专利名称：坠撞安全试验机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种试验机，特别涉及飞机、车辆、船舶等运载工具坠撞或碰撞的安全 试验机，属于试验设备技术领域。
背景技术：
飞机、车辆、船舶时有遭遇坠撞、碰撞等不幸事件。为保障乘员在一定的事故强度 以下能够逃生，对乘员座椅及其周围设备的结构强度有一定的要求，以免一些设备或零部 件因坠撞或碰撞从安装支架上脱落或游离击伤乘员，或变形位移过大影响救生系统工作。 坠撞安全试验就是用于验证这些设备或零部件在发生坠撞或碰撞状态下是否会从安装支 架上脱落或游离危及乘员、燃油系统或紧急疏散装置安全的试验。目前从事坠撞安全试验 的设备不尽人意，尤其是模拟飞机坠撞环境没有专用试验设备。飞机坠撞环境的加速度曲 线见图 1所示，纵座标a表示加速度，横座标t表示时间，从图1中可以看出、时段(大约 10 20ms)表示飞机坠撞初期的加速度波头，t2时段(大约3 5s)表示飞机坠撞中期和 后期的加速度波身和波尾。由于没有专门的试验设备，代号为D0-160(E版)《飞机适航性》 国际标准中只好将图1中的加速度曲线分成两段用两种试验设备来模拟，即用冲击试验设 备来模拟飞机坠撞波头加速度曲线快速变化的环境；用加速度试验设备来模拟飞机坠撞波 身和波尾加速度曲线变化较慢的环境，且这部分大多数是用旋转的离心加速度试验台来模 拟。由此可见，目前的坠撞安全试验存在以下两方面缺陷第一，采用分两段试验的方式存 在模拟性差、试验效率低以及操作麻烦等缺点；第二，采用离心加速度试验台来模拟飞机坠 撞波身和波尾加速度曲线存在不可克服的方法误差。因为离心加速度试验台利用a = Ro2 公式作为模型，其中，a表示加速度，R表示某点的旋转半径，ω表示对应该点的旋转角速 度。众所周知，任何机(车)载设备都有一定的几何尺寸，因此公式中R是个变量。而采用 离心加速度试验台进行试验，只有一个以R为半径的簿筒能满足试验量值的要求，其余点 位部分不是过试验就是欠试验，均不能满足试验条件。为此，如何设计一种能够克服上述缺 陷的坠撞安全试验设备是本发明解决的问题。
发明内容
本发明提供一种坠撞安全试验机，目的是要设计一种适应飞机、车辆、船舶等运载 工具上的机(车)载设备从事坠撞或碰撞安全试验的专用试验设备，以克服目前没有专用 试验设备而采用分段试验所带来的缺陷。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种坠撞安全试验机，由工作台、计 算机控制系统和加载器三部分组成。所述工作台主要由基座和设在基座上的试验样品安装底座构成，其中，试验样品 安装座为一个安装试验样品的座体，座体上设有与试验样品实际使用时相同的安装支承结 构和固定连接构件。所述计算机控制系统包括带控制软件的计算机以及可编程控制器(PLC)，计算机用于控制坠撞安全试验的起停、运行以及安全保护，计算机与可编程控制器连接，可编程控 制器输出模拟坠撞时试验样品承受变化的惯性力控制信号。所述加载器主要由油泵、电液伺服阀、油缸和加载连接器组成，油泵的出油口经油 管与电液伺服阀的进油口连接，电液伺服阀的控制端接收可编程控制器输出模拟变化的惯 性力控制信号，电液伺服阀的出油口经油管与油缸的进油口连接，油缸的缸体相对基座固 定，油缸的活塞杆作用于加载连接器，加载连接器是一种向试验样品加载的部件，该部件的 一端设有用于连接活塞杆的连接部，另一端设有用来向试验样品加载的作用部，加载连接 器用来将活塞杆产生的拉力施加到试验样品上，以验证试验样品的固定和支承件在模拟坠 撞状态下的安全要求。上述技术方案中的有关内容解释如下1、上述方案中，所述“与试验样品实际使用时相同的安装支承结构和固定 连接构 件”是指试验样品在飞机、车辆、船舶等运载工具中真实的安装件。2、上述方案中，所述电液伺服阀(4)的频率相应在80Hz以上。3、上述方案中，为了检验实际加载力与理论加载力的一致性，在计算机控制系统 中设有力传感器，该力传感器串接在油缸的活塞杆与加载连接器之间的力传递方向上，力 传感器的输出信号经A/D转换电路后输入计算机。在加载过程利用返馈原理通过力传感器 来检测实际加载力与理论加载力的一致性，其误差控制在允许的范围即可。4、上述方案中，为了适应试验样品不同的外形和特点，加载连接器可以选择电磁 式结构、缆绳式结构、真空吸附式结构、杠杆式结构、框式结构或钳式结构。5、上述方案中，所述加载器中设有油箱，油箱的出油口经油管与油泵的进油口连 接，油泵的出油口经油管和泄压阀与油箱的第一回油口连接，油缸的出油口经油管与油箱 的第二回油口连接。总之，本发明从失效机理出发，模拟飞机、车辆、船舶等运载工具坠撞或碰撞过程 中，机(车)载设备及连接件的受力状况，从而验证在发生坠撞或碰撞时机(车)载设备及 连接件机械强度和刚度是否符合要求。本发明模拟机(车)载设备及连接件的受力状况有 以下两种加载模型1、机(车)载设备及连接件在发生坠撞或碰撞时承受惯性力，该惯性力为拉力，方 向与物体运动方向相同。根据F = ma公式，由图1飞机坠撞加速度曲线，可以得到图2坠撞时机载设备承 受的惯性力曲线。图2中，纵座标F表示惯性力，横座标t表示时间，、时段(大约10 20ms)表示飞机坠撞初期的惯性力波头，t2时段(大约3 5s)表示飞机坠撞中期和后期 的惯性力波身和波尾。F1 = HianF1表示、时段的惯性力峰值，m表示机(车)载设备的质 量，表示、时段的加速度峰值。&=111&2，&表示、时段的惯性力，111表示机(车)载设 备的质量，a2表示t2时段的加速度。图1飞机坠撞加速度曲线可以是飞机、车辆、船舶(舰艇)等运载工具坠撞或碰撞 时“黑匣子”记录的曲线，也可以是有关标准(规范)规定的曲线。图2坠撞时机载设备承 受的惯性力曲线需要特别说明的是标准(规范)和黑匣子记录的加速度方向，坠撞时机体 (车船体)承受的力是减速力，此力产生的加速度是阻止运动的，因此机体(车船体)承受 的加速度方向与机体运动方向相反(向后)，而被试验样品由于承受惯性力的作用，该惯性力的方向与机体运动方向相同(向前)。在图2中，波头冲击惯性力峰值为& = mai，式中m = m1+m2m为等效质量
�。为试验样品质量m2为加载连接器附加质量从图2中可以看出，波身、波尾已变为静载，故可以不考虑加载连接器的附加质量。2、机(车)载设备及连接件在发生坠撞或碰撞时承受惯性力矩(若采用底部或某 端面安装机(车)载设备在发生坠撞或碰撞时连接件所承受的为惯性力矩)。根据力矩的计算公式M = Fh，式中M表示力矩，F表示惯性力，h表示设备质心到 安装面的距离。由图2坠撞时机载设备承受的惯性力曲线，可以得到图3坠撞时机载设备 连接件承受的力矩曲线。图3中，纵座标M表示惯性力矩，横座标t表示时间，、时段(大 约10 20ms)表示飞机坠撞初期的惯性力矩波头，t2时段(大约3 5s)表示飞机坠撞中 期和后期的惯性力矩波身和波尾。Mi = hh，Mi表示、时段的惯性力矩峰值，表示、时 段的惯性力峰值，h表示设备质心到安装面的距离。M2 = F2h，M2表示t2时段的惯性力矩， F2表示t2时段的惯性力，h表示设备质心到安装面的距离。图3所示为力矩加载方式。机(车船)载设备中有着大量柜式设备，他们大多数 采用底部固定。坠撞安全主要是考核其底部固定的连接件的刚度与强度，在坠撞时他们承 受的是力矩，故以力矩的形式出现。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果1、本发明解决了国内国际标准有试验要求，而没有专用试验设备的问题。如国军 标GJB150和国际《飞机适航性》标准D0-160中缺失的问题，为这些标准修订提供了物质基 石出。2、本发明坠撞安全试验机能很好地模拟再现坠撞时样品实际承受瞬变力和稳态 加速度时的波形和情况，为提高试验的模拟和再现性提供保证。3、本发明坠撞安全试验机可以一次完成坠撞瞬间快速变化的冲击，又能模拟坠撞 发生的中期、尾期慢变的稳态加速度的情况，提高了试验的效率和效益。4、本发明坠撞安全试验机可以通过不同形式的加载连接器的设计，来适应对不同 结构试验样品的加载，因此通用性很强。5、本发明坠撞安全试验机结构简单，易于操作，易于推广与普及。
附图1为飞机坠撞加速度曲线图；附图2为坠撞时机载设备承受的惯性力曲线图；附图3为坠撞时机载设备连接件承受的力矩曲线图；附图4为本发明坠撞安全试验机原理框图；附图5为本发明坠撞安全试验机实施例结构示意图。以上附图中，1、基座；2、试验样品安装座；3、油泵；4、电液伺服阀；5、油缸；6、活塞
5杆；7、加载连接器；8、可编程控制器(PLC) ；9、计算机；10、油箱；11、泄压阀(安全阀)；12、力传感器；13、控制箱；14、第一回油口 ；15、第二回油口。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一种坠撞安全试验机图4是本发明坠撞安全试验机原理框图，图5是发明坠撞安全试验机实施例结构 示意图。该坠撞安全试验机是用于测试验证机(车)载设备及连接件在发生坠撞或碰撞时 承受惯性力矩的试验设备。从图5中可以看出，这种坠撞安全试验机由工作台、计算机控制系统和加载器三 部分组成。其中，这三部分的结构以及连接关系分述如下1、工作台工作台主要由基座1和设在基座1上的试验样品安装座2构成，其中，试验样品安 装座2为一个安装试验样品的座体，座体上设有与试验样品实际使用时相同的安装支承和 固定连接构件，使试验样品在试验时以飞机、车辆、船舶等运载工具中真实的安装方式和安 装部件(包括螺钉、螺母)安装在试验样品安装座2上，其加载点、面有关试验规范应予以 规定或在试验程序中予以规定。2、计算机控制系统计算机控制系统包括带控制软件的计算机9、可编程控制器(PLC)S以及力传感器 12，计算机9用于控制坠撞安全试验的起停、运行以及安全保护，计算机9与可编程控制器8 连接，可编程控制器8输出模拟坠撞时试验样品承受变化的惯性力控制信号。力传感器12 串接在油缸5的活塞杆6与加载连接器7之间的力传递方向上，力传感器12的输出信号经 A/D转换电路后输入计算机9。力传感器12按试验拉力的参数及变化速度选配货架产品。计算机控制系统的功能是接输入端来的数字(模拟)信号(曲线)，并按一定的程 序起动液压系统按输入曲线给试件加载，在加载过程利用反馈原理使力传感器12测到的 信号与要求加载的曲线一致，其误差控制在允许的范围，同时具备各种安全保护功能。3、加载器加载器由油泵3、电液伺服阀4、油缸5 (也可称为“作动筒”)、加载连接器7和油 箱10组成。油泵3用来产生高压的液压动力。油泵3和油箱10构成液压源，可根据坠撞 安全试验机的要求选配，其运行和保护软件、硬件均由计算机控制系统解决。电液伺服阀4 根据可编程控制器8输出变化的惯性力控制信号控制油缸5产生符合试验要求的力和位 移。电液伺服阀4应有足够的灵敏度，使其能产生坠撞过程中的坠撞波形迅速变化的波头， 其频率相应应在80Hz以上。油缸5是产生力和位移的部件，应有足够的位移和力。油缸5 产生的力由以下公式来计算F= ASAP式中AS= Ji R2- Ji R12 = JI (R2-R12)；R1-活塞杆半径；R-油缸内径的一半；Δ P-油缸内活塞两边的压力差。
这些参数可根据用户要求和相关标准设计和制造。加载器中各部件的连接关系是油泵3的出油口经油管与电液伺服阀4的进油口 连接，电液伺服阀4的控制端接收可编程控制器8输出模拟变化的惯性力控制信号，电液伺 服阀4的出油口经油管与油缸5的进油口连接，油缸5的缸体相对基座1上试验样品的质 量中心固定，油缸5的活塞杆6作用于加载连接器7，加载连接器7是一种向试验样品加载 的部件，该部件的一端设有用于连接活塞杆6的连接部，另一端设有用来向试验样品加载 的作用部，加载连接器7用来将活塞杆6产生的拉力施加到试验样品上，以验证试验样品的 固定和支承构件在模拟坠撞状态下的安全要求的情况。油箱10的出油口经油管与油泵3的进油口连接，油泵3的出油口经油管和泄压阀 11与油箱10的第一回油口 14连接，油缸5的出油口经油管与油箱10的第二回油口 15连接。本实施例中加载连接器7采用框式结构，该框式加载连接器7如图5所示为一个 加力框。加力框中放在试验样品重心高度处(图中未画出)，当活塞杆6运动时拉力施加到 试验样品上。由于本实施例是测试验证机(车)载设备及连接件在发生坠撞或碰撞时承受 惯性力矩的试验设备，因此从图5中可以看出油缸5的活塞杆6产生的拉力作用在试验样 品质心上，试验样品质心到试验样品安装座2的安装面有一定距离，最终对试验样品底面 的固定和支承结构产生力矩。这就是本专利说明发明内容部分中描述的两种加载模型中的 第二种加载模型。对于第一种加载模型，只要将图5中的试验样品安装座2翻转90度，换 一种加载连接器，使试验样品的固定和支承结构直接承受活塞杆6的拉力即可。由于在此 启示下，本领域技术人员根据本发明原理和要求很容易想象出第一种加载模型的结构构造 及其组合，因此对第一种加载模型的实施例不再以另一实施例方式详细描述。另外，为了适应试验样品不同的外形和特点，加载连接器除了本实施例图5给出 的加力框而外，还可以设计成电磁式结构、缆绳式结构、真空吸附式结构、杠杆式结构和钳 式结构，用来适应试验样品不同的外形和特点。比如，电磁式加载连接器一端的连接部用来 连接活塞杆6，另一端的作用部设计有磁铁，利用磁吸力吸住试验样品，并向试验样品加载; 缆绳式加载连接器由绳索构成，绳索的一端连接在活塞杆6上，另一端系在试验样品上，以 此传递拉力；真空吸附式加载连接器一端的连接部用来连接活塞杆6，另一端的作用部设 计有吸盘，用吸盘吸住试验样品；杠杆式加载连接器由杠杆机构组成，杠杆的一端连接活塞 杆6，另一端作用于试验样品；钳式加载连接器由钳体构成，钳体的根部连接活塞杆6，钳体 的端部设有钳爪抓住试验样品。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人 士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明 精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种坠撞安全试验机，其特征在于由工作台、计算机控制系统和加载器三部分组成；所述工作台主要由基座(1)和设在基座(1)上的试验样品安装底座(2)构成，其中，试验样品安装座(2)为一个安装试验样品的座体，座体上设有与试验样品实际使用时相同的安装支承结构和固定连接构件；所述计算机控制系统包括带控制软件的计算机(9)以及可编程控制器(8)，计算机(9)用于控制坠撞安全试验的起停、运行以及安全保护，计算机(9)与可编程控制器(8)连接，可编程控制器(8)输出模拟坠撞时试验样品承受变化的惯性力控制信号；所述加载器主要由油泵(3)、电液伺服阀(4)、油缸(5)和加载连接器(7)组成，油泵(3)的出油口经油管与电液伺服阀(4)的进油口连接，电液伺服阀(4)的控制端接收可编程控制器(8)输出模拟变化的惯性力控制信号，电液伺服阀(4)的出油口经油管与油缸(5)的进油口连接，油缸(5)的缸体相对基座(1)固定，油缸(5)的活塞杆(6)作用于加载连接器(7)，加载连接器(7)是一种向试验样品加载的部件，该部件的一端设有用于连接活塞杆(6)的连接部，另一端设有用来向试验样品加载的作用部，加载连接器(7)用来将活塞杆(6)产生的拉力施加到试验样品上，以验证试验样品的固定和支承件在模拟坠撞状态下的安全要求。
2.根据权利要求1所述的坠撞安全试验机，其特征在于所述电液伺服阀(4)的频率 相应在80Hz以上。
3.根据权利要求1所述的坠撞安全试验机，其特征在于所述计算机控制系统中设有 力传感器(12)，该力传感器(12)串接在油缸(5)的活塞杆(6)与加载连接器(7)之间的力 传递方向上，力传感器(12)的输出信号经A/D转换电路后输入计算机(9)。
4.根据权利要求1所述的坠撞安全试验机，其特征在于所述加载连接器(7)采用电 磁式结构、缆绳式结构、真空吸附式结构、杠杆式结构、框式结构或钳式结构，其中，电磁式 结构一端的连接部连接活塞杆6，另一端的作用部设计有用来吸住试验样品的磁铁；缆绳 式结构由绳索构成，绳索的一端连接活塞杆6，另一端用来系住试验样品；真空吸附式结构 一端的连接部连接活塞杆6，另一端的作用部设计有用来吸住试验样品的吸盘；杠杆式结 构由杠杆机构组成，杠杆的一端连接活塞杆6，另一端作用于试验样品；框式结构一端的连 接部连接活塞杆6，另一端的作用设计有用来套住试验样品的加力框；钳式结构一端的连 接部连接活塞杆6，另一端设有用来抓住试验样品的钳爪。
5.根据权利要求1所述的坠撞安全试验机，其特征在于所述加载器中设有油箱(10)， 油箱(10)的出油口经油管与油泵(3)的进油口连接，油泵(3)的出油口经油管和泄压阀 (11)与油箱(10)的第一回油口(14)连接，油缸(5)的出油口经油管与油箱(10)的第二回 油口 (15)连接。
全文摘要
一种坠撞安全试验机，其特征在于由工作台、计算机控制系统和加载器三部分组成，工作台由基座和设在基座上的试验样品安装座构成；计算机控制系统包括带控制软件的计算机以及可编程控制器；加载器主要由油泵、电液伺服阀、油缸和加载连接器组成，油泵给电液伺服阀供油，电液伺服阀接收可编程控制器输出的控制信号，通过油缸模拟坠撞受力环境，并通过加载连接器施加到试验样品上，以验证机载设备在坠撞状态下其固定和支承的机构强度和刚度是否满足坠撞安全要求。本发明从失效机理出发，设计了一种适用于飞机、车辆、船舶等运载工具上的机(车)载设备从事坠撞或碰撞安全试验的专用试验设备，克服了目前没有专用试验设备而采用分段试验所带来的不足。
文档编号G01L5/00GK101832850SQ20101013779
公开日2010年9月15日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者吴飒, 王德言 申请人:苏州苏试试验仪器有限公司;王德言;吴飒
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