專利名稱：一種高速加速裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在高速?zèng)_擊試驗(yàn)中將物體加速到高速狀態(tài)的加速裝置，屬于航空工程及其相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在很多應(yīng)用領(lǐng)域，都需要研究物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)及沖擊特性。例如在航空工業(yè)中，研究高速?zèng)_擊具有十分重要的意義。飛機(jī)與飛鳥在空中相撞造成飛機(jī)損傷或機(jī)毀人亡的事件，在國(guó)內(nèi)外屢見(jiàn)不鮮。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，鳥撞擊速度一般在150m/s左右，持續(xù)時(shí)間僅幾毫秒，所以研究高速?zèng)_擊對(duì)飛機(jī)風(fēng)擋性能研究，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片強(qiáng)度分析設(shè)計(jì)具有重要意義。近年來(lái)，飛行記錄器(FDR，俗成“黑匣子”)的作用日益明顯，不僅在掌握發(fā)生故障的瞬間及事前一段時(shí)間飛機(jī)的飛行情況上，設(shè)備和成員等工作情況都必須有FDR，而且隨著電傳操縱和綜合飛行顯示系統(tǒng)等新技術(shù)在飛機(jī)上的應(yīng)用，F(xiàn)DR在事故分析和在實(shí)際應(yīng)用中作為考核飛行訓(xùn)練質(zhì)量提供參考數(shù)據(jù)，為建立飛行檔案，實(shí)現(xiàn)單機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，確定單機(jī)壽命方面的作用更加突出，因此在國(guó)外FDR已被列為必裝的機(jī)載設(shè)備。在我國(guó)FDR也正逐漸被使用單位和飛機(jī)設(shè)計(jì)單位所重視。而FDR在設(shè)計(jì)過(guò)程中，撞擊試驗(yàn)是FDR適毀性試驗(yàn)中最關(guān)鍵和最困難的一項(xiàng)試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)行歐洲民航電工學(xué)會(huì)的飛行數(shù)據(jù)記錄器的最低工作性能規(guī)范(MOPR)的要求，沖擊加速度要達(dá)到3400g，作用時(shí)間6.5毫秒，因此完成這項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)裝置要求相當(dāng)高。為達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)DR必須以138.6m/s的速度運(yùn)動(dòng)，可見(jiàn)如何采用簡(jiǎn)單有效、可靠的加速設(shè)備，將物體加速到高速狀態(tài)，進(jìn)而研究其性能，在航空工程及相關(guān)領(lǐng)域具有十分重要的作用。
為了在高速?zèng)_擊試驗(yàn)中將物體加速到很高的速度，目前，常用的加速裝置一般采用軍用火箭車或空氣炮。
軍用火箭車是一種利用火箭助推，使車輛、飛機(jī)等試驗(yàn)物在軌道上達(dá)到高速運(yùn)動(dòng)的目的，如需要模擬彈射座椅在飛機(jī)高速情況下的彈射性能，就必須對(duì)飛機(jī)加速到很高的飛行速度，這種方法需要大量的燃料消耗以及準(zhǔn)備費(fèi)用，應(yīng)用領(lǐng)域受到很大限制?？諝馀谑橇硪环N設(shè)備復(fù)雜的加速裝置，它主要是利用壓縮氣體的沖擊力，經(jīng)炮管中的物體在短時(shí)間內(nèi)加速到較高的速度。例如圖1就是一種壓縮空氣炮，長(zhǎng)約50英尺，由氣罐，炮管及附屬設(shè)備組成。試驗(yàn)時(shí)氣罐先由空氣壓縮機(jī)充氣至預(yù)定氣壓，然后快速釋放氣流，氣流沿炮管推出試件使其高速運(yùn)動(dòng)。這種設(shè)備結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，操作可控性較差。
盡管上述兩種裝置能達(dá)到試驗(yàn)要求，但是裝置的設(shè)計(jì)復(fù)雜、試驗(yàn)費(fèi)用高昂，危險(xiǎn)性大，一般實(shí)驗(yàn)室不具備這種條件。針對(duì)這種情況，本專利設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的裝置，完全可以滿足沖擊試驗(yàn)要求。采用本裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單易行，可以達(dá)到和傳統(tǒng)方法相同的加速實(shí)驗(yàn)效果，相比傳統(tǒng)方法可以節(jié)省大量的人力、物力及財(cái)力資源?？傊狙b置簡(jiǎn)單可行，可控性佳，到目前為止，在高速加速領(lǐng)域，我們還沒(méi)有見(jiàn)到類似的加速裝置或技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)易的高速加速裝置，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，試驗(yàn)代價(jià)小以及可控性高的特點(diǎn)。
一種高速加速裝置，其特征在于該裝置含有電機(jī)、轉(zhuǎn)子、繩索和試件支撐裝置；所述的轉(zhuǎn)子由固連在一起的轉(zhuǎn)軸、慣性輪和錐形繞線輪組成，所述轉(zhuǎn)軸的兩端分別安裝在軸承支座上，在錐形繞線輪的小端與轉(zhuǎn)軸的結(jié)合部分設(shè)有電磁離合器，在電機(jī)與轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有無(wú)級(jí)變速器；所述的試件支撐裝置由滑軌、沿滑軌作直線運(yùn)動(dòng)的托架以及固定在該托架上的掛鉤構(gòu)成；所述繩索的一端固定在電磁離合器上，另一端與掛鉤套聯(lián)；當(dāng)錐形繞線輪的線加速度a不隨時(shí)間化時(shí)，所述的錐形繞線輪在t時(shí)刻繞線半徑應(yīng)滿足下列關(guān)系rθ＝Bωt+r0＝Bθ+r0其中，r0是繞線輪小端半徑，B為常數(shù)，ω為繞線輪的角速度，θ為在t時(shí)刻繞線輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于所述的滑軌位于繞線輪的上方，所述掛鉤采用折線結(jié)構(gòu)，兩折線夾角在70°～80°之間。
上述技術(shù)方案中，所述慣性輪的半徑為繞線輪大端半徑的1/3～1/2。本發(fā)明所述的繩索的材料采用芳綸-29。
本發(fā)明的技術(shù)特征還在于該高速加速裝置還包括設(shè)置在試件運(yùn)動(dòng)前方的防護(hù)設(shè)備。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果該裝置利用常用電機(jī)的電能，代替了傳統(tǒng)方法中的火箭或高壓氣體助推，取材簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，安全可靠，并節(jié)省了大量試驗(yàn)?zāi)茉吹南?。通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的繞線輪，使得對(duì)物體的加速更具可控性，能在一個(gè)較大的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)任意速度的加速；同時(shí)特殊設(shè)計(jì)的繞線輪，使得物體在加速的過(guò)程中，繩索及托架設(shè)備的受力比較均勻，消除了沖擊作用，降低了對(duì)相應(yīng)設(shè)備性能要求的限制，使得設(shè)備的選取更廣泛。
總之，本發(fā)明提供的高速加速裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，試驗(yàn)代價(jià)小，可控性高的特點(diǎn)，完全可以滿足沖擊試驗(yàn)的要求，相比傳統(tǒng)裝置可以節(jié)省大量的人力、物力及財(cái)力資源。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中采用壓縮空氣炮進(jìn)行加速的試驗(yàn)裝置示意圖。
圖2為本發(fā)明提供的高速加速裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖(俯視圖)。
圖3是加速裝置與試件支撐裝置通過(guò)繩索連接的示意圖。
圖4是轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5是繞線輪及繩索的繞線方式示意圖。
圖6是圖5的左視圖。
圖7是掛鉤的結(jié)構(gòu)及掛鉤與繩索的連接關(guān)系示意圖。
圖中1-防護(hù)設(shè)備；2-軸承支座；3-電磁離合器；4-繞線輪；5-慣性輪；6-轉(zhuǎn)軸；7-無(wú)級(jí)變速器；8-電機(jī)；9-繩索；10-滑軌；11-掛鉤；12-托架。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理、結(jié)構(gòu)和最佳實(shí)施方式作進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖2為本發(fā)明提供的高速加速裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖。該裝置含有電機(jī)8、轉(zhuǎn)子、繩索9和試件支撐裝置；所述的轉(zhuǎn)子由固連在一起的轉(zhuǎn)軸6、慣性輪5和錐形繞線輪4組成，轉(zhuǎn)軸6的兩端安裝在軸承支座2上，在錐形繞線輪的小端與轉(zhuǎn)軸的結(jié)合部分設(shè)有電磁離合器3，在電機(jī)8與轉(zhuǎn)軸6之間設(shè)有無(wú)級(jí)變速器7；所述的試件支撐裝置由滑軌10、可在滑軌上沿直線運(yùn)動(dòng)的托架12以及固定在該托架上的掛鉤11構(gòu)成；所述繩索9的一端固定在電磁離合器3上，另一端與掛鉤11套聯(lián)。
本裝置采用慣性輪5作為試驗(yàn)加速的動(dòng)力，在繩索的牽引下，使沿導(dǎo)軌滑動(dòng)的試件由0加速到150米/秒左右，其工作原理如下電機(jī)8首先通過(guò)與之相連的無(wú)級(jí)變速器7，將電能傳到慣性輪5，能量在慣性輪上儲(chǔ)存，當(dāng)與之相連的繞線輪4達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速時(shí)，通過(guò)電磁離合器3的閉合作用，使繩索9開(kāi)始在繞線輪上纏繞，繩索連接掛鉤11，因此帶動(dòng)托架12以及其上的試件開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，加速裝置與試件支撐裝置通過(guò)繩索連接如圖3所示。當(dāng)試件加速到預(yù)定速度，試件與繩索分離，并以預(yù)定速度向前運(yùn)動(dòng)。整套加速裝置固定在軸承支座上，以達(dá)到穩(wěn)定加速的目的。
繞線輪的設(shè)計(jì)方案繞線輪4的作用是纏繞繩索，以使托架承載著試件向前運(yùn)動(dòng)。為了防止試件起動(dòng)瞬間加速度過(guò)大，繞線輪的半徑必須逐漸增大，如圖5所示。在其小端安裝一個(gè)電磁離合器3，用于將繩索9和繞線輪4相連。為了避免繞線輪、慣性輪、軸承、繩索等受到?jīng)_擊而導(dǎo)致?lián)p壞，就要求在整個(gè)加速過(guò)程中，無(wú)論試件的速度大小如何，線加速度基本保持恒定。
設(shè)繩索與繞線輪連接那一刻為時(shí)間的起點(diǎn)，繞線輪的角速度為ω，在t時(shí)刻繞線輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ，繩索與繞線輪切點(diǎn)處的線速度為v，線加速度為a，切點(diǎn)處的半徑為rθ。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)在整個(gè)過(guò)程中繞線輪的角速度基本不變，則有下列關(guān)系rθ＝Aθ2+Bθ+r0＝Aω2t2+Bωt+r0v＝Aω3t2+Bω2t+ωr0
a＝2Aω3t+Bω2如果要使線加速度a不隨時(shí)間變化，則必須A＝0。因此錐形繞線輪在t時(shí)刻繞線半徑rθ與轉(zhuǎn)過(guò)的角度θ的關(guān)系為rθ＝Bωt+r0＝Bθ+r0其中，r0是繞線輪小端半徑，即繩索開(kāi)始纏繞時(shí)切點(diǎn)處的半徑；B為常數(shù)，由繩索拉動(dòng)托架所能承受的最大加速度確定，因此當(dāng)B確定時(shí)，rθ就被確定，也就是說(shuō)，繞線輪的頂角就確定了，因此繞線輪的錐體結(jié)構(gòu)必須滿足這一繞線規(guī)則。
當(dāng)轉(zhuǎn)速較高、半徑較大時(shí)，繞線輪輪緣可能因離心力過(guò)大而破裂。按照目前常用的電機(jī)2930r/s的轉(zhuǎn)速，要達(dá)到150m/s的線速度，繞線輪需要選擇密度小、強(qiáng)度大的材料制作繞線輪，可采用S玻璃纖維，經(jīng)過(guò)無(wú)水增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑(HTS)處理后，其拉伸強(qiáng)度達(dá)4900Mpa，是優(yōu)質(zhì)鋼的4倍多。由S玻璃纖維HTS處理后做成的玻璃鋼可以滿足要求。
慣性輪的設(shè)計(jì)方案慣性輪的作用是儲(chǔ)存能量，并將其動(dòng)能轉(zhuǎn)換為試件的動(dòng)能，因此希望其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要大，以便在其轉(zhuǎn)速下降不大的情況下就可以將試件加速到預(yù)定速度。由于轉(zhuǎn)速較高，半徑不能太大，一般應(yīng)為繞線輪大端半徑的1/3～1/2，所以要選擇強(qiáng)度大、密度大的材料。
托架的設(shè)計(jì)托架用于安放試件并實(shí)現(xiàn)繩索與托架的連接，并且要求其在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)空氣阻力較小。其中一個(gè)關(guān)鍵是掛鉤的設(shè)計(jì)，必須保證在加速過(guò)程中繩索與托架相連，在加速完成后繩索要與托架脫離，圖7為本發(fā)明提供的掛鉤的實(shí)施例。由于滑軌位于繞線輪的上方(圖3)，因此將掛鉤設(shè)計(jì)成一端與托架相連，一端向下的折線結(jié)構(gòu)，在托架與繞線輪距離較遠(yuǎn)時(shí)，拉力基本水平向前，掛鉤上的繩索不會(huì)與掛鉤脫落，當(dāng)托架逐漸向前運(yùn)動(dòng)，接近繞線輪后，由于存在向下的力的作用，繩索則與掛鉤脫離，不再牽引托架向前運(yùn)動(dòng)。試件支撐設(shè)備位于加速設(shè)備上方，由兩條滑軌、托架以及掛鉤構(gòu)成。兩條滑軌是相互平行的，水平安裝；滑軌上是放置試件的托架，托架可在滑軌上沿直線運(yùn)動(dòng)；掛鉤是一種折線結(jié)構(gòu)，一端與托架固連，另一端與繩索套連，兩折線夾角在70°～80°之間，保證開(kāi)始時(shí)繩索不會(huì)從掛鉤上滑落，而在試件達(dá)到所需速度時(shí)，能順利從掛鉤脫落。
在試件從0加速到V0的過(guò)程中，必然對(duì)軸承和繩索造成沖擊，由此產(chǎn)生的沖擊載荷對(duì)繩索提出了很高的要求，特別是在繩索與繞線輪連接的瞬間。因此對(duì)連接托架和繞線輪的繩索應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求。繩索抗拉強(qiáng)度較大，密度小。因?yàn)楸驹囼?yàn)的繩索較長(zhǎng)，只有強(qiáng)度大，才能降低繩索的直徑，使其減少質(zhì)量，而密度小也是為了減少繩索的質(zhì)量，來(lái)減少系統(tǒng)的無(wú)用功。根據(jù)以上幾點(diǎn)要求，特別是強(qiáng)度要求，用普通的鋼索質(zhì)量高達(dá)幾十公斤，嚴(yán)重影響慣性輪的穩(wěn)定工作，而且輸出的很大一部分能量用來(lái)做無(wú)用功。另外對(duì)于繩索纏繞后的繞線輪會(huì)引起質(zhì)量重新分布，不利于慣性輪的動(dòng)態(tài)平衡。本裝置采用芳綸-29作為繩索，經(jīng)校核，可以滿足要求。
對(duì)于滑軌，其主要功能是約束托架，并給試件一個(gè)初始運(yùn)動(dòng)方向。對(duì)滑軌的要求是剛性要好，摩擦系數(shù)小。
對(duì)于電動(dòng)機(jī)，其用于帶動(dòng)慣性輪轉(zhuǎn)動(dòng)，它們中間與無(wú)級(jí)變速器連接。由于慣性輪的加速可以在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成，因此電機(jī)的功率不要求很大，類似YX132S1-2的高效率三相異步電機(jī)即可。
對(duì)于離合器，本裝置可采用電磁離合器，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩控制范圍大、動(dòng)作迅速(可快到幾毫秒)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。過(guò)載時(shí)部分磁粉層打滑，起過(guò)載保護(hù)作用。耐久性好，并便于遠(yuǎn)距離操縱。
在測(cè)速設(shè)備和防護(hù)裝置上，測(cè)速設(shè)備一方面測(cè)量繞線輪的轉(zhuǎn)速，令一方面測(cè)量試件的運(yùn)動(dòng)速度，可以選用成熟的產(chǎn)品。如果一個(gè)5公斤的試件的以高達(dá)150m/s的速度運(yùn)動(dòng)，若其發(fā)生意外，其破壞作用非常大。因此，必須對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行防護(hù)裝置的設(shè)計(jì)。為防止試件從正前方飛出，應(yīng)在試件撞擊處的后方設(shè)計(jì)一個(gè)安全壩。另外一個(gè)防護(hù)裝置，是慣性輪的外面應(yīng)造一個(gè)殼體防護(hù)罩，防止繩索斷裂時(shí)飛出。
權(quán)利要求
1.一種高速加速裝置，其特征在于該裝置含有電機(jī)(8)、轉(zhuǎn)子、繩索(9)和試件支撐裝置；所述的轉(zhuǎn)子由固連在一起的轉(zhuǎn)軸(6)、慣性輪(5)和錐形繞線輪(4)組成；轉(zhuǎn)軸(6)的兩端安裝在軸承支座(2)上，在錐形繞線輪的小端與轉(zhuǎn)軸的結(jié)合部分設(shè)有電磁離合器(3)，在電機(jī)與轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有無(wú)級(jí)變速器(7)；所述的試件支撐裝置由滑軌、可在滑軌上沿直線運(yùn)動(dòng)的托架以及固定在該托架上的掛鉤構(gòu)成；所述繩索的一端固定在電磁離合器上，另一端與掛鉤套聯(lián)；當(dāng)錐形繞線輪的線加速度a不隨時(shí)間變化時(shí)，所述的錐形繞線輪在t時(shí)刻繞線半徑應(yīng)滿足下列關(guān)系rθ＝Bωt+r0＝Bθ+r0其中，r0是繞線輪小端半徑，B為常數(shù)，ω為繞線輪的角速度，θ為在t時(shí)刻繞線輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ。
2.按照權(quán)利要求1所述的高速加速裝置，其特征在于所述的滑軌位于繞線輪的上方，所述的掛鉤采用折線結(jié)構(gòu)，兩折線夾角在70°-80°之間。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的一種高速加速裝置，其特征在于所述慣性輪的半徑為繞線輪大端半徑的1/3～1/2。
4.按照權(quán)利要求1所述的高速加速裝置，其特征在于所示的繞線輪材料選擇經(jīng)過(guò)無(wú)水增強(qiáng)型浸潤(rùn)劑處理的S玻璃纖維。
5.按照權(quán)利要求1所述的高速加速裝置，其特征在于該高速加速裝置還包括設(shè)置在試件運(yùn)動(dòng)前方的防護(hù)設(shè)備(1)。
全文摘要
一種高速加速裝置，涉及一種在高速?zèng)_擊試驗(yàn)中將物體加速到高速狀態(tài)的加速裝置。該裝置利用常用電機(jī)的電能，代替了傳統(tǒng)方法中的火箭或高壓氣體助推；同時(shí)特殊設(shè)計(jì)的繞線輪，使得物體在加速的過(guò)程中，線加速度保持恒定，從而使繩索及托架設(shè)備的受力均勻，消除了沖擊作用；整個(gè)裝置的協(xié)調(diào)工作，可保證與傳統(tǒng)方式相同的加速實(shí)驗(yàn)效果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低廉，安全可靠的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)試驗(yàn)代價(jià)小，可節(jié)省大量試驗(yàn)?zāi)茉吹南模⑶夷艿玫礁呖煽匦缘姆€(wěn)定加速，降低了對(duì)相應(yīng)設(shè)備性能要求的限制，使得設(shè)備的選取更廣泛?？傊?，本裝置可控性高，完全可以滿足沖擊試驗(yàn)的要求，并可節(jié)省大量的人力、物力及財(cái)力資源。
文檔編號(hào)G01M99/00GK101025381SQ20061011460
公開(kāi)日2007年8月29日 申請(qǐng)日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者李青, 孫富春, 汪洪橋, 楚中毅 申請(qǐng)人:清華大學(xué)