墜撞安全試驗機的製作方法

2023-12-10 15:02:37 1

專利名稱：墜撞安全試驗機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種試驗機，特別涉及飛機、車輛、船舶等運載工具墜撞或碰撞的安全 試驗機，屬於試驗設備技術領域。
背景技術：
飛機、車輛、船舶時有遭遇墜撞、碰撞等不幸事件。為保障乘員在一定的事故強度 以下能夠逃生，對乘員座椅及其周圍設備的結構強度有一定的要求，以免一些設備或零部 件因墜撞或碰撞從安裝支架上脫落或游離擊傷乘員，或變形位移過大影響救生系統工作。 墜撞安全試驗就是用於驗證這些設備或零部件在發生墜撞或碰撞狀態下是否會從安裝支 架上脫落或游離危及乘員、燃油系統或緊急疏散裝置安全的試驗。目前從事墜撞安全試驗 的設備不盡人意，尤其是模擬飛機墜撞環境沒有專用試驗設備。飛機墜撞環境的加速度曲 線見圖 1所示，縱座標a表示加速度，橫座標t表示時間，從圖1中可以看出、時段(大約 10 20ms)表示飛機墜撞初期的加速度波頭，t2時段(大約3 5s)表示飛機墜撞中期和 後期的加速度波身和波尾。由於沒有專門的試驗設備，代號為D0-160(E版)《飛機適航性》 國際標準中只好將圖1中的加速度曲線分成兩段用兩種試驗設備來模擬，即用衝擊試驗設 備來模擬飛機墜撞波頭加速度曲線快速變化的環境；用加速度試驗設備來模擬飛機墜撞波 身和波尾加速度曲線變化較慢的環境，且這部分大多數是用旋轉的離心加速度試驗臺來模 擬。由此可見，目前的墜撞安全試驗存在以下兩方面缺陷第一，採用分兩段試驗的方式存 在模擬性差、試驗效率低以及操作麻煩等缺點；第二，採用離心加速度試驗臺來模擬飛機墜 撞波身和波尾加速度曲線存在不可克服的方法誤差。因為離心加速度試驗臺利用a = Ro2 公式作為模型，其中，a表示加速度，R表示某點的旋轉半徑，ω表示對應該點的旋轉角速 度。眾所周知，任何機(車)載設備都有一定的幾何尺寸，因此公式中R是個變量。而採用 離心加速度試驗臺進行試驗，只有一個以R為半徑的簿筒能滿足試驗量值的要求，其餘點 位部分不是過試驗就是欠試驗，均不能滿足試驗條件。為此，如何設計一種能夠克服上述缺 陷的墜撞安全試驗設備是本發明解決的問題。

發明內容
本發明提供一種墜撞安全試驗機，目的是要設計一種適應飛機、車輛、船舶等運載 工具上的機(車)載設備從事墜撞或碰撞安全試驗的專用試驗設備，以克服目前沒有專用 試驗設備而採用分段試驗所帶來的缺陷。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是一種墜撞安全試驗機，由工作檯、計 算機控制系統和加載器三部分組成。所述工作檯主要由基座和設在基座上的試驗樣品安裝底座構成，其中，試驗樣品 安裝座為一個安裝試驗樣品的座體，座體上設有與試驗樣品實際使用時相同的安裝支承結 構和固定連接構件。所述計算機控制系統包括帶控制軟體的計算機以及可編程控制器(PLC)，計算機用於控制墜撞安全試驗的起停、運行以及安全保護，計算機與可編程控制器連接，可編程控 制器輸出模擬墜撞時試驗樣品承受變化的慣性力控制信號。所述加載器主要由油泵、電液伺服閥、油缸和加載連接器組成，油泵的出油口經油 管與電液伺服閥的進油口連接，電液伺服閥的控制端接收可編程控制器輸出模擬變化的慣 性力控制信號，電液伺服閥的出油口經油管與油缸的進油口連接，油缸的缸體相對基座固 定，油缸的活塞杆作用於加載連接器，加載連接器是一種向試驗樣品加載的部件，該部件的 一端設有用於連接活塞杆的連接部，另一端設有用來向試驗樣品加載的作用部，加載連接 器用來將活塞杆產生的拉力施加到試驗樣品上，以驗證試驗樣品的固定和支承件在模擬墜 撞狀態下的安全要求。上述技術方案中的有關內容解釋如下1、上述方案中，所述「與試驗樣品實際使用時相同的安裝支承結構和固定 連接構 件」是指試驗樣品在飛機、車輛、船舶等運載工具中真實的安裝件。2、上述方案中，所述電液伺服閥(4)的頻率相應在80Hz以上。3、上述方案中，為了檢驗實際加載力與理論加載力的一致性，在計算機控制系統 中設有力傳感器，該力傳感器串接在油缸的活塞杆與加載連接器之間的力傳遞方向上，力 傳感器的輸出信號經A/D轉換電路後輸入計算機。在加載過程利用返饋原理通過力傳感器 來檢測實際加載力與理論加載力的一致性，其誤差控制在允許的範圍即可。4、上述方案中，為了適應試驗樣品不同的外形和特點，加載連接器可以選擇電磁 式結構、纜繩式結構、真空吸附式結構、槓桿式結構、框式結構或鉗式結構。5、上述方案中，所述加載器中設有油箱，油箱的出油口經油管與油泵的進油口連 接，油泵的出油口經油管和洩壓閥與油箱的第一回油口連接，油缸的出油口經油管與油箱 的第二回油口連接。總之，本發明從失效機理出發，模擬飛機、車輛、船舶等運載工具墜撞或碰撞過程 中，機(車)載設備及連接件的受力狀況，從而驗證在發生墜撞或碰撞時機(車)載設備及 連接件機械強度和剛度是否符合要求。本發明模擬機(車)載設備及連接件的受力狀況有 以下兩種加載模型1、機(車)載設備及連接件在發生墜撞或碰撞時承受慣性力，該慣性力為拉力，方 向與物體運動方向相同。根據F = ma公式，由圖1飛機墜撞加速度曲線，可以得到圖2墜撞時機載設備承 受的慣性力曲線。圖2中，縱座標F表示慣性力，橫座標t表示時間，、時段(大約10 20ms)表示飛機墜撞初期的慣性力波頭，t2時段(大約3 5s)表示飛機墜撞中期和後期 的慣性力波身和波尾。F1 = HianF1表示、時段的慣性力峰值，m表示機(車)載設備的質 量，表示、時段的加速度峰值。&=111&2，&表示、時段的慣性力，111表示機(車)載設 備的質量，a2表示t2時段的加速度。圖1飛機墜撞加速度曲線可以是飛機、車輛、船舶(艦艇)等運載工具墜撞或碰撞 時「黑匣子」記錄的曲線，也可以是有關標準(規範)規定的曲線。圖2墜撞時機載設備承 受的慣性力曲線需要特別說明的是標準(規範)和黑匣子記錄的加速度方向，墜撞時機體 (車船體)承受的力是減速力，此力產生的加速度是阻止運動的，因此機體(車船體)承受 的加速度方向與機體運動方向相反(向後)，而被試驗樣品由於承受慣性力的作用，該慣性力的方向與機體運動方向相同(向前)。在圖2中，波頭衝擊慣性力峰值為& = mai，式中m = m1+m2m為等效質量
！！^為試驗樣品質量m2為加載連接器附加質量從圖2中可以看出，波身、波尾已變為靜載，故可以不考慮加載連接器的附加質量。2、機(車)載設備及連接件在發生墜撞或碰撞時承受慣性力矩(若採用底部或某 端面安裝機(車)載設備在發生墜撞或碰撞時連接件所承受的為慣性力矩)。根據力矩的計算公式M = Fh，式中M表示力矩，F表示慣性力，h表示設備質心到 安裝面的距離。由圖2墜撞時機載設備承受的慣性力曲線，可以得到圖3墜撞時機載設備 連接件承受的力矩曲線。圖3中，縱座標M表示慣性力矩，橫座標t表示時間，、時段(大 約10 20ms)表示飛機墜撞初期的慣性力矩波頭，t2時段(大約3 5s)表示飛機墜撞中 期和後期的慣性力矩波身和波尾。Mi = hh，Mi表示、時段的慣性力矩峰值，表示、時 段的慣性力峰值，h表示設備質心到安裝面的距離。M2 = F2h，M2表示t2時段的慣性力矩， F2表示t2時段的慣性力，h表示設備質心到安裝面的距離。圖3所示為力矩加載方式。機(車船)載設備中有著大量櫃式設備，他們大多數 採用底部固定。墜撞安全主要是考核其底部固定的連接件的剛度與強度，在墜撞時他們承 受的是力矩，故以力矩的形式出現。由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點和效果1、本發明解決了國內國際標準有試驗要求，而沒有專用試驗設備的問題。如國軍 標GJB150和國際《飛機適航性》標準D0-160中缺失的問題，為這些標準修訂提供了物質基 石出。2、本發明墜撞安全試驗機能很好地模擬再現墜撞時樣品實際承受瞬變力和穩態 加速度時的波形和情況，為提高試驗的模擬和再現性提供保證。3、本發明墜撞安全試驗機可以一次完成墜撞瞬間快速變化的衝擊，又能模擬墜撞 發生的中期、尾期慢變的穩態加速度的情況，提高了試驗的效率和效益。4、本發明墜撞安全試驗機可以通過不同形式的加載連接器的設計，來適應對不同 結構試驗樣品的加載，因此通用性很強。5、本發明墜撞安全試驗機結構簡單，易於操作，易於推廣與普及。


附圖1為飛機墜撞加速度曲線圖；附圖2為墜撞時機載設備承受的慣性力曲線圖；附圖3為墜撞時機載設備連接件承受的力矩曲線圖；附圖4為本發明墜撞安全試驗機原理框圖；附圖5為本發明墜撞安全試驗機實施例結構示意圖。以上附圖中，1、基座；2、試驗樣品安裝座；3、油泵；4、電液伺服閥；5、油缸；6、活塞
5桿；7、加載連接器；8、可編程控制器(PLC) ；9、計算機；10、油箱；11、洩壓閥(安全閥)；12、力傳感器；13、控制箱；14、第一回油口 ；15、第二回油口。
具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述實施例一種墜撞安全試驗機圖4是本發明墜撞安全試驗機原理框圖，圖5是發明墜撞安全試驗機實施例結構 示意圖。該墜撞安全試驗機是用於測試驗證機(車)載設備及連接件在發生墜撞或碰撞時 承受慣性力矩的試驗設備。從圖5中可以看出，這種墜撞安全試驗機由工作檯、計算機控制系統和加載器三 部分組成。其中，這三部分的結構以及連接關係分述如下1、工作檯工作檯主要由基座1和設在基座1上的試驗樣品安裝座2構成，其中，試驗樣品安 裝座2為一個安裝試驗樣品的座體，座體上設有與試驗樣品實際使用時相同的安裝支承和 固定連接構件，使試驗樣品在試驗時以飛機、車輛、船舶等運載工具中真實的安裝方式和安 裝部件(包括螺釘、螺母)安裝在試驗樣品安裝座2上，其加載點、面有關試驗規範應予以 規定或在試驗程序中予以規定。2、計算機控制系統計算機控制系統包括帶控制軟體的計算機9、可編程控制器(PLC)S以及力傳感器 12，計算機9用於控制墜撞安全試驗的起停、運行以及安全保護，計算機9與可編程控制器8 連接，可編程控制器8輸出模擬墜撞時試驗樣品承受變化的慣性力控制信號。力傳感器12 串接在油缸5的活塞杆6與加載連接器7之間的力傳遞方向上，力傳感器12的輸出信號經 A/D轉換電路後輸入計算機9。力傳感器12按試驗拉力的參數及變化速度選配貨架產品。計算機控制系統的功能是接輸入端來的數字(模擬)信號(曲線)，並按一定的程 序起動液壓系統按輸入曲線給試件加載，在加載過程利用反饋原理使力傳感器12測到的 信號與要求加載的曲線一致，其誤差控制在允許的範圍，同時具備各種安全保護功能。3、加載器加載器由油泵3、電液伺服閥4、油缸5 (也可稱為「作動筒」)、加載連接器7和油 箱10組成。油泵3用來產生高壓的液壓動力。油泵3和油箱10構成液壓源，可根據墜撞 安全試驗機的要求選配，其運行和保護軟體、硬體均由計算機控制系統解決。電液伺服閥4 根據可編程控制器8輸出變化的慣性力控制信號控制油缸5產生符合試驗要求的力和位 移。電液伺服閥4應有足夠的靈敏度，使其能產生墜撞過程中的墜撞波形迅速變化的波頭， 其頻率相應應在80Hz以上。油缸5是產生力和位移的部件，應有足夠的位移和力。油缸5 產生的力由以下公式來計算F= ASAP式中AS= Ji R2- Ji R12 = JI (R2-R12)；R1-活塞杆半徑；R-油缸內徑的一半；Δ P-油缸內活塞兩邊的壓力差。
這些參數可根據用戶要求和相關標準設計和製造。加載器中各部件的連接關係是油泵3的出油口經油管與電液伺服閥4的進油口 連接，電液伺服閥4的控制端接收可編程控制器8輸出模擬變化的慣性力控制信號，電液伺 服閥4的出油口經油管與油缸5的進油口連接，油缸5的缸體相對基座1上試驗樣品的質 量中心固定，油缸5的活塞杆6作用於加載連接器7，加載連接器7是一種向試驗樣品加載 的部件，該部件的一端設有用於連接活塞杆6的連接部，另一端設有用來向試驗樣品加載 的作用部，加載連接器7用來將活塞杆6產生的拉力施加到試驗樣品上，以驗證試驗樣品的 固定和支承構件在模擬墜撞狀態下的安全要求的情況。油箱10的出油口經油管與油泵3的進油口連接，油泵3的出油口經油管和洩壓閥 11與油箱10的第一回油口 14連接，油缸5的出油口經油管與油箱10的第二回油口 15連接。本實施例中加載連接器7採用框式結構，該框式加載連接器7如圖5所示為一個 加力框。加力框中放在試驗樣品重心高度處(圖中未畫出)，當活塞杆6運動時拉力施加到 試驗樣品上。由於本實施例是測試驗證機(車)載設備及連接件在發生墜撞或碰撞時承受 慣性力矩的試驗設備，因此從圖5中可以看出油缸5的活塞杆6產生的拉力作用在試驗樣 品質心上，試驗樣品質心到試驗樣品安裝座2的安裝面有一定距離，最終對試驗樣品底面 的固定和支承結構產生力矩。這就是本專利說明發明內容部分中描述的兩種加載模型中的 第二種加載模型。對於第一種加載模型，只要將圖5中的試驗樣品安裝座2翻轉90度，換 一種加載連接器，使試驗樣品的固定和支承結構直接承受活塞杆6的拉力即可。由於在此 啟示下，本領域技術人員根據本發明原理和要求很容易想像出第一種加載模型的結構構造 及其組合，因此對第一種加載模型的實施例不再以另一實施例方式詳細描述。另外，為了適應試驗樣品不同的外形和特點，加載連接器除了本實施例圖5給出 的加力框而外，還可以設計成電磁式結構、纜繩式結構、真空吸附式結構、槓桿式結構和鉗 式結構，用來適應試驗樣品不同的外形和特點。比如，電磁式加載連接器一端的連接部用來 連接活塞杆6，另一端的作用部設計有磁鐵，利用磁吸力吸住試驗樣品，並向試驗樣品加載; 纜繩式加載連接器由繩索構成，繩索的一端連接在活塞杆6上，另一端系在試驗樣品上，以 此傳遞拉力；真空吸附式加載連接器一端的連接部用來連接活塞杆6，另一端的作用部設 計有吸盤，用吸盤吸住試驗樣品；槓桿式加載連接器由槓桿機構組成，槓桿的一端連接活塞 杆6，另一端作用於試驗樣品；鉗式加載連接器由鉗體構成，鉗體的根部連接活塞杆6，鉗體 的端部設有鉗爪抓住試驗樣品。上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人 士能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明 精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種墜撞安全試驗機，其特徵在於由工作檯、計算機控制系統和加載器三部分組成；所述工作檯主要由基座(1)和設在基座(1)上的試驗樣品安裝底座(2)構成，其中，試驗樣品安裝座(2)為一個安裝試驗樣品的座體，座體上設有與試驗樣品實際使用時相同的安裝支承結構和固定連接構件；所述計算機控制系統包括帶控制軟體的計算機(9)以及可編程控制器(8)，計算機(9)用於控制墜撞安全試驗的起停、運行以及安全保護，計算機(9)與可編程控制器(8)連接，可編程控制器(8)輸出模擬墜撞時試驗樣品承受變化的慣性力控制信號；所述加載器主要由油泵(3)、電液伺服閥(4)、油缸(5)和加載連接器(7)組成，油泵(3)的出油口經油管與電液伺服閥(4)的進油口連接，電液伺服閥(4)的控制端接收可編程控制器(8)輸出模擬變化的慣性力控制信號，電液伺服閥(4)的出油口經油管與油缸(5)的進油口連接，油缸(5)的缸體相對基座(1)固定，油缸(5)的活塞杆(6)作用於加載連接器(7)，加載連接器(7)是一種向試驗樣品加載的部件，該部件的一端設有用於連接活塞杆(6)的連接部，另一端設有用來向試驗樣品加載的作用部，加載連接器(7)用來將活塞杆(6)產生的拉力施加到試驗樣品上，以驗證試驗樣品的固定和支承件在模擬墜撞狀態下的安全要求。
2.根據權利要求1所述的墜撞安全試驗機，其特徵在於所述電液伺服閥(4)的頻率 相應在80Hz以上。
3.根據權利要求1所述的墜撞安全試驗機，其特徵在於所述計算機控制系統中設有 力傳感器(12)，該力傳感器(12)串接在油缸(5)的活塞杆(6)與加載連接器(7)之間的力 傳遞方向上，力傳感器(12)的輸出信號經A/D轉換電路後輸入計算機(9)。
4.根據權利要求1所述的墜撞安全試驗機，其特徵在於所述加載連接器(7)採用電 磁式結構、纜繩式結構、真空吸附式結構、槓桿式結構、框式結構或鉗式結構，其中，電磁式 結構一端的連接部連接活塞杆6，另一端的作用部設計有用來吸住試驗樣品的磁鐵；纜繩 式結構由繩索構成，繩索的一端連接活塞杆6，另一端用來系住試驗樣品；真空吸附式結構 一端的連接部連接活塞杆6，另一端的作用部設計有用來吸住試驗樣品的吸盤；槓桿式結 構由槓桿機構組成，槓桿的一端連接活塞杆6，另一端作用於試驗樣品；框式結構一端的連 接部連接活塞杆6，另一端的作用設計有用來套住試驗樣品的加力框；鉗式結構一端的連 接部連接活塞杆6，另一端設有用來抓住試驗樣品的鉗爪。
5.根據權利要求1所述的墜撞安全試驗機，其特徵在於所述加載器中設有油箱(10)， 油箱(10)的出油口經油管與油泵(3)的進油口連接，油泵(3)的出油口經油管和洩壓閥 (11)與油箱(10)的第一回油口(14)連接，油缸(5)的出油口經油管與油箱(10)的第二回 油口 (15)連接。
全文摘要
一種墜撞安全試驗機，其特徵在於由工作檯、計算機控制系統和加載器三部分組成，工作檯由基座和設在基座上的試驗樣品安裝座構成；計算機控制系統包括帶控制軟體的計算機以及可編程控制器；加載器主要由油泵、電液伺服閥、油缸和加載連接器組成，油泵給電液伺服閥供油，電液伺服閥接收可編程控制器輸出的控制信號，通過油缸模擬墜撞受力環境，並通過加載連接器施加到試驗樣品上，以驗證機載設備在墜撞狀態下其固定和支承的機構強度和剛度是否滿足墜撞安全要求。本發明從失效機理出發，設計了一種適用於飛機、車輛、船舶等運載工具上的機(車)載設備從事墜撞或碰撞安全試驗的專用試驗設備，克服了目前沒有專用試驗設備而採用分段試驗所帶來的不足。
文檔編號G01L5/00GK101832850SQ20101013779
公開日2010年9月15日 申請日期2010年3月22日 優先權日2010年3月22日
發明者吳颯, 王德言 申請人:蘇州蘇試試驗儀器有限公司;王德言;吳颯