专利名称：冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量圆柱螺旋弹簧参数的装置，具体指一种冲击载荷下圆柱螺旋 弹簧任意质点运动状态测量装置，特别适合多股簧在高速冲击下任意质点运动状态的测 量。
背景技术：
圆柱螺旋弹簧作为弹簧最主要的一种结构形式，在工业产品和日常生活中有着相 当广泛的应用。圆柱螺旋弹簧又有多股簧和单股簧之分。多股簧是由钢索(通常由3 14 股0. 4 3mm的碳素弹簧钢丝缠绕而成)卷制而成。与单股弹簧相比，多股螺旋弹簧具有更 好的强度及独特的吸振、减振效果，因而它是航空发动机和自动武器等产品的关键零件。另 外，多股螺旋弹簧还可广泛应用于振动设备(如振动筛、振动粉碎设备等)、高精度台面和要 求很平稳的运输车辆等，以取代传统的单股金属弹簧和橡胶弹簧。因为多股螺旋弹簧的各股钢丝在工作过程中相互摩擦，产生了较大的非线性阻 尼，具有吸收冲击动能的能力，因此其显著的优点是抗冲击性能更好，更易于从振动状态恢 复到稳定状态；而且在外载荷作用下各股钢丝所产生的剪切应力小，因而多股螺旋弹簧与 同截面材料的普通单股螺旋弹簧相比，具有更高的强度，在动载荷作用下寿命更长。为了更好地对产品进行设计和制造，有必要研究圆柱螺旋弹簧的运动规律，以测 得弹簧各运动参数之间的关系。由于多股簧设计制造比单股簧更为复杂，其质量稳定性更 难保证。而设计质量和制造质量将直接影响设备的使用性能，因此对多股簧而言，更迫切希 望能够对其性能参数进行快速、有效的检测，以利于弹簧设计和提高制造质量。目前，国内针对圆柱螺旋弹簧的试验检测设备主要有两种弹簧拉压试验机、弹簧 疲劳试验机。弹簧拉压试验机为静态测量，在弹簧变形时，对弹簧的压缩(拉伸)量和变形载荷 进行测量。此类设备只能测量弹簧的总长度变化量和弹簧所受外力的对应关系，不能测量 到弹簧轴向长度上中间任意质点的位移、速度、加速度、应力、应变等数据。在低速载荷下，弹簧上任意质点的运动速度，沿弹簧轴向呈线性分布，受力端位 移、速度最大，固定端位移、速度为零，因此，可以检测并直接推算出弹簧内部各点的应力、 应变，且精度还很高。但是，当多股螺旋弹簧的一端受到高速冲击载荷时，因为弹簧自身有质量、有惯 性，其内部的变形情况非常复杂，弹簧上各质点的移动速度沿轴向不再是线性分布，而是以 纵波的形式向固定端传递，并会在固定端反射。此时，如果仍用现有的弹簧拉压试验设备进 行检测，其误差会相当大，检测结果将完全不能满足要求。弹簧疲劳试验机主要是对各种螺旋弹簧进行疲劳性能试验。通过模拟弹簧的实际 工况，将弹簧压缩(拉伸)到实际安装尺寸，按照弹簧的工作行程进行周期性的高频拉压至 弹簧失效或断裂，但此法无法获得弹簧内部的力学特性及其变化过程，不能对弹簧的深入研究提供过程实验数据。由此可知，目前的弹簧拉压试验机和弹簧疲劳试验机都只能宏观地测出弹簧的整 体力学参数，不能具体地检测出弹簧钢丝上任意质点的运动数据和应力变化情况。因而无 法知道弹簧钢丝的实际受力情况，尤其在高速状态。虽然一般机械设备上使用的弹簧，其变 形速度都属于低速，且对其变形-力值关系要求并不是很精确，只要其静态力学特性满足 要求就可以了。但是一些要求非常特殊的场合，如快速变形，高速冲击工况下，弹簧(包括多 股簧和单股簧)的变形过程就变得非常复杂，弹簧轴向各质点的应力不再相等，且差别非常 大。特别是对于多股簧，用理论方法准确地计算出弹簧的最大应力截面非常困难，对这类弹 簧进行强度计算和校核非常复杂。而这类弹簧往往用于高技术含量的航空发动机和自动武 器的复位机构中，对弹簧的可靠性要求更高。正是因为高速变形螺旋弹簧的检测方法和设 备的缺位，在国内外公开的文献中，没有此类弹簧的动态设计理论，在一定程度上阻碍了弹 簧的研究和发展。由于圆柱螺旋弹簧的动态力学参数均无相关试验设备和方法进行检测，只能简单 地用低速谐波疲劳试验代替高速冲击疲劳试验，只能得到疲劳寿命近似结果，且误差非常 大。为了得到弹簧精确的疲劳寿命只能进行实弹试验，不但成本高昂，而且周期很长，效率 极低，严重制约了该技术的发展。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种低成本、快速测量冲 击载荷下圆柱螺旋弹簧运动状态的装置，本装置可得到圆柱螺旋弹簧任意质点的运动参 数，包括位移、速度和加速度。本发明的技术方案是这样实现的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测 量装置，它包括安放测试弹簧并对弹簧导向的左内管和设置质量块的右内管，左内管和右 内管一端分别安装在过渡架左右两端；左内管另一端安装在左端盖上，左端盖通过套在左 内管外的左外管与过渡架连接；右内管另一端安装在右端盖上，右端盖通过套在右内管外 的右外管与过渡架连接；在右内管内设有间隙配合的大质量块，大质量块朝向左内管端设 有小质量块安装孔，小质量块安装孔内设有间隙配合的小质量块，右端盖与冲气机构连接， 右端盖上设有气流通道以使冲气机构的气流能通过气流通道作用在大质量块上；过渡架上 设有让小质量块通过以冲击左内管内弹簧的通孔，在通孔壁上设有对大质量块限位的限位 台阶；在左外管外沿左外管轴向等间距设有一排检测弹簧上质点是否通过的传感器，所有 传感器的输出与数据分析单元连接。每一个传感器由配对的分别位于左外管轴向两侧的信号发射端和信号接收端构 成，信号发射端和信号接收端安装在传感器安装架上，在左内管和左外管上分别设有让信 号通过的信号通孔。所有传感器信号传输方向确定的面与弹簧簧圈所在圆相切，以使传感器仅检测簧 圈最边缘上的质点，从而简化数据分析单元分析、处理过程。在大质量块上设有两对称的卸荷孔，卸荷孔与小质量块安装孔相通。卸荷孔的目 的是使小质量块两端气压尽量平衡，进一步减少小质量块从大质量块中冲出时速度的损耗，从而提高小质量块冲击多股簧的速度。此外开卸荷孔减少了大质量块的质量，相应就提 高了大质量块的速度，同时提高了小质量块冲击多股簧的速度。在左端盖上设有螺纹孔，螺纹孔上旋接有用于安装测试弹簧的调节螺杆，测试弹 簧的固定端在测试时安装或抵在调节螺杆上，而通过调节螺杆可以调节弹簧在轴向上的位 置状态。在调节螺杆上设有轴向通孔，从外面用棍子或类似物往轴向通孔里捅，可以使大质 量块和小质量块复位。轴向通孔还具有卸荷气体的作用。所述右外管、左外管和过渡架安装在基座上。所有传感器的输出依次通过24路光隔离D/I板和24位数字量I/O卡与数据分析 单元连接，数据分析单元分别与显示器、打印机和键盘连接。数据分析单元在接收到传感器 传输信号的同时，将该信号采集的时间通过时钟也同时确定。本装置能够根据传感器输出信号确定任意质点在任意时刻的位移、速度和加速 度，从而实现对弹簧的性能参数进行快速、有效的检测，有利于对弹簧设计改良和提高制造 质量。本装置适合所有的圆柱螺旋弹簧(包括多股簧和单股簧)，特别是目前检测非常困难 的高速冲击下的多股簧，这对于多股簧的研究非常有帮助。本装置测量快速、准确，周期短， 设备成本较低，容易实现。本装置可以通过调节气压和质量块质量的大小来实现不同的冲击速度，模拟圆柱 螺旋弹簧在实际应用中不同的冲击工况，使用灵活，适用范围广。
图1-本发明测量装置机械部分结构示意图。
图2-本发明测量装置总体框架图。
图3-大质量块嵌套小质量块复合结构图。
图4-过渡架结构示意图。
图5-传感器安装结构示意图。
图6-本发明数据处理示意图。
图7-本发明测量装置电路部分结构示意图。
图8-弹簧上某些质点的位移_时间曲线图。
图9-质点5的的位置、速度和加速度曲线图。
图10-不同时刻各簧圈所处的位置曲线图。
图11-不同时刻各簧圈所处的位置状态图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。参见图1 (图1仅反映本装置机械部分)，本发明冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质 点运动状态测量装置，它包括安放测试弹簧5并对弹簧压缩过程导向的左内管4和设置质 量块的右内管8，左内管4右端和右内管8左端分别安装在过渡架6的左端和右端。左内管 4左端安装在左端盖2上，左端盖2通过套在左内管外的左外管3与过渡架6连接，左外管3分别通过螺栓与左端盖2和过渡架6固定。右内管8右端安装在右端盖11上，右端盖11 通过套在右内管外的右外管7与过渡架6连接，右外管7分别通过螺栓与右端盖11和过渡 架6固定。所述右外管7、左外管3和过渡架6安装在基座12上。在右内管8内设有间隙配合的大质量块10，大质量块10朝向左内管端设有小质量 块安装孔，小质量块安装孔内设有间隙配合的小质量块9。过渡架6上设有让小质量块通过 以冲击左内管内弹簧的通孔13，在通孔13壁上设有对大质量块限位的限位台阶14。右端 盖与冲气机构连接，右端盖上设有气流通道以使冲气机构的气流能通过气流通道作用在大 质量块上。在左外管外沿左外管轴向等间距设有一排检测弹簧受冲击后弹簧上质点是否通 过的传感器，所有传感器的输出与数据分析单元连接。大质量块10受冲击往右内管8左端运动，并同时带动小质量块9运动，在大质量 块10受限位台阶14阻挡停下后，小质量块9在惯性冲击下，继续前进，并通过过渡架上的 通孔13后作用在弹簧5自由端，使弹簧压缩。在压缩过程中，传感器检测弹簧上质点通过 情况，并将结果输出到数据分析单元，由数据分析单元进行分析运算，从而得到弹簧任意质 点运动参数，如位移与时间的关系，速度和加速度与时间的关系等。在左端盖2上设有螺纹孔，螺纹孔上旋接有用于安装测试弹簧的调节螺杆1，测试 弹簧5的固定端在测试时安装或抵在调节螺杆1上，而通过调节螺杆可以调节弹簧在轴向 上的初始位置。在调节螺杆1上设有轴向通孔15，从外面用棍子或类似物往轴向通孔里捅， 可以使大质量块和小质量块复位。轴向通孔还具有卸荷气体的作用。相比落锤冲击，由于水平冲击不但可以通过调节压力而调节速度，而且具有安全 可靠的优点，最重要的是水平冲击冲锤的冲击速度能达到30 m/s，远大于一般落锤的冲击 速度，故本发明选用水平冲击。图2是本发明总体框架图，其中标记A为空气压缩机，B为气动三联件，C为储气 罐，D为电磁阀，E为装置机械部分，即相当于图1所示结构，F为本装置电子部分。空气压 缩机、气动三联件、储气罐和电磁阀即构成现有的冲气机构，为质量块提供冲击力。气动三 联件过滤空气，保证压缩空气的质量，为储气罐提供不同压强的压缩气体。为实现多股簧的 单次撞击，选择电磁阀为气体控制开关。工作流程为空气压缩机A产生压缩气体，气体经 由气动三联件B进入储气罐C，通过压力表可知此时的压强，电磁阀D为控制气体的开关，当 电磁阀D通电后，气体迅速冲击大质量块，最后由小质量块冲击测试弹簧，最后通过传感器 和数据分析单元等分析计算出弹簧在受冲击载荷下任意质点的运动规律，从而可以分析出 不同冲击载荷下圆柱螺旋弹簧(包括多股簧和单股簧)的动态力学性能。冲击试验过程中，由于右端气体多少的不确定性，会造成质量块开始冲击弹簧时 速度的不确定性，从而影响冲击测试的分析结果。为了得到质量块开始冲击弹簧时一个纯 粹的速度，本装置采用大质量块嵌套小质量块的复合结构，如图3所示，其中大小质量块之 间保证间隙配合，以便小质量块能够从大质量块左端孔中顺利冲出。在大质量块10上设有 若干卸荷孔16，卸荷孔与小质量块安装孔相通。如果大质量块为圆柱形，那么卸荷孔在圆 周上等角度分布；如果大质量块为矩形，那么卸荷孔对称布置，以保证运行平稳。实施例中 大质量块为圆柱形，卸荷孔为两个，对称分布。卸荷孔的目的是使小质量块两端气压尽量平 衡，进一步减少小质量块从大质量块中冲出时速度的损耗，从而提高小质量块冲击多股簧 的速度。此外开卸荷孔减少了大质量块的质量，相应就提高了大质量块的速度，同时提高了小质量块冲击多股簧的速度。为了使大质量块能够更有效地接受气流冲击，在大质量块10 右端设有凹坑17。本装置中过渡架的作用是支撑各个管道并连接左内管、右内管和左外管、右外管， 同时用于控制大质量块的运动，从而保证小质量块在惯性的作用下能顺利冲出，在通孔壁 上设限位台阶的目的即在于此。实际加工时，为了减轻大质量块的质量以提高其速度，大质 量块自身也设有台阶，同时考虑到原限位台阶较薄，在基于大质量块有台阶的前提下，本装 置在过渡架6右端孔中除了上述限位台阶14外，还在限位台阶14上设有急停台阶18 (如 图4所示)，由急停台阶与大质量块上的台阶对应，使大质量块急停，小质量块冲出。此时限 位台阶与大质量块左端面尚存在间隙，限位台阶对大质量块的限位急停由急停台阶代替。 在大质量块运动过程中，右内管和过渡架结合间隙处的不光滑过渡可能会阻碍大质量块的 运动，所以在该过渡架急停台阶处设计一导向坡口 23，以便减少大质量块与过渡架中该台 阶的冲击，见图4。为了实现传感器对质点通过的可靠检测，本装置通过多路通道非接触检测方法， 由一排传感器采集到的各个簧圈轴向运动过程中间隔阻断传感器光路的信号后按规律合 成，来推导螺旋弹簧任意质点在任意时刻位移、速度、加速度规律。因此本发明每一个传感 器由配对的分别位于左外管轴向两侧的信号发射端19和信号接收端20构成，信号发射端 19和信号接收端20安装在传感器安装架21上，在左内管4和左外管3上分别设有让信号 通过的信号通孔22，如图5所示。当信号接收端没有接收到信号发射端发射的信号(光路) 时，表明有检测质点通过该传感器，此时传感器输出信号为“ 1”，否则为“0”，本发明主要研 究“1”出现的情况。为了简化计算量，本装置主要用于测试圆柱螺旋弹簧的压缩过程。本装置通过一排传感器采集信号，因此信号数据的准确性与传感器的要求紧密相 关，包括对传感器的个数要求、采样频率要求和安装要求等。传感器的个数与被测弹簧的长度和结果要求精度有关，在检测弹簧长度一定的情 况下，要求精度越高，需要布置的传感器就越多。见图6，弹簧螺距为P，检测质点数为M，从右到左分别记为质点1、2……M，则自 由状态下弹簧长度为L=P(M-1);传感器安装间距为D，传感器数量为N，第1个传感器与弹簧 右端距离为S;因此1):￡￡;
则,此时得到的N可能为小数，对其取整得到传感器数量为
DD
传感器的采样频率要求与弹簧压缩速度有关，对被高速压缩的弹簧簧圈上的任意质点 运动规律的检测，因为弹簧尺寸较小，相邻螺距也小，螺距变化极快，所以对传感器采样频 率的要求比较高，需要传感器采样频率大于各个簧圈通过传感器的频率。高的采样频率能 保证弹簧在轴向运动中有足够多的采样点数，确保动态参数变化曲线的真实性。为了便于数据采集和数据分析，所有传感器信号传输方向确定的面与弹簧簧圈所 在圆相切，如图5，即传感器只检测图示螺旋弹簧每一个簧圈上边缘(或者下边缘)的质点， 该质点称之为检测质点。实际操作时是使传感器信号传输方向确定的面与弹簧簧圈中径所 在圆相切(中径为簧圈内径与外径的平均值)。如果检测其它位置质点，在压缩过程中，可能 存在并圈情形，即多个检测质点紧贴在一起，增加了后续数据分析的难度。而检测相切处质点，即使在冲击力很大的情况下，两检测质点之间还是会存在比较小的间隙，容易把两检测 质点区别开。所有传感器的输出依次通过PCLD-782B/24路光隔离D/I板和PCL-724/24位数字 量I/O卡与IPC数据分析单元连接，数据分析单元分别与显示器、打印机和键盘连接，见图 7。当弹簧的一端受到高速冲击载荷时，各个簧圈沿轴向运动，簧圈就会间断地阻隔 传感器通光路。这样，传感器就会检测到相应簧圈信号，信号经过PCLD-782B/24路光电隔 离D/I板卡的处理后由PCL-724/24位数字量I/O板卡采集。同时需要采集的参数是各个 信号被采集的时间，这就要求我们采用硬件计时或软件计时的方法记录各个信号被采集的 时间。由于成本问题，本装置采用DOS环境下基于PCL-724数据采集卡中断功能的软件计 时法。最后由数据分析单元通过相应算法将采集到的信号转化为弹簧任意簧圈的位移与时 间关系曲线，对每个簧圈位移随时间变化的关系曲线拟合，即可得到各个簧圈位移与时间 关系方程，对位移与时间关系方程分别进行一次求导和二次求导，即可得到相应簧圈速度 随时间变化的关系曲线和加速度随时间变化的关系曲线。PCLD-782B的特点为:￡,带有电压比较器的输入缓冲；带显示输入逻辑状态的
LED指示灯板上带螺丝端子，便于接线；.f: 16或24路光隔离数字量输入；f::与所有带 有D/1通道的PC-LabCards兼容。PCL-724的特点为1:: 24路TTL数字量I/O接口；②仿真8255 PPI模式0 可编程中断处理；50管脚定义与Opto-221/O模块完全兼容。如何根据传感器检测到的簧圈信号来确定任意簧圈的位移与时间关系曲线呢？ 因为传感器只能检测每一个簧圈最边缘的质点，本发明在处理的时候，为了简化计算，就认 为该簧圈其他质点的运动与该簧圈最边缘质点的运动完全相同，实践表明，这对结果影响
非常小。为了获得任意质点的时间和位移关系曲线，需要得到任意质点通过该质点能通过 的所有传感器的位移(位置)和对应的时间。对此本发明采用了如下的处理手段
传感器的定义。质点运动到传感器处会阻断传感器的光路传输，致使另一边的传感器 接收不到光，此时输出信号为“1”；反之，传感器光路连通时输出信号为“0”；即信号接收端 没有接收到信号发射端发射的信号时，表明传感器探测到有检测质点通过，此时传感器输 出为“1”，否则为“0”，本发明主要研究“1”出现的情况。为了提高检测精度，在每两个簧圈 之间至少布设有一个传感器。因此传感器采样频率很高，一个质点通过时很可能会被同一 个传感器多次采样到，如果两个“0”输出之间有多个“1”输出，则该多个“1”输出视为一个 检测质点通过并在处理时视为只有一个“1”输出，以所述多个“1”输出中任意一个“1”输 出时间作为该检测质点通过该传感器的时间并记录该检测质点对应的位移。实施例以第一 个“ 1”的输出时间为该检测质点通过该传感器的时间。由于只有传感器有输出，而如何判断传感器输出“1”是哪个质点通过，即每一个检
8测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的时间如何确定，本发明是这样处理的设传 感器的个数为N，从弹簧自由端往固定端依次标记为1、2、…X、…N-1、N;在自由状态下， 弹簧自由端到第X个传感器之间有Y个检测质点，假如第X个传感器正好能检测到弹簧自 由状态下的某检测质点，那么该检测质点也属于Y个检测质点之列，从弹簧自由端往固定 端将所述Y个检测质点依次标记为1、2、…、Y-1、Y;
由图 6 可知
权利要求
1.冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装置，其特征在于它包括安放测 试弹簧并对弹簧导向的左内管(4)和设置质量块的右内管(8)，左内管(4)和右内管(8) — 端分别安装在过渡架(6)左右两端；左内管(4)另一端安装在左端盖(2)上，左端盖(2)通 过套在左内管外的左外管(3 )与过渡架(6 )连接；右内管(8 )另一端安装在右端盖(11)上， 右端盖(11)通过套在右内管外的右外管(7)与过渡架(6)连接；在右内管(8)内设有间隙 配合的大质量块(10)，大质量块(10)朝向左内管端设有小质量块安装孔，小质量块安装孔 内设有间隙配合的小质量块(9)，右端盖与冲气机构连接，右端盖上设有气流通道以使冲气 机构的气流能通过气流通道作用在大质量块上；过渡架上设有让小质量块通过以冲击左内 管内弹簧的通孔，在通孔壁上设有对大质量块限位的限位台阶(14);在左外管外沿左外管 轴向等间距设有一排检测弹簧上质点是否通过的传感器，所有传感器的输出与数据分析单 元连接。
2.根据权利要求1所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装置，其特 征在于所述每一个传感器由配对的分别位于左外管轴向两侧的信号发射端(19)和信号 接收端(20)构成，信号发射端(19)和信号接收端(20)安装在传感器安装架(21)上，在左 内管(4)和左外管(3)上分别设有让信号通过的信号通孔(22)。
3.根据权利要求2所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装置，其特 征在于所有传感器信号传输方向确定的面与弹簧簧圈所在圆相切。
4.根据权利要求1或2或3所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装 置，其特征在于在大质量块(10)上设有两对称的卸荷孔(16)，卸荷孔与小质量块安装孔 相通。
5.根据权利要求4所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装置，其特 征在于在左端盖上设有螺纹孔，螺纹孔上旋接有用于安装测试弹簧的调节螺杆(1)，在调 节螺杆(1)上设有轴向通孔(15 )。
6.根据权利要求5所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装置，其特 征在于所述右外管(7)、左外管(3)和过渡架(6)安装在基座(12)上。
7.根据权利要求6所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装置，其特 征在于所有传感器的输出依次通过24路光隔离D/I板和24位数字量I/O卡与数据分析 单元连接，数据分析单元分别与显示器、打印机和键盘连接。
全文摘要
本发明涉及冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量装置，它包括安装在过渡架两端的左、右内管，左、右内管另一端分别安装在左、右端盖上。在右内管内设有大质量块，大质量块内设有间隙配合的小质量块。过渡架上设有让小质量块通过的通孔，通孔壁上设有对大质量块限位的台阶。在左外管外设有检测弹簧上质点通过的传感器，传感器与数据分析单元连接。本装置能够确定任意质点在任意时刻的位移、速度和加速度，从而实现弹簧性能参数快速、有效的检测，有利于对弹簧设计改良和提高制造质量。本装置测量快速、准确，周期短，设备成本较低，容易实现。本装置可以模拟圆柱螺旋弹簧在实际应用中不同的冲击工况，使用灵活，适用范围广。
文档编号G01M7/08GK102109411SQ20111002852
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者周杰, 康玲, 张明明, 李小勇, 王时龙, 田波, 雷松 申请人:重庆大学