭選用意大利GIVI公司生產(chǎn)的MTS-H100C讀磁頭。該讀磁頭的位移分辨率為25 μm，可承受100 g、11 ms的沖擊，能滿足落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的使用需求。

2.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.2.3.1 電磁鐵

針對系統(tǒng)功能要求和實(shí)現(xiàn)成本，采用電磁鐵實(shí)現(xiàn)錘頭的抓取與釋放，其最大吸力應(yīng)滿足下式：

Fe_max≥Mhg+Fs_max

(2)

式中，F(xiàn)e_max為電磁鐵的最大吸力；Mh為錘頭重量；Fs_max為加力機(jī)構(gòu)所能產(chǎn)生的最大彈簧力。

電磁鐵選用樂清興昊電氣有限公司生產(chǎn)的XDA-240/80，最大吸力為2000 kg。

2.2.3.2 電動(dòng)絞盤

電動(dòng)絞盤用于實(shí)現(xiàn)錘頭的提升，要求其提升力足且提升速度緩慢。將電動(dòng)絞盤安裝在T型槽鑄鐵平臺上，其絞盤里鋼絲繩的另一端通過定滑輪組與電磁鐵起吊耳相連，通過控制絞盤通斷電實(shí)現(xiàn)錘頭的提升與停止。選用沈陽木禾起重設(shè)備有限公司生產(chǎn)的24 V電動(dòng)絞盤，其最大垂直吊重20000 kN，提升速度為3 m/min，能滿足沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的功能需求。

2.3 信號處理系統(tǒng)

落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的信號處理由一塊NI DAQ板卡完成，該板卡可以和LabVIEW編程環(huán)境完美契合，能夠采集傳感器信號和生成多種控制信號。由于沖擊過程歷時(shí)較短通常為毫秒級，因此要求板卡的采樣速率足夠高。選用美國國家儀器公司生產(chǎn)的PCIe 6353多功能數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡最大采樣速率可達(dá)1.25 MS/s，擁有多路IO數(shù)字輸入輸出端口可實(shí)現(xiàn)對電磁鐵與電動(dòng)絞盤的精確控制，擁有32位計(jì)數(shù)/定時(shí)器可用于磁柵尺編碼信號的精確采集，并擁有多路16位模擬通道可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)力傳感器和拉壓力傳感器的精確采集。該多功能數(shù)據(jù)采集卡安裝與實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)的PCIe插槽，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集與控制輸出。

多功能數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口驅(qū)動(dòng)能力有限，無法直接驅(qū)動(dòng)電磁鐵和電動(dòng)絞盤。為實(shí)現(xiàn)錘頭的抓取、釋放、提升等動(dòng)作，設(shè)計(jì)如圖4所示功率放大電路。

圖4 功率放大電路

在本落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)中，選用的動(dòng)態(tài)力傳感器為壓電式傳感器，它安裝在沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的錘頭正下方，用來測量錘體在沖擊過程中所受的載荷大小，由于所以選用的PCIe-6353多功能數(shù)據(jù)采集卡無法識別電荷信號，故動(dòng)態(tài)力傳感器采集的電荷信號經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡上，數(shù)據(jù)采集卡將傳感器經(jīng)放大后的電壓號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸至實(shí)時(shí)平臺保存，方便后期進(jìn)一步對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

2.4 軟件部分

LabVIEW作為美國國家儀器公司(NI)公司開發(fā)的一種編程語言，其使用圖形化的語言，界面操作簡單直觀，交互界面友好[11]，在工業(yè)控制和測試測量等方面廣泛應(yīng)用，落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)采用LabVIEW編程語言作為開發(fā)具，其主要包括：實(shí)時(shí)采集與控制程序和圖形化人機(jī)交互界面。

在落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與控制算法均在后臺運(yùn)行，為便于試驗(yàn)操作和數(shù)據(jù)處理，利用LabVIEW設(shè)計(jì)落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的GUI界面，如圖5所示。該落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)GUI界面的功能主要包括：系統(tǒng)配置區(qū)、錘頭狀態(tài)控制(抓取、釋放、提升)區(qū)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示區(qū)等。

圖5 落錘沖擊試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)界面

測控系統(tǒng)工作流程示意圖如圖6所示，系統(tǒng)測控軟件主要參考JJG541-2005《落體式?jīng)_擊試驗(yàn)臺檢定規(guī)程》現(xiàn)行沖擊實(shí)驗(yàn)設(shè)備檢定規(guī)程中的相關(guān)要求，對系統(tǒng)測控軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，測控系統(tǒng)工作流程示意圖如圖6所示。

圖6 測控系統(tǒng)流程圖

3 落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)性能試驗(yàn)

搭建完的落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 落錘沖擊試驗(yàn)臺

為測試所設(shè)計(jì)的沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的是否具有穩(wěn)定的工作性能，以304不銹鋼圓管作為測試樣件進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，測試樣件如圖(8)所示。

圖8 圓管試件

304不銹鋼圓管的參數(shù)如表2所示。

表2 圓管參數(shù)

將試驗(yàn)試件固定安裝后，將錘體提升到460 mm高度，試件在沖擊作用下的最終變形圖如圖9(a)所示，經(jīng)實(shí)際測量后其變形量為12.2 mm。為進(jìn)一步驗(yàn)證沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)可靠性，通過仿真軟件ABAQUS模擬沖擊試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)參數(shù)下得到的圓管的仿真模擬變形圖如圖9(b)所示。由對比圖9(a)、(b)可知，仿真與實(shí)驗(yàn)后不銹鋼管的變形情況基本一致。

圖9 沖擊試驗(yàn)與有限元模擬的變形對比圖

實(shí)際沖擊試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)如表3所示，沖擊過程的力-位移曲線對比如圖10所示。由兩種試驗(yàn)力-位移曲線對比可知，空心圓管沖擊試驗(yàn)與有限元仿真試驗(yàn)的沖擊過程中力與位移曲線變化趨勢基本一致。由表3中實(shí)際沖擊試驗(yàn)與仿真沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表明所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的可靠性。

表3 實(shí)際沖擊試驗(yàn)與仿真沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表

圖10 沖擊試驗(yàn)與有限元仿真力-位移曲線對比圖

4 結(jié)論

本文通過對已有的落錘沖擊試驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)和主要功能研究分析，并針對上述不足之處，通過利用動(dòng)態(tài)力傳感器和磁柵尺位移傳感器研制了一種低成本、操作簡單和可精確采集被測試件在受沖擊過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)的落錘沖擊試驗(yàn)臺，最大初始沖擊速度能達(dá)到9 m/s，且通過調(diào)整錘體對線性彈簧的壓縮量獲得不同的沖擊速率，模擬不同的沖擊工況，以便更好對被測試件進(jìn)行沖擊性能研究。待落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)組裝完成后，以304不銹鋼圓管作為被測試件，通過實(shí)際沖擊試驗(yàn)與有限元仿真沖擊試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，在實(shí)際沖擊試驗(yàn)過程中沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，各傳感器和關(guān)鍵模塊工作可靠，滿足落錘沖擊試驗(yàn)的測試要求，且實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高,表明所設(shè)計(jì)的落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)具有較高的可靠性。