PVC-M管材高速落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

黃 河 ， 冉文生 ， 王曉軍 ， 王麗華

（1.新疆維吾爾自治區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.國家節(jié)水器材產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，新疆 烏魯木齊 830011；3.承德市精密試驗(yàn)機(jī)有限公司，河北 承德 067000）

0 引 言

對(duì)于高抗沖改性聚氯乙烯管材的高速?zèng)_擊性能試驗(yàn)，國家建材部早在2007年就已提出，并由河北寶碩管材有限公司起草了CJ/T 272——2008《給水用高抗沖改性聚氯乙烯管材及管件》[1]的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，于2008年1月發(fā)布，同年6月開始實(shí)施。2009年，代金強(qiáng)等[2]首次嘗試設(shè)計(jì)了20 m塑料管材落錘沖擊試驗(yàn)裝置，設(shè)備實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)落錘沖擊試驗(yàn)的作用，但設(shè)備自身高大，給操作及維護(hù)均帶來很大不便。

落錘試驗(yàn)機(jī)一般包括機(jī)架、升降機(jī)構(gòu)、落錘機(jī)構(gòu)、高度定位機(jī)構(gòu)、試樣夾具、電氣控制系統(tǒng)及測(cè)量操作系統(tǒng)[3-4]。2009年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)引進(jìn)了一種重力式落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)落錘沖擊高度較高，可滿足不同要求的檢驗(yàn)任務(wù)，但是該系統(tǒng)對(duì)高度和安裝地點(diǎn)要求比較嚴(yán)格，而一般的試驗(yàn)車間滿足不了此要求。2010年，李振生等[5]發(fā)明了一種高速?zèng)_擊落錘機(jī)，該機(jī)沖擊速度高，效果好，但是該機(jī)每次在使用過程中需要滯空5 min，延長了整個(gè)使用時(shí)間，不利于試樣的快速檢驗(yàn)。

由此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)在短時(shí)間、低高度產(chǎn)生19.8m/s的沖擊速度，便于安裝和操作的室內(nèi)PVC-M管材高速落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)。

1 高速落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

該高速落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)主要由機(jī)身、試樣升降系統(tǒng)、提錘系統(tǒng)、加速度系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)等部分組成。

1.1.1 機(jī)身

機(jī)身是本儀器的支撐主體，由外框架和主體兩部分組成。由于本儀器試驗(yàn)要求的沖擊速度較高，在CJ/T 272——2008《給水用高抗沖改性聚氯乙烯（PVC-M）管材及管件》標(biāo)準(zhǔn)中錘體需從20 m高的位置自由下落沖擊試樣，以此獲得沖擊試驗(yàn)時(shí)所需要的沖擊速度，在此速度下判斷PVC材料的抗沖擊性能，錘體從20m高度自由下落到試樣的沖擊速度約為 19.8m/s。

在以往的高速?zèng)_擊試驗(yàn)中，大都設(shè)計(jì)一個(gè) 20m的試驗(yàn)架[2]，將試驗(yàn)錘體用滑輪提升至20 m高的位置進(jìn)行釋放來實(shí)現(xiàn)對(duì)管材的沖擊試驗(yàn)，這個(gè)高度對(duì)于試驗(yàn)儀器來說過于高大，試驗(yàn)人員操作不便，且儀器的生產(chǎn)、加工、安裝和調(diào)試都難以進(jìn)行。本文充分考慮儀器的工藝性、實(shí)用性，用一個(gè)具有高精度的加速度產(chǎn)生裝置，使錘體在較低的高度也能達(dá)到試驗(yàn)所需要的高速?zèng)_擊效果。將沖擊高度定為3 m，加速度裝置的總高度為3.14 m，所以機(jī)身框架的高度根據(jù)各種要求和綜合考量確定為6.5m左右，框架采用三角支架結(jié)構(gòu)可提高機(jī)身的穩(wěn)定性，裝有階梯形支架以滿足使用和維護(hù)的要求。

機(jī)身的另一部分是主體，主體的組成有升降系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)、上下板等。主體結(jié)構(gòu)部分質(zhì)量在1000kg左右，主要是為降低試驗(yàn)機(jī)的重心，使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定并滿足安全需要。

圖1 設(shè)備裝配圖

1.1.2 試樣升降系統(tǒng)

本機(jī)中試樣放置部分采用可升降結(jié)構(gòu)，因試樣規(guī)格較多，外徑為110～630 mm，為滿足不同試樣的裝夾需要，設(shè)計(jì)了可升降的工作臺(tái)并采用V形支座支撐試樣以保證其穩(wěn)固。工作臺(tái)的移動(dòng)行程為650mm，滿足了直徑在630mm以內(nèi)管材的裝夾。升降系統(tǒng)由齒輪減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過鏈輪帶動(dòng)梯形絲杠使升降臺(tái)、支撐V型試樣座連同試樣一起移動(dòng)并壓緊試樣。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，這些部件要承受很大的沖擊力，所以在設(shè)計(jì)中對(duì)各個(gè)零件的受力情況進(jìn)行了分析計(jì)算，其中放置試樣的移動(dòng)板是本系統(tǒng)承載較大的部分，承受的沖擊能量最大約為5880.6J。

由于支撐板的跨距大，試樣抗彎曲性能要求高，在支撐板的設(shè)計(jì)上采用了抗彎曲變形較好的多T形結(jié)構(gòu)，提高了支撐板的抗彎曲性能。另外在移動(dòng)系統(tǒng)中為保證試樣升降平穩(wěn)和承載能力，對(duì)電機(jī)的選用、絲杠的承載能力、工作臺(tái)的最大負(fù)載、升降速度等各部分進(jìn)行了確定，其中：升降電機(jī)功率為400W，工作臺(tái)承受的最大靜載荷為400kg，絲杠螺距為12mm，減速電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為30 r/min，絲杠的線速度為360m/s，可滿足人機(jī)工程學(xué)的理論要求[6]。

1.1.3 提錘系統(tǒng)

現(xiàn)有的落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)的提錘結(jié)構(gòu)大部分采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)[7-8]。標(biāo)準(zhǔn)CJ/T 272——2008中規(guī)定錘體的規(guī)格共有5種，為10～30 kg[1]，錘體體積較大也較重，試驗(yàn)機(jī)錘體的提升高度為3 m，為方便使用，設(shè)計(jì)了一套靈活的提錘系統(tǒng)，錘體提升采用交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過輪組使錘體提升吸錘裝置，吸錘采用吸盤式電磁鐵，自動(dòng)釋放、高度由操作者任意設(shè)定，一方面高度定位準(zhǔn)確，另一方面采用了精密的電器控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)提錘、定位和釋放各環(huán)節(jié)的一系列動(dòng)作。

1.1.4 加速度系統(tǒng)

本系統(tǒng)是本儀器的核心部分，它采用了高速液壓彈射的方式，本產(chǎn)品的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是加速度產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)和制作。陶小軍[9]曾報(bào)道一種高速液壓彈射實(shí)驗(yàn)裝置，它采用了多級(jí)同步液壓缸的形式來獲得較高的沖擊速度，采用這種方法加工難度大，密封困難。本試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)同樣采用該高速液壓彈射的方式，借助液壓缸的能量?jī)?chǔ)備，采用控制油壓的壓力及流量的方式使活塞桿瞬間產(chǎn)生極大的推力和加速度，通過短距離的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了沖擊錘體時(shí)所需的高速，從而推動(dòng)錘體以規(guī)定的速度沖擊試樣，通過多級(jí)控制最終獲得沖擊試樣所需要的19.8 m/s的沖擊速度，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)目的。由于將沖擊高度定為3m，所以試驗(yàn)時(shí)錘體所具有的初始速度為18.3m/s。

為讓加速度裝置在短時(shí)間、短距離達(dá)到這個(gè)高速，采用大流量高響應(yīng)電液伺服閥為核心控制元件，配合小直徑短行程油缸實(shí)現(xiàn)快速加載。考慮到系統(tǒng)加載時(shí)間短、實(shí)際消耗流量小，采用小流量泵站配合蓄能器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供油，如圖2所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)操作過程

開啟試驗(yàn)機(jī)，將狀態(tài)調(diào)節(jié)好的試樣放入V型支座上，初始狀態(tài)油缸縮回，錘體通過提錘機(jī)構(gòu)提起，并置于油缸活塞端面下方；試驗(yàn)時(shí)按下控制系統(tǒng)啟動(dòng)按鈕，伺服閥信號(hào)達(dá)最大值，油缸活塞動(dòng)作，并頂著油缸中工件迅速下降，工件達(dá)到預(yù)定速度或接近最大行程后，工件沖擊已經(jīng)提起的錘體，錘體加速運(yùn)動(dòng)沖擊試樣。

2.2 試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果

在本試驗(yàn)系統(tǒng)搭建完成后，對(duì)外徑110～630mm的PVC-M管材試樣進(jìn)行了大量高速?zèng)_擊試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行正常、平穩(wěn)，操作過程簡(jiǎn)便，結(jié)果準(zhǔn)確。

3 結(jié)束語

本文中高速落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)是國內(nèi)第一臺(tái)室內(nèi)用于對(duì)抗沖改性聚氯乙烯（PVC-M）管材高速?zèng)_擊試驗(yàn)的檢測(cè)設(shè)備。試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)過充分論證及制造、安裝和調(diào)試，安全運(yùn)行數(shù)次無故障，設(shè)備沖擊距離短，機(jī)械性能準(zhǔn)確、穩(wěn)定，操作方便，能自動(dòng)提錘、自動(dòng)定制沖擊高度。整體采用電氣控制，其運(yùn)行能更精準(zhǔn)的完成沖擊試驗(yàn)。機(jī)體的加速度系統(tǒng)中安裝有加速度裝置，裝置采用高速液壓彈射技術(shù)，完全滿足對(duì)PVC-M管材高速?zèng)_擊試驗(yàn)的要求。本試驗(yàn)機(jī)節(jié)省了場(chǎng)地，提高了試驗(yàn)室空間利用效率，給PVC-M塑料管道的研究、生產(chǎn)、檢驗(yàn)部門提供了方便。

[1]CJ/T 272—2008給水用高抗沖改性聚氯乙烯（PVC-M）管材及管件[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

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