一种模拟冲击体耗能的冲击试验用落锤技术领域
本发明涉及一种模拟冲击体耗能的冲击试验用落锤，尤其适用于土木工程结构和构件的冲击试验，可以模拟冲击体自身耗能对受冲击结构构件的冲击力学性能的影响。
背景技术
目前，对土木工程结构构件进行冲击力学性能试验研究，较多的采用自由落体式落锤或摆锤冲击试验系统，作为冲击体的落锤或摆锤均是采用钢材制作的刚性原件，冲击过程中落锤处于弹性状态，刚度大，变形小，吸收能量微小到可以忽略。
而由实际经验可知，在实际的冲击事件中，冲击体可能会发生较大的不可恢复的塑性变形（如汽车、船舶等碰撞土木工程结构时会发生较大的塑性变形），这种塑性变形吸收了大量的碰撞能量，减少了受冲击结构构件的冲击输入能量，并延长了冲击过程的时间。输入的冲击能量和冲击持续时间均是影响结构构件冲击力学性能的重要因素。
申请人长期研究后发现，目前土木工程结构构件的冲击试验中普遍采用的刚性落锤和摆锤不能反应实际冲击事件中冲击体自身塑性耗能的特点，进而影响对实际冲击事件中结构构件的冲击力学性能的研究。本发明提供一种模拟冲击体自身耗能的冲击试验用落锤。
发明内容
针对现有土木工程结构构件冲击试验中采用的刚性落锤和摆锤不能反映实际冲击事件中冲击体自身存在塑性耗能特性这一技术上的不足，本发明旨在提供一种模拟冲击体耗能的冲击试验用落锤，该落锤可以真实地模拟冲击过程中冲击体自身塑性耗能的特性，从而为实际冲击事件中结构构件的冲击力学性能的研究提供指导。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种模拟冲击体耗能的冲击试验用落锤，其结构特点是，包括
—竖向布置依次连接的冲击头、活动压杆和活动压杆头；
—套筒，其套装在活动压杆上部和活动压杆头外；
—储能结构，用于储存落锤冲击时产生的弹性势能；以及
-—配重，固定在套筒顶部，该配重套装在导轨上，并可随套筒、冲击头、活动压杆和活动压杆头一起沿着导轨上下移动；所述套筒上装有可将活动压杆头卡止在套筒顶部内的卡位件。
由此，冲击力作用下储能结构贮备弹性势能，当活动压杆运动到套筒顶部（上止点）时，卡位件卡止活动压杆头，阻止储能结构弹性势能释放，通过贮备的弹性势能模拟实际冲击事件中冲击体自身塑性变形发生的耗能。
根据本发明的实施例，还可以对本发明作进一步的优化，以下为优化后形成的技术方案：
为了便于实时了解冲击时的冲击体对冲击目标的冲击力大小以及冲击体自身储能结构储存的弹性势能的大小，所述冲击头与活动压杆之间设有处于预压状态的压电式力传感器，所述套筒底部装有激光位移传感器。所述冲击头中央设有安放压电式力传感器的圆柱孔，圆柱孔大小根据压电式力传感器尺寸进行设计调整。所述压电式力传感器在试验前需处于预压状态，因此装配时通过拧紧冲击头与活动压杆之间的连接螺栓对压电力传感器施加预紧力。
作为一种具体的结构形式，所述卡位件包括卡位件导杆、套装在卡位件导杆上的复位弹簧和与卡位件导杆通过螺纹相连的卡位端；所述套筒上装有固定架，所述复位弹簧位于套筒外壁与固定架之间，所述套筒的壁面上开有供卡位端通过的卡位端安装孔，所述固定架上设有卡位件导杆安装孔；所述卡位端的内端具有斜坡结构或曲面结构，所述活动压杆头相对活动压杆具有与卡位端配合卡固的卡位台。优选地，套筒壁上开有方孔，套筒上的固定架开有圆孔，方孔与圆孔中心对正，卡位端在套筒外部的部分有类似销钉作用的凸起，卡位端在套筒内部是具有一定弧度的曲面。卡位件安装在方孔与圆孔的位置。优选地，卡位件导杆与卡位端通过螺纹连接。
在本发明中，选择的复位弹簧长度保证安装完毕后有一定的初始压缩变形，从而对卡位端有初始压力作用。优选卡位端在套筒外部的部分有类似销钉作用的十字形凸起，用于阻止卡位端在复位弹簧压力下过多伸入套筒内部。
优选地，所述卡位端和活动压杆头均是具有一定弧度的曲面，两者能平滑接触，当活动压杆头向上运动时,卡位端在活动压杆头的作用力下向套筒外运动，当活动压杆头底面越过卡位端时，卡位端受复位弹簧的压力而回弹卡住活动压杆，使储能弹簧固定在压缩状态。
作为卡止活动压杆头的一种具体的结构形式，所述活动压杆头的侧表面为具有一定弧度的曲面，且曲面的圆周半径从顶面往下依次增大，由此，冲击时活动压杆头形成楔形结构，强行挤压卡位件，当活动压杆头上移至上止点时，卡位件位于活动压杆头底端并受复位弹簧回复力作用回弹，从而将活动压杆头卡止在套筒上。优选活动压杆与活动压杆头通过螺纹连接。
优选地，所述储能结构为套装在活动压杆下部的储能弹簧，该储能弹簧位于所述套筒底端与活动压杆底端的凸台之间。由此，储能弹簧安装在活动压杆与套筒之间，起到储存势能的作用。所述活动压杆在套筒内部可自由滑动，在活动压杆与套筒之间设置储能弹簧，冲击时受冲击力作用活动压杆往套筒顶部运动的同时储能弹簧压缩贮备弹性势能，当活动压杆运动到套筒顶部时，卡位件卡止活动压杆头，阻止储能弹簧回弹，通过弹簧贮备的势能模拟实际冲击事件中冲击体自身塑性变形发生的耗能。
优选地，所述储能弹簧在不同试验中可采用不同的刚度，根据弹簧的耗能与刚度成正比，通过改变弹簧刚度模拟不同量的冲击体耗能。弹簧长度取值保证各部件装配完成后弹簧具有一定的初始压缩量。
为了便于导向和减少阻力，所述活动压杆与套筒之间设有直线轴承；所述配重与导轨也设有直线轴承。由此，活动压杆穿过放置在套筒内内的直线轴承可自由移动。
所述配重包括与套筒固定连接的配重基座，以及固定在配重基座上的至少一块配重块。所述配重块可根据实际试验需要，增加或减少数量或不使用。优选地，所述配重块顶部或配重基座顶部可装有抓钩，可与落锤的升降机构连接。
所述套筒的外壁面和活动压杆的底端外壁面均设有凸台，该套筒的凸台和活动压杆的凸台之间设有将套筒的凸台和活动压杆的凸台连接在一起的可装卸连接件。优选地，所述连接件为连接螺杆，所述活动压杆与套筒的连接螺杆在进行冲击试验时不安装，该螺杆仅在零件装配和试验完毕后恢复装置初始状态时使用。零件装配式时，若储能弹簧刚度较大，不方便进行压缩安装时，可借助活动压杆与套筒的连接螺杆施加压缩力。试验完毕后，为顺利取出卡位件，先均匀地拧紧各螺杆，将卡位件承受的来自于储能弹簧压缩产生的力转移到螺杆，待取出卡位件后，再均匀的放松各螺杆拉力，使储能弹簧平稳恢复试验前状态。
在试验使用时，所述激光位移传感器的对面贴有反射薄膜，以便于激光位移传感器测量储能弹簧的压缩变形。
优选地，所述卡位件对应于套筒壁上安装用的方孔顶部距离套筒顶部内表面的距离等于活动压杆头凸台的高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可对冲击力时程和落锤储能结构吸收的弹性势能时程进行测量，通过改变储能弹簧的参数可以模拟不同的冲击体耗能量，可用于研究不同的冲击质量和冲击速度下，冲击体自身不同程度的塑性耗能对受冲击结构构件的冲击力学性能的影响，得到受冲击构件更真实的动力响应。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
附图说明
图1a是本发明一个实施例的结构原理图；
图1b为图1a的纵剖面示意图；
图2a为本发明所述冲击头的俯视图；
图2b为图2a的A-A剖面图；
图3a为本发明所述套筒的结构示意图；
图3b为图3a的纵剖面示意图；
图4为本发明所述卡位件与套筒的装配图；
图5为本发明所述卡位件的结构示意图；
图6为本发明所述活动压杆与压杆头的装配图；
图7为冲击过程中储能弹簧与活动压杆的状态图。
在图中
1-冲击头；2-活动压杆；3-压电式力传感器；4-储能弹簧；5-套筒；6-直线轴承；7-活动压杆头；8-卡位件；9-激光位移传感器；10-螺杆；11-配重基座；12-配重块；13-抓钩；14-导轨；15,24-力传感器导线出口；16-卡位端安装孔；17-导杆安装孔；18-固定架；19-直线轴承固定板安装螺孔；20-直线轴承安装位置；21-卡位件导杆；22-复位弹簧；23-卡位端；25-弹簧垫圈；26-直线轴承固定板；27-内圈螺孔。
具体实施方式
一种模拟冲击体耗能的冲击试验用落锤，如图1～图7所示，底部为冲击头1，冲击头1与活动压杆2之间有压电式力传感器3，冲击头1与活动压杆2通过螺栓进行连接，安装时通过拧紧螺栓对压电式力传感器施加预紧力，力传感器导线从孔15和孔24进出，储能弹簧4位于活动压杆2与套筒5之间，活动压杆2穿过放置在套筒5内的直线轴承6可活塞活动，活动压杆头7通过螺纹与活动杆2连接，压杆卡位件8从套筒壁通过卡位端安装孔16穿入筒壁内部，激光位移传感器9安装于套筒底部，螺杆10可连接活动杆2与套筒5，配重基座11与套筒5通过螺栓连接，配重基座11、配重块12与抓勾13之间均通过螺栓连接，导轨14与配重基座11之间设置直线轴承6。
如图3～图5所示，卡位件安装在套筒上。卡位件由三部分组成（图5），包括卡位件导杆21、复位弹簧22和卡位端23。卡位件导杆21和卡位端23通过螺纹连接。安装卡位件时，先将卡位端23伸入套筒5上的卡位端安装孔16，再将卡位件导杆21穿过固定架18上的导杆安装孔17，然后将复位弹簧22穿在卡位件导杆21，最后将卡位件导杆21与卡位端23通过螺纹拧紧。
图6中活动压杆2、活动压杆头7装配前，先将活动压杆2与冲击头1连接用的螺杆放入活动压杆的内圈螺孔27中，将活动压杆2与冲击头1通过螺栓装配好，再依次放弹簧垫圈25（图7）、储能弹簧4、直线轴承固定板26（图7）、直线轴承6，最后将活动压杆头7与活动压杆2进行螺纹连接。进行前述装配后，再将活动压杆2和活动压杆头7伸入套筒5内，使直线轴承6安装在图3b中位置20，轴承下端与套筒5底面平齐，然后用螺栓通过图3中的螺孔19将图7中的直线轴承固定板26与套筒2连接固定，防止套筒下滑。
图2中冲击头1中部大圆柱孔可放入压电式力传感器3，然后再与活动压杆2通过螺栓固定。如图2和图6所示，装配时注意冲击头1上的孔洞15与活动压杆上的孔洞24对齐，方便传感器导线进出。
图1中的螺杆10在冲击试验时不进行安装。试验时状态如图7，没有安装螺杆10，储能弹簧4被压缩，同时活动压杆2及活动压杆头7往套筒5顶部运动（如图1所示），到达顶部后被卡位件8卡止维持储能弹簧处于压缩状态。冲击试验完毕后，安装螺杆10，通过螺母施加预紧力抵抗压缩弹簧的压力，将卡位件8所受的力卸载至零，并取出卡位件（将卡位件导杆21拧出，再取出复位弹簧22和卡位端23）。然后再四周均匀放松螺母，使储能弹簧平稳回复到试验前初始状态。
试验时，激光位移传感器9的对面需贴反射薄膜，以保证对储能弹簧压缩变形的时程进行测量。
图1中配重基座11与套筒5之间通过螺栓进行连接，配重基座与配重块12通过双头螺杆夹紧在一起，根据冲击质量的需要，可以采用不同质量的配重块、多块配重块进行组合。抓钩13与最顶层的配重块通过螺栓紧固在一起，用于起吊落锤。配重基座11与导轨之间安放直线轴承6，以减少落锤下落过程中的阻力。
本发明主要用于土木工程结构和构件的冲击试验，试验时储能弹簧压缩，活动压杆向套筒顶端运动，活动压杆到达顶端时多个压杆卡位件固定活动压杆，阻止弹簧在弹簧力作用下回弹。通过储能弹簧压缩吸收势能模拟冲击过程中冲击体自身塑性耗能，解决了目前冲击试验中普遍采用的刚性落锤不能模拟实际冲击过程中冲击体自身塑性耗能特性的不足。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。