江 磊，吳乙萬(wàn)，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(duì)其抗沖擊特性有顯著影響，精確獲取沖擊全過(guò)程中試樣的力、位移等數(shù)據(jù)對(duì)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(duì)于其他沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)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(guò)錘體的自由落體運(yùn)動(dòng)將重力勢(shì)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(duì)被測(cè)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(duì)沖擊過(guò)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(guò)程中的沖擊載荷時(shí)間歷程：通過(guò)沖擊過(guò)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(guò)由安裝在錘頭的動(dòng)態(tài)力傳感器直接測(cè)量沖擊載荷?，F(xiàn)有落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)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(guò)圖像處理獲得沖擊過(guò)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(cè)量沖擊點(diǎn)背部的位移和速度[8]；通過(guò)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(guò)程中沖擊載荷和位移的時(shí)間歷程實(shí)時(shí)測(cè)量，但仍存在以下不足之處：通過(guò)加速度傳感器計(jì)算沖擊載荷為間接測(cè)量對(duì)傳感器的精度要求高；通過(guò)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(guò)高速相機(jī)和高速激光位移傳感器測(cè)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(duì)材料的抗沖擊性能研究已經(jīng)不僅僅滿足在測(cè)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(tái)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(wú)法精確獲取被測(cè)材料在沖擊過(guò)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(guò)程中沖擊載荷與位移的精確測(cè)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(guò)PCIe-6353多功能數(shù)據(jù)采集卡輸出控制信號(hào)，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(guò)程中三種傳感器實(shí)時(shí)采集錘體動(dòng)態(tài)信號(hào)，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(guò)TCP/IP回傳至宿主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(tái)和信號(hào)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、電磁鐵啟停控制硬件部分傳感器執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)拉壓力傳感器測(cè)量加力機(jī)構(gòu)額外施加的載荷動(dòng)態(tài)力傳感器測(cè)量反作用于錘頭的沖擊載荷磁柵尺測(cè)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(tái)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(hào)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(hào)、輸出控制信號(hào)

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

2.1 實(shí)時(shí)平臺(tái)

落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)平臺(tái)由兩臺(tái)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(yǔ)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(tái)，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(hào)采集與驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)采集與驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guò)程中不會(huì)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(tái)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(zhǎng)4 m、直徑100 mm的鍍鉻光軸作為支撐柱，選用為兩根長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(rùn)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(rùn)滑石墨黃銅套能大大降低錘體和導(dǎo)向桿之間在落錘過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力，避免因過(guò)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(duì)導(dǎo)向柱表面的磨損，延長(zhǎng)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(guò)程中錘頭位移的精確測(cè)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?jī)H靠錘頭自由落體所產(chǎn)生，其受錘頭重量和導(dǎo)向柱長(zhǎng)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(chǔ)存的彈性勢(shì)能將轉(zhuǎn)變?yōu)殄N頭的動(dòng)能。由于彈簧壓縮儲(chǔ)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(cè)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(cè)量沖擊過(guò)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(cè)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(hào)，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(guò)程中讀磁頭將與磁條有相對(duì)位移，并輸出脈沖信號(hào)。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(duì)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(lè)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(tái)上，其絞盤里鋼絲繩的另一端通過(guò)定滑輪組與電磁鐵起吊耳相連，通過(guò)控制絞盤通斷電實(shí)現(xiàn)錘頭的提升與停止。選用沈陽(yáng)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(hào)處理系統(tǒng)

落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)的信號(hào)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(hào)和生成多種控制信號(hào)。由于沖擊過(guò)程歷時(shí)較短通常為毫秒級(jí)，因此要求板卡的采樣速率足夠高。選用美國(guó)國(guó)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(duì)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(hào)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(wú)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(lái)測(cè)量錘體在沖擊過(guò)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(wú)法識(shí)別電荷信號(hào)，故動(dòng)態(tài)力傳感器采集的電荷信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸至實(shí)時(shí)平臺(tái)保存，方便后期進(jìn)一步對(duì)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(guó)國(guó)家儀器公司(NI)公司開發(fā)的一種編程語(yǔ)言，其使用圖形化的語(yǔ)言，界面操作簡(jiǎn)單直觀，交互界面友好[11]，在工業(yè)控制和測(cè)試測(cè)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(yǔ)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(tái)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(tái)測(cè)控系統(tǒng)界面

測(cè)控系統(tǒng)工作流程示意圖如圖6所示，系統(tǒng)測(cè)控軟件主要參考JJG541-2005《落體式?jīng)_擊試驗(yàn)臺(tái)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(duì)系統(tǒng)測(cè)控軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，測(cè)控系統(tǒng)工作流程示意圖如圖6所示。

圖6 測(cè)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(tái)

為測(cè)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(cè)試樣件進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn)，測(cè)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(cè)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(guò)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(duì)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(duì)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(guò)程的力-位移曲線對(duì)比如圖10所示。由兩種試驗(yàn)力-位移曲線對(duì)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(guò)程中力與位移曲線變化趨勢(shì)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(duì)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(duì)比表

圖10 沖擊試驗(yàn)與有限元仿真力-位移曲線對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)已有的落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和主要功能研究分析，并針對(duì)上述不足之處，通過(guò)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(jiǎn)單和可精確采集被測(cè)試件在受沖擊過(guò)程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)的落錘沖擊試驗(yàn)臺(tái)，最大初始沖擊速度能達(dá)到9 m/s，且通過(guò)調(diào)整錘體對(duì)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(duì)被測(cè)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(cè)試件，通過(guò)實(shí)際沖擊試驗(yàn)與有限元仿真沖擊試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，在實(shí)際沖擊試驗(yàn)過(guò)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(cè)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。