一种风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置

技术领域

本发明涉及我国城镇量大面广温室大棚、建构筑物、风机等风雹灾害减灾防灾社会发展亟需面对并解决的技术领域，特别涉及一种适应于风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置。

背景技术

在全球气候逐年恶化的背景下，风雹灾害频发，对其作用半径内的建构筑物、温室大棚、公共设施等结构产生了严重破坏。自然灾害部门灾情通报凸显了我国轻质屋面结构体系村镇建筑、温室大棚及风机等结构物风致与风雹灾害的严重性，这类量大面广城镇结构物直接关联广大人民群众生命财产安全，其风致及风雹灾害减灾防灾逐渐成为社会发展亟需解决的现实问题。

目前，国内外对于冰雹粒子冲击荷载单一研究实验，主要是释放压缩的空气或者用可伸缩橡皮筋类材料为冰雹粒子提供动力，使冰雹粒子达到所需的速度，冰雹粒子通过发射管发射到目标位置，并利用激光测速装置对发射速度进行测量。但是，已有风雹灾害研究装置普遍存在如下问题：1、冰雹粒子每次发射都需人工重新装弹，不能连续装弹，而结构物在实际风雹灾害中表面冰雹存在连续冲击实情，无法精准评判风夹雹连续作用于结构物表面作用效应；另外，相关研究如在风洞实验室开展，风洞工作时工作人员禁止进入风洞，因此每次发射完毕后都需关闭风机重新装弹再重启，这也使得进行风夹雹试验将会耗费大量时间与财力；2、发射管的角度不可调，无法评判冰雹粒子攻角变化对荷载的影响；3、发射管的管径普遍不可调，不利于构造不同粒径冰雹对屋面灾害及风险评估数学模型；4、该种测量方式仅单一地考虑了冰雹粒子冲击荷载，并没有考虑与风荷载的耦合作用；5、冰雹风速精准测量难度大尤其落点方向存在偏差。

调研结果表明，主要因为受限于冰雹粒子发射及有效监测试验精准研究装置的缺乏，风夹雹耦合效应导致的灾害机理及其减灾防灾国内外研究基本空白，但是强风及风雹灾害对前述结构物灾害影响明显，如何减少村镇量大面广建构筑物、温室大棚、公共设施等结构在强风及风雹作用下灾害损失成为湖南省甚至国内灾害主管部门必须面对的现实问题。因此，开发一种适应于风雹灾害研究用的冰雹粒子发射及有效监测试验装置，具有十分重要的现实和社会意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、安全可靠、工作效率高的风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，装置整体通过转向装置安装在支架上，具体包括击锤、传动机构、卡位机构和发射机构，所述击锤左端与传动机构相连，击锤下端设有用于限制击锤向右运动的卡位机构，击锤右端与发射机构相连，发射机构末端设置激光测速装置确定研究所需冰雹速度。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，所述传动机构包括电机、传动螺杆、螺母，电机输出轴与传动螺杆左端连接在一起，传动螺杆右端的外螺纹与螺母内孔左端的内螺纹螺纹连接；传动的形式是电机与传动螺杆旋转运动，螺母固定，且电机停止转动后，传动螺杆与螺母之间可实现自锁。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，所述发射机构包括弹簧、固定螺栓、弹药寸套、发射管道，所述发射管道左端与螺母右端固定连接，所述弹簧和击锤位于螺母内孔中，弹簧左端与传动螺杆右端固定连接，弹簧右端与击锤左端固定连接，所述弹药寸套套设于发射管道内且其左端通过固定螺栓与击锤右端固定连接，发射管道侧壁上对应弹药寸套位置处开口，弹药仓固定在开口处，发射管道内右端设有用于阻拦弹药寸套飞出发射管道的凸起。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，所述弹药寸套右侧设有挡板，所述挡板下端穿过发射管道侧壁铰接在发射管道外壁上，所述发射管道上开有供挡板绕铰接点顺时针转动的凹槽。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，所述挡板的铰接位置处设有用于使得挡板逆时针归位的扭转弹簧。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，所述卡位机构包括扳机、电磁铁、扳机复位弹簧，所述扳机呈L形，扳机中部铰接在螺母外部，扳机右端穿过螺母对击锤进行限位，扳机左端位于螺母外，螺母上正对扳机左端位置处设有电磁铁，扳机左端与螺母之间设有扳机复位弹簧。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，所述弹药仓由保温材料组成并与发射管道螺纹连接在一起。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，发射管道的末端安装两个距离为100mm 的激光测速装置，激光测速装置包括光源、用于采集光信号并发出电信号的光敏二极管、用于放大电信号的信号处理电路以及示波器，光敏二极管、信号处理电路、示波器依次连接，当冰雹粒子通过激光测速装置时遮挡光源使光敏二极管中产生电信号，信号处理电路将放大该电信号并驱动触发示波器，通过计算示波器中出现的两个不同触发信号的时间差即可得到冰雹粒子的冲击速度。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，所述转向装置包括圆环、第一螺栓、转向器和第二螺栓，所述圆环套设于撑杆上，圆环上设有开口，开口处设有第一螺栓，通过第一螺栓将圆环固定在撑杆上，所述转向器固定设置在圆环上，转向器中间开有用于安装装置整体的通孔，转向器上设有用于固定装置整体的第二螺栓。

上述风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，所述圆环一侧设有用于安装转向器的凸起，所述转向器上设有环形凸刺，环形凸刺周向设有第二外螺纹，环形凸刺套设在圆环的凸起上并通过固定螺母固定。

本发明的有益效果在于：本发明结构简单可靠，各零件可随时更换，可以灵活地调整冰雹粒子发射角度、发射速度、粒径以研究冰雹粒子发射角度及粒径对结构物的作用影响，实现了半自动/自动发射，提高了试验效率，解决了单点多雹连续作用效应研究，解决了结构作用冰雹攻角及速度的精准测量，为揭示风夹雹对结构物耦合效应研究创造性提供了一种适应于实验室及野外进行风雹灾害机理研究可行并有效的装置。

附图说明

图1为支架组成示意图。

图2 为转向装置与支架的位置示意图。

图3 为转向装置俯视图。

图4为本发明的整体安装结构示意图。

图5为发射装置剖视图。

图6为激光测速装置剖视图。

图7为风洞实验中装置的整体组装示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1-4所示，一种风雹灾害冰雹粒子发射及有效监测试验研究装置，装置整体通过转向装置15安装在支架上。

支架包括撑杆17和第一螺母16，所述撑杆17上标有刻度，撑杆17顶部周向设有第一外螺纹，第一螺母16与撑杆17顶部第一外螺纹螺纹连接，将支架置于风洞洞体工作区内通过旋转第一螺母16来调节支架的高度，让其与风洞洞体顶部相互挤压，从而将支架固定好。

转向装置15包括圆环19、第一螺栓18、转向器21和第二螺栓22，所述圆环19套设于撑杆17上，圆环19上设有开口，开口处设有第一螺栓18，通过第一螺栓18将圆环19固定在撑杆17上，所述转向器21固定设置在圆环19上，转向器21中间开有用于安装装置整体的通孔23，转向器21上设有用于固定装置整体的第二螺栓22。所述圆环19一侧设有用于安装转向器21的凸起24，所述转向器21上设有环形凸刺25，环形凸刺25周向设有第二外螺纹，环形凸刺25套设在圆环19的凸起上并通过固定螺母20固定。使用时将转向装置15调节到某一高度，再拧紧第一螺栓18，固定住高度。然后调节转向器21的角度，调节好后拧紧固定螺母20将转向器21与圆环19固定在一起。最后将装置整体置于转向器21的圆环中拧紧螺栓22即可固定好整套装置。

装置具体包括击锤5、传动机构、卡位机构和发射机构，所述击锤5左端与传动机构相连，击锤5下端设有用于限制击锤5向右运动的卡位机构，击锤5右端与发射机构相连。

所述传动机构包括电机1、传动螺杆2、螺母4，电机1输出轴与传动螺杆2左端连接在一起，传动螺杆2右端的外螺纹与螺母4内孔左端的内螺纹螺纹连接；传动的形式是电机1与传动螺杆2旋转运动，螺母4固定，且电机1停止转动后，传动螺杆2与螺母4之间可实现自锁。其中自锁现象是一种力学物理现象，如果作用于物体的主动力的合力的作用线在摩擦角之内，则无论这个力怎样大，总有一个反力与之平衡，物体将会保持静止。在传动螺杆2与螺母4的加工过程中，只需控制好螺牙的倾角、螺径及螺纹间距即可确保机械之间实现自锁。

如图5所示，所述发射机构包括弹簧3、固定螺栓10、弹药寸套9、发射管道13，所述发射管道13左端与螺母4右端固定连接，所述弹簧3和击锤5位于螺母4内孔中，弹簧3左端与传动螺杆2右端固定连接，弹簧3右端与击锤5左端固定连接，所述弹药寸套9套设于发射管道13内且其左端通过固定螺栓10与击锤5右端固定连接，发射管道13侧壁上对应弹药寸套9位置处开口，弹药仓14固定在开口处，弹药仓14由保温材料组成并与发射管道13螺纹连接在一起，发射管道13内右端设有用于阻拦弹药寸套9飞出发射管道13的凸起。

所述弹药寸套9右侧设有挡板11，所述挡板11下端穿过发射管道13侧壁铰接在发射管道13外壁上，所述发射管道13上开有供挡板11绕铰接点顺时针转动的凹槽。所述挡板11的铰接位置处设有用于使得挡板11逆时针归位的扭转弹簧12。

所述卡位机构包括扳机6、电磁铁8、扳机复位弹簧7，所述扳机6呈L形，扳机6中部铰接在螺母4外部，扳机6右端穿过螺母4对击锤5进行限位，扳机6左端位于螺母4外，螺母4上正对扳机6左端位置处设有电磁铁8，扳机6左端与螺母4之间设有扳机复位弹簧7。

如图6所示，发射管道的末端安装两个距离为100mm 的激光测速装置，激光测速装置包括光源、用于采集光信号并发出电信号的光敏二极管、用于放大电信号的信号处理电路以及示波器，光敏二极管、信号处理电路、示波器依次连接，当冰雹粒子通过激光测速装置时遮挡光源使光敏二极管中产生电信号，信号处理电路将放大该电信号并驱动触发示波器，通过计算示波器中出现的两个不同触发信号的时间差即可得到冰雹粒子的冲击速度。

如图7所示，本发明的工作原理为：

电机1带动传动螺杆2通过螺纹传动向右运动压缩弹簧3。当电机1停止转动后，由于传动螺杆2与螺母4存在自锁，因此传动螺杆2固定在新的位置。

此时在力的相互作用下弹簧3与击锤5存在压力，击锤5受压有向右运动的趋势，但由于扳机6受扳机复位弹簧7压力，在杠杆作用下扳机6扣住击锤5，使得击锤5无法运动。接通电磁铁8开关，扳机6受电磁铁8作用顺时针运动释放击锤5。由于击锤5与弹药寸套9通过固定螺栓10连接在一起，击锤5带动弹药寸套9中的冰雹粒子一同向前加速运动。在向前加速运动的途中，弹药寸套9底部推动挡板11，使得挡板11顺时针运动，并使得扭转弹簧12压缩积蓄弹性势能。

当弹药寸套9运动到发射管道13右端时被右端凸起阻拦停止运动，而冰雹粒子则由于惯性作用向前飞出。冰雹粒子发射完毕后，电机1反向转动带动其他零件复位。其他零件复位后，挡板11在扭转弹簧12的作用下逆时针运动归位。弹药仓14中的冰雹粒子受重力作用从弹药仓14落入弹药寸套9重新装弹，做好新一轮发射的准备。如此往复即可实现连续发射冰雹粒子。

试验时，通过更换发射装置口径及弹药仓14口径可发射不同粒径冰雹粒子；通过调整转向装置15可以调节冰雹粒子发射的角度；通过调整电机1运动时间，能够调整传动螺杆2水平运动距离，控制弹簧3的做功路径，进而控制冰雹粒子的发射速度。

同时在待测模型相同高度处放置激光测速装置的主要工作原理：发射管道的末端安装两个距离为100mm 的激光测速装置，当冰雹粒子高速通过装置时会遮挡光源使光敏二极管中产生微弱的电信号，信号处理电路将放大该信号并驱动触发示波器。通过计算示波器中出现的两个不同触发信号的时间差即可得到冰雹粒子的冲击速度。

按照从左到右的原则依次组装各零件，根据试验需求计算冰雹粒子发射装置的位置，将其固定好后，接通电源，调整好模型，调试好风场之后即可进行风夹雹模拟试验。