偏心轮式水平向冲击谱测量装置及其安装和测量方法与流程

本发明涉及冲击谱测量技术领域，尤其是一种偏心轮式水平向冲击谱测量装置及其安装和测量方法。

背景技术：

舰船冲击爆炸时产生的冲击环境，是开展舰载设备抗冲击性能研究的载荷输入条件，而由冲击爆炸造成的舰船的非线性动响应现象非常复杂，准确、可靠的舰船冲击环境数据通常通过试验获取。

现有技术中，国内舰船冲击环境测试设备包括压电式加速度计和簧片仪、振子等机械式冲击谱测量装置，需要两者相互配合验证，才能得到较为准确、可靠的舰船冲击环境数据。

现有的簧片仪通常是由一组端部带集中质量块的水平悬臂梁构成的装置，通过测量簧片的冲击应变或变形响应，获取舰船垂向5～20hz的中低频段冲击环境数据。而对于水平向冲击环境数据的测量，现在的做法是将簧片仪竖直安装使簧片处于悬挂状态进行测量；但该方式无法消除水平向冲击载荷与垂向冲击载荷、重力载荷的耦合作用，因此，现有的簧片仪根本无法得到合理的水平向冲击环境数据。

现有的振子是由弹簧、隔振器等隔振缓冲元件与质块构成的竖直方向的单自由度系统，用于舰船垂向5hz以下和50hz左右的极低频和中频段冲击环境数据的测量。同样的，该方式无法消除多方向冲击载荷的耦合作用，因此振子也不能用于水平向冲击环境数据的测量。

因此，现有的机械式冲击谱测量装置，无法应用于水平向冲击环境的测量。而当潜艇承受的水平向冲击环境与垂向冲击环境量值基本相当时，情况会变得更加复杂，因此，需要研发出专用的机械式水平向冲击谱测量装置。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的偏心轮式水平向冲击谱测量装置及其安装和测量方法，从而实现水平向冲击谱的测量，并且测量装置结构简单，操作方便，测量结果可靠，有效助力于舰载设备的抗冲击性能研究。

本发明所采用的技术方案如下：

一种偏心轮式水平向冲击谱测量装置，包括上下间隔水平设置的底座和顶板，所述底座与顶板之间通过分列两侧的立板支撑连接，所述底座与顶板共同安装有竖直的轴，轴两端分别通过轴承与底座和顶板连接，轴上端伸出顶板并在端头安装有角度传感器；位于底座与顶板之间的轴上水平固装有偏心轮，偏心轮与顶板和底座之间轴上均固装有扭簧。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述偏心轮通过销和键与轴固接；所述销位于偏心轮内部，且销径向贯穿轴。

位于轴圆周外侧的顶板与偏心轮内侧面上均开有孔，位于顶板与偏心轮之间的扭簧的两端头分别固装于两个孔内。

位于轴圆周外侧的底座上对称安装有定位块，两定位块上分别贯穿安装有螺栓，两个螺栓的尾部相对间隔设置；位于两个定位块中部的底座上开有弧形槽，所述弧形槽的圆心位于轴的轴心线上；位于偏心轮与底座之间的扭簧下端头伸入弧形槽内并由两个螺栓的尾部夹紧定位；该扭簧上端头则伸入偏心轮底面的孔内与其固定。

所述偏心轮的截面为椭圆形结构。

位于轴与角度传感器连接处的顶部上表面安装有壳体。

所述底座底部安装有底板，所述底板将轴的端头封闭于底座内；两个立板的外侧面与底座之间安装有加强筋。

所述的偏心轮式水平向冲击谱测量装置的安装方法，包括如下步骤：

第一步：将两个立板焊装至底座上，将加强筋焊至立板与底座之间；

第二步：将两个轴承分别装入底座与顶板内；

第三步：通过键将偏心轮套装至轴上，再将销沿径向装入偏心轮内部，且销贯穿轴，使得偏心轮与轴固连；

第四步：将扭簧套装至轴一端，将扭簧一端头插入偏心轮上的孔内；将轴的该端部装入底座上的轴承内并将扭簧的另一端插入底座的弧形槽内并由两个螺栓固定住；

第五步：在轴上端套装另一扭簧，该扭簧一端插入偏心轮的孔内；将带有轴承的顶板套装至轴上，且扭簧的另一端插入顶板的孔内；将顶板通过紧固件与立板固接；

第六步：在轴顶端外侧的顶板上安装壳体，在轴端头安装角度传感器；

第七步：在底座底部通过紧固件安装底板。

所述的偏心轮式水平向冲击谱测量装置的测量方法，包括如下步骤：

第一步：将测量装置的底板通过紧固件安装于对象件上；

第二步：将角度传感器通过线路连至控制器；

第三步：偏心轮受到外界冲击载荷作用，水平冲击载荷使得偏心轮与轴一

起在轴承作用下相对于测量装置转动，两个扭簧受力扭转，轴端部的角度

传感器将转动角度信息传送给控制器；

第四步：外界冲击载荷卸去，偏心轮在两个扭簧的作用下复位；

第五步：将转动角度的值代入如下公式：

其中：为转动角度，单位为rad；r为参与因子；l为偏心轮的偏心距，

单位为m；d(t)为冲击谱位移，单位为m；

获得冲击谱位移，即完成水平向冲击谱的测量。

参与因子r依据下式计算得出：

其中：m为偏心轮的质量，单位为kg；l为偏心轮的偏心距，单位为m；jz为偏心轮相对轴的转动惯量，jz＝j0+ml²，j0为偏心轮的转动惯量。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过在底座与顶板之间安装轴，轴上固装偏心轮，偏心轮与底座和顶板之间分别固装有扭簧，从而偏心轮的质量与扭簧的刚度构成单自由度系统，进而建立该系统受水平向冲击载荷作用时的动力响应方程，得到偏心轮转角响应与水平向冲击谱位移之间的正比关系；并通过轴顶部角度传感器获取偏心轮转动角度，进而获得水平向冲击谱位移；测量方便，计算简单合理，所获得的最终结果可信度高。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图2中沿a-a向的剖视图。

图4为本发明测量装置的等效结构示意图。

图5为图4的俯视图。

其中：1、底板；2、底座；201、弧形槽；3、偏心轮；4、立板；5、扭簧；6、顶板；7、壳体；8、角度传感器；9、加强筋；10、定位块；11、螺栓；12、销；13、轴承；14、轴；15、键。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本实施例的偏心轮式水平向冲击谱测量装置，包括上下间隔水平设置的底座2和顶板6，底座2与顶板6之间通过分列两侧的立板4支撑连接，底座2与顶板6共同安装有竖直的轴14，轴14两端分别通过轴承13与底座2和顶板6连接，轴14上端伸出顶板6并在端头安装有角度传感器8；位于底座2与顶板6之间的轴14上水平固装有偏心轮3，偏心轮3与顶板6和底座2之间轴14上均固装有扭簧5。

如图2和图3所示，偏心轮3通过销12和键15与轴14固接；销12位于偏心轮3内部，且销12径向贯穿轴14。

位于轴14圆周外侧的顶板6与偏心轮3内侧面上均开有孔，位于顶板6与偏心轮3之间的扭簧5的两端头分别固装于两个孔内。

位于轴14圆周外侧的底座2上对称安装有定位块10，两定位块10上分别贯穿安装有螺栓11，两个螺栓11的尾部相对间隔设置；位于两个定位块10中部的底座2上开有弧形槽201，弧形槽201的圆心位于轴14的轴心线上；位于偏心轮3与底座2之间的扭簧5下端头伸入弧形槽201内并由两个螺栓11的尾部夹紧定位；该扭簧5上端头则伸入偏心轮3底面的孔内与其固定。

偏心轮3的截面为椭圆形结构。

位于轴14与角度传感器8连接处的顶部6上表面安装有壳体7。

底座2底部安装有底板1，底板1将轴14的端头封闭于底座2内；两个立板4的外侧面与底座2之间安装有加强筋9。

本实施例的偏心轮式水平向冲击谱测量装置的安装方法，包括如下步骤：

第一步：将两个立板4焊装至底座2上，将加强筋9焊至立板4与底座2之间；

第二步：将两个轴承13分别装入底座2与顶板6内；

第三步：通过键15将偏心轮3套装至轴14上，再将销12沿径向装入偏心轮3内部，且销12贯穿轴14，使得偏心轮3与轴14固连；

第四步：将扭簧5套装至轴14一端，将扭簧5一端头插入偏心轮3上的孔内；将轴14的该端部装入底座2上的轴承13内并将扭簧5的另一端插入底座2的弧形槽内并由两个螺栓11固定住；

第五步：在轴14上端套装另一扭簧5，该扭簧5一端插入偏心轮3的孔内；将带有轴承13的顶板6套装至轴14上，且扭簧5的另一端插入顶板6的孔内；将顶板6通过紧固件与立板4固接；

第六步：在轴14顶端外侧的顶板6上安装壳体7，在轴14端头安装角度传感器8；

第七步：在底座2底部通过紧固件安装底板1。

本发明的测量装置中，偏心轮3的质量与扭簧5的刚度构成了单自由度系统，如图4和图5所示。当装置承受水平向冲击载荷的作用时，偏心轮3的动力响应方程为：

式中：m为偏心轮3的质量，kg；y(t)为偏心轮3的绝对运动；l为偏心轮3的偏心距，m；k为扭簧5的刚度，n·m/rad；z(t)为装置的绝对运动；j0为偏心轮3的转动惯量；为偏心轮3的转动角度，rad。

取偏心轮3的相对位移x(t)：

x(t)＝y(t)-z(t)(2)

在小转角时，有：

当偏心轮3转角小于10°(0.175rad)时，上式(3)近似计算引起的偏差不超过0.51％。

将式(2)和式(3)代入式(1)，则有：

式中：jz为偏心轮3对轴14的转动惯量，jz＝j0+m·l²；ω为圆频率，

对式(4)进行duhamel积分，得到：

式中：

r为偏心轮3的参与因子；

d(t)即为单自由度系统的水平冲击谱位移，单位为m。

即得到测量装置的位移响应；将式(5)带入式(3)，得到转角响应为：

从式(6)看出，偏心轮3的转角响应与水平冲击谱位移d(t)成正比关系，因此，通过测量偏心轮3的转动角度来计算水平冲击谱位移。

本实施例的偏心轮式水平向冲击谱测量装置的测量方法，包括如下步骤：

第一步：将测量装置的底板1通过紧固件安装于对象件上；

第二步：将角度传感器8通过线路连至控制器；

第三步：偏心轮3受到外界冲击载荷作用，水平冲击载荷使得偏心轮3与轴14一起在轴承13作用下相对于测量装置转动，两个扭簧5受力扭转，轴14端部的角度传感器8将转动角度信息传送给控制器；

第四步：外界冲击载荷卸去，偏心轮3在两个扭簧5的作用下复位；

第五步：将转动角度的值代入公式(6)，即获得冲击谱位移，即完成水平向冲击谱的测量。

根据具体试验测量情况，可选择使用不同参数或尺寸的偏心轮3以及扭簧5。

本实施例中，使用的偏心轮3为轻质高强度铝合金材质，其偏心距为0.006mm，半长轴为偏心距的18倍，半短轴为偏心距的12倍，厚度为0.025m，即偏心轮3的尺寸为0.216×0.144×0.025m(长轴2a×短轴2b×厚h)；则偏心轮3相对轴的转动惯量为：

进而求得参与因子为：

由此，根据每次测量的偏心轮3转动角度，计算得到冲击谱位移，如下所示：

本发明测量装置结构简单紧凑，操作简便，实现了水平向冲击谱的测量，有效助力于舰载设备抗冲击性能的研究。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。