一种金属缓冲件及基于金属缓冲件的缓冲机构的制作方法

本发明涉及缓冲技术领域，特别是一种金属缓冲件及基于该金属缓冲件的缓冲机构。

背景技术：

工程中存在各种各样的冲击问题，例如车辆的碰撞、船舶靠岸、飞机撞鸟、火车刹车时两节车厢的碰撞、火箭导弹发射时燃气射流对发射装置的冲击等等；在这些冲击的瞬间，常常会产生巨大的加速度，对相关机械零件、结构以及人员带来不同程度的损伤或破坏。因此有必要采取手段来减小冲击力并且延长碰冲击力的作用时间，即工程中常常采用的缓冲的办法。缓冲即利用相关缓冲器吸收碰撞能量延缓冲击力来达到降低碰撞加速度的目的。

如今工程中常见的缓冲装置类型有很多，大多都是利用弹簧元件、橡胶材料和液压缸等柔性体弹性变形来吸收能量进行缓冲。这些吸收能量的缓冲装置，虽然结构简单，但是存在几点问题，一是大载荷下，装置的结构尺寸比较大；二是在特定需要的工程场合往往要求冲击力能够以一个稳定的值作用一定的时长，而传统的实验中，实现稳定载荷的方式主要通过准静态拉压实验实现，而准静态实验无法体现动态特性，这就需要将动态撞击实验中的不稳定冲击力转化为稳定的冲击力。因此经过缓冲难以控制碰撞力的大小和作用时长，又经常不能满足使用要求。

国内外对于使用金属材料来吸能的研究基本集中在多孔材料上面。典型的多孔材料有两种：一是由大量无序多面体形状的孔洞在空间内聚集形成的三维结构，称之为“泡沫材料”；另外一种内部孔结构和尺寸比较规则、排列有序，称之为“蜂窝材料”，例如近年来的国际研究热点，类似自然界蜂巢结构的正六边形蜂窝金属。多孔金属材料加工、制备复杂，生产成本相对较高，现阶段对于多孔金属材料吸能特性的理论研究也并不完善。而且，目前工程中利用多孔金属材料吸收能量，大多需要一定规模的多孔金属材料，应用于冲击能量比较庞大的场合。另外现阶段使用蜂窝材料吸收能量控制碰撞力的大小和作用时长基本上都是维持在一定的范围内，未见能够实现较为精细调节的深入研究与应用，只能满足某些特定的需要。综上所述，对于使用金属材料吸能多停留于理论研究，难以广泛应用于工程场合。

技术实现要素：

本发明主要设计了一种金属缓冲件及基于该金属缓冲件的缓冲机构。以解决大载荷下，常规缓冲装置的结构尺寸过大以及经过缓冲作用，冲击力的大小以及作用时长难以控制的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种金属缓冲件，所述金属缓冲件为空心圆柱结构，圆柱结构的中间的圆周侧壁上均匀设有n个连通内部空腔的通孔，n≥2；所述通孔为矩形孔；金属缓冲件的材料为铜材。

一种基于金属缓冲件的缓冲机构，包括推动机构、安装座、支撑架、第一挡块、导向球、第二挡块、金属缓冲件；

所述安装座与支撑架或推动机构固接，所述推动结构与支撑架固接，用于产生一定的冲击力；所述安装座的一端设有中空的圆柱形腔体结构，第一挡块、导向球、第二挡块、金属缓冲件均设置在圆柱形腔体结构内，且均可在圆柱形腔体结构内直线滑动；所述导向球一端与推动机构相连，导向球另一端与第一挡块相连；所述金属缓冲件位于第一挡块和第二挡块之间，所述金属缓冲件的数量至少为1个；第二挡块另一端端面伸出安装座端面与外部被冲击对象接触。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明的金属缓冲件具有尺寸小，比强度和比刚度较大、比吸能较好等性能。在相同结构尺寸的条件下，可以承受远远大于一般缓冲器所能承受的冲击载荷；

(2)本发明的金属缓冲件可以改变动态冲击载荷的特性，经过缓冲将碰撞产生的脉冲力输出为数值稳定的碰撞力并保持作用一定的时长，而且可以根据需要按照比例调整金属缓冲件的尺寸或者改变使用方式采用多级并联、串联，来精确控制输出力的力值以及作用时长；

(3)本发明的金属缓冲件对缓冲能量的量级没有限制，按照比例调节金属缓冲件的尺寸或者改变使用方式采用多级并联、串联，可以广泛用于承受各种载荷；

(4)本发明的金属缓冲件结构简单，加工性能良好，加工工艺成熟，生产成本低廉；

(5)本发明的基于该金属缓冲件的缓冲机构，可以较好的传递碰撞产生的冲击力，使前述金属缓冲件被有效压缩，在第二挡块后获得满足需要的稳定的碰撞力并且保持一定的作用时长。选用自由释放落锤的方式来获得冲击力利用了重力势能简单易行，简化机构的复杂程度，并且限制缸体内落锤的行程可以很好满足对冲击能量的控制。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是金属缓冲件的三维模型示意图；

图2是金属缓冲件的前视图；

图3是金属缓冲件的俯视图；

图4是利用该金属缓冲件设计的一种推动机构示意图；

图5是利用该金属缓冲件设计的一种落锤缓冲机构；

图6是缓冲机构安装座的背面示意图；

图7是缓冲机构安装座部分相关部件位置示意图；

图8是缓冲部件的局部示意图；

图9是利用有限元分析软件分析当20kg落锤以1m/s的速度碰撞时，金属缓冲件压缩最大时的应力云图；

图10是利用有限元分析软件分析当20kg落锤以0.8m/s的速度碰撞时，金属缓冲件压缩最大时的应力云图；

图11是利用有限元分析软件分析当20kg落锤以0.6m/s的速度碰撞时，金属缓冲件压缩最大时的应力云图；

图12是数值分析得到落锤以三种速度落下时，计算模型上端挡块的位移-时间曲线；

图13是数值分析得到落锤以三种速度落下时，计算模型下端挡块受到的碰撞力-时间曲线；

图14是将金属缓冲件尺寸按比例放大一倍时，落锤以两种速度落下时，计算模型下端挡块受到的碰撞力-时间曲线；

图15是数值分析得到串联使用该金属缓冲件时，计算模型上端挡块的位移-时间曲线；

图16是数值分析得到串联使用该金属缓冲件时，计算模型下端挡块受到的碰撞力-时间曲线；

图17是数值分析得到并联使用该金属缓冲件时，计算模型上端挡块的位移-时间曲线；

图18是数值分析得到并联使用该金属缓冲件时，计算模型下端挡块受到的碰撞力-时间曲线；

具体实施方式

为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1～3，本发明的一种金属缓冲件，所述金属缓冲件为空心圆柱结构，圆柱结构的圆周中间的侧壁上均匀设有n个连通内部空腔的通孔，n≥2；所述通孔为矩形孔；金属缓冲件的材料为铜材；

优选的，所述通孔的个数n为4个，根据优化软件的仿真计算结果当金属缓冲件侧壁开孔数量为4个时，金属缓冲件可以获得比较合适的刚度特性，实现良好的缓冲效果；

进一步的，所述铜材的弹性模量为100～138gpa，泊松比为0.31～0.33；对于常用的金属材料，铜兼顾成本低廉、质地较软、加工性能良好，而且根据数值仿真结果使用铜材料可以获得更加稳定的缓冲碰撞力以及作用时长；

优选的，上述矩形孔为长方形孔，长方形孔的长度方向与圆柱结构的轴向一致，保证该金属缓冲件被压缩时，沿圆柱轴线方向发生塑性形变；

进一步的，所述圆柱结构的长度、外径、内径的尺寸比例为10:5:4，根据有限元软件数值优化结果，当金属缓冲件保持该比例时，才能较好的改变冲击力特性获得稳定的缓冲碰撞力以及作用时长；

进一步的，所述圆柱结构的长度、长方形孔的长度、长方形孔的宽度的尺寸比例为10:5:2，根据有限元软件数值优化结果，当金属缓冲件保持该比例时，才能较好的改变冲击力特性获得稳定的缓冲碰撞力以及作用时长；

进一步的，上述圆柱结构的长度为20mm，外径为10mm，内径外8mm，并且长方形孔的尺寸为10mm×4mm。

结合图4-8，基于上述金属缓冲件，本发明提出了一种缓冲装置，包括推动机构、安装座2、支撑架3、第一挡块6、导向球7、第二挡块8、金属缓冲件9；

所述安装座2与支撑架3或推动机构固接，所述推动结构与支撑架固接，用于产生一定的冲击力；所述安装座2的一端设有中空的圆柱形腔体结构，第一挡块6、导向球7、第二挡块8、金属缓冲件9均设置在圆柱形腔体结构内，且均可在圆柱形腔体结构内直线滑动；所述导向球7一端与推动机构相连，导向球7另一端与第一挡块6相连；所述金属缓冲件9位于第一挡块6和第二挡块8之间，所述金属缓冲件9的数量至少为1个；第二挡块8另一端端面伸出安装座2端面与外部被冲击对象接触；采用此种方式的机构可以较好的传递冲击力，使前述金属缓冲件9被有效压缩，在第二挡块后获得比较稳定的碰撞力并且保持一定的时长。

当金属缓冲件9的数量大于1个时，金属缓冲件9之间可以是串联，也可以是并联安装。

在一些实施方式中，所述推动机构包括推杆10、导轨11；所述导轨11与支撑架3固连；所述推杆10与导轨11配合，推杆10可在导轨11上直线运动；安装座2的圆柱形腔体结构的轴向与推杆10的轴向平行；推杆10在外部作用力下撞击导向球7，提供冲击力。

在另一些实施方式中，所述推动机构包括缸体1、拉绳4、落锤5；所述缸体1与支撑架3固连，落锤5设置在缸体1内，可在缸体1内直线运动，所述拉绳4固连在落锤5的上端，用于拉动落锤5沿缸体内壁直线运动；选用自由释放落锤5的方式来获得冲击力利用了重力势能简单易行，简化机构的复杂程度，并且限制缸体1内落锤5的行程可以很好满足对冲击能量的控制。

在一些实施方式中，上述缸体1轴向与地面垂直，安装座2的圆柱形腔体结构的轴向与缸体1的轴向平行；拉动拉绳4，落锤5在缸体1内自由落体运动，落锤5下端撞击导向球7，提供冲击力。

在另外一些实施方式中，上述缸体1与地面呈锐角，安装座2的圆柱形腔体结构的轴向与缸体1的轴向呈锐角；落锤5底端设有斜面，斜面垂直于安装座2的圆柱形腔体结构的轴向；拉动拉绳4，落锤5在缸体1内自由落体运动，落锤5下端斜面撞击导向球7，提供冲击力。

建立简化的计算模型，针对落锤5形式的推进机构的缓冲装置，利用有限元分析软件abaqus对该金属缓冲件9进行碰撞过程的数值分析。

计算模型：包括落锤5、第一挡块6、金属缓冲件9、第二挡块8四部分组成；

运动边界：金属缓冲件9放置于第一挡块6和第二挡块8中间位置，第一挡块6、金属缓冲件9、第二挡块8之间设置为接触关系；

固定边界：约束第二挡块8的6个自由度；

载荷边界：根据缓冲机构落锤5的质量和行程，为了保证相似的冲击能量，计算时赋予落锤5一定的质量和初速对第一挡块6进行撞击；

据上所述，用一个质量20kg的落锤5分别以0.6m/s、0.8m/s、1m/s的初速对第一挡块6进行撞击，测量第一挡块6的位移以及第二挡块8受到的碰撞力。

参见图9～13，当落锤5下落撞击第一挡块6时，金属缓冲件9中间开孔部分由于挤压作用迅速发生塑性变形被压缩，同时将碰撞力向下传递。第二挡块8受到一个碰撞力瞬间爬升至1100n左右，耗时约2ms，然后该碰撞力迅速回落至1000n附近，并且稳定作用一定的时长，持续时间大于10ms。而且当冲击的能量增大时，金属缓冲件9的压缩量增大，获得的稳定碰撞力作用时长也相应增加，但是该碰撞力数值基本保持不变，依然维持在1000n附近，可以很好的满足某些工程场合需求。

本次计算采用的金属缓冲件9长20mm，内径8mm，外径10mm，并且在柱体中间部位沿圆周方向均布4个10mm长、4mm宽的长方形孔。按照该比例将金属缓冲件9尺寸放大一倍，落锤5质量不变速度提高至2.5m/s、3m/s，分别进行撞击计算得到的结果参见图14。由图14可知，金属缓冲件9按照比例放大一倍后，经过缓冲依然可以得到良好的稳定碰撞力，稳定碰撞力保持在3800n附近。而且提高落锤5下落速度获得的稳定碰撞力作用时长增加，其数值基本不发生变化，依然满足上述规律；按照此尺寸比例放大或缩小该金属缓冲件9进行碰撞计算可以得到相似的结果。

当使用串联或者并联的方式连接元件时，可以改善系统性能。将该金属缓冲件9作为基本元件，在实际运用中使用串联或者并联的方式进行连接，可以获得不同性能的稳定冲击载荷。

将两个金属缓冲件9串联，用一个质量50kg落锤5以1m/s的初速对第一挡块6进行撞击得到计算结果参见图15、图16。由图可知，碰撞力同样瞬间爬升然后回落进入平稳段，维持约8ms；紧接着重复上一过程，出现一个约24ms的平稳段。两次平稳段碰撞力幅值维持在1000n附近，总时长约32ms，相比单独的金属缓冲件9缓冲时间大约增加一倍。可以认为串联使用该金属缓冲件9时，在保持稳定冲击载荷不变的前提下，延长了稳定冲击载荷的作用时长，缓冲效果依然良好。

将两个金属缓冲件9并联，用一个质量50kg落锤5以1m/s的初速对第一挡块6进行撞击得到计算结果参见图17、图18。由图可知，碰撞力同样瞬间爬升然后回落，保持在2000n附近，持续时长约16ms。相比单独的金属缓冲9件经过缓冲的碰撞力大约增加一倍，稳定时长基本不变。可以认为并联使用该金属缓冲件9时，在保持稳定冲击载荷作用时长不变的前提下，增大了获得稳定冲击载荷的数值，缓冲效果依然良好。