膳魔師(江蘇)家庭制品有限公司 江蘇淮安 223010

1 研制背景

塑料產(chǎn)品在日常生產(chǎn)生活中有極大的需求量,對(duì)塑料產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試,使其強(qiáng)度達(dá)到一定的要求,以滿足生產(chǎn)生活所需，非常有必要[1]。目前,常采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和電磁吸合落球沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)塑料進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試,但均無法解決由于塑料產(chǎn)品彈性變形而造成的對(duì)沖擊體的反彈,進(jìn)而形成二次甚至多次自由落體反復(fù)沖擊,使測(cè)試結(jié)果不準(zhǔn)確。對(duì)此，筆者結(jié)合實(shí)際工作中出現(xiàn)的問題,研制一種有效防止反復(fù)沖擊的垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)思路,整機(jī)由基本框架模塊、測(cè)量機(jī)構(gòu)模塊、沖擊機(jī)構(gòu)模塊、快速夾具模塊組成,如圖1所示?；究蚣苣K由底板、支撐柱、導(dǎo)向軸座、導(dǎo)向軸、蓋板、定板組成。測(cè)量機(jī)構(gòu)模塊由膠頭螺釘、刻度牌、測(cè)板、槽條連接件組成,可針對(duì)塑料產(chǎn)品不同的高度,建立相對(duì)基準(zhǔn)。沖擊機(jī)構(gòu)模塊由沖擊體機(jī)構(gòu)和慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)組成，沖擊體機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)塑料產(chǎn)品施加沖擊力,慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)確保沖擊體機(jī)構(gòu)只對(duì)塑料產(chǎn)品施加一次沖擊力?？焖賷A具模塊由夾具體和強(qiáng)磁組成,通過磁力固定,實(shí)現(xiàn)快速夾取功能。

2.2 力學(xué)原理與計(jì)算

垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,由此產(chǎn)

▲圖1 垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

生沖擊力。試驗(yàn)時(shí)，將沖擊體機(jī)構(gòu)提升到一定高度并保持,產(chǎn)生重力勢(shì)能,之后撤銷對(duì)沖擊體機(jī)構(gòu)高度的保持,使其自由落體產(chǎn)生沖擊力[2-5]。

重力勢(shì)能E為:

E=mgh=mv2/2

(1)

式中:m為沖擊體機(jī)構(gòu)質(zhì)量;g為重力加速度;h為沖擊體機(jī)構(gòu)高度;v為沖擊物體時(shí)的速度。

由式(1)可以得到?jīng)_擊體機(jī)構(gòu)中沖頭沖擊塑料產(chǎn)品時(shí)的速度v為：

(2)

動(dòng)量定理公式為:

Ft=mv

(3)

式中:F為沖擊力;t為沖擊力作用在塑料產(chǎn)品上的沖擊時(shí)間。

由式(1)、式(3)可以得到?jīng)_擊力F為：

(4)

由于沖擊時(shí)間極短,重力加速度為固定值,沖擊體機(jī)構(gòu)質(zhì)量為設(shè)定值,因此沖擊體機(jī)構(gòu)高度h與沖擊力F成正比關(guān)系,即沖擊高度越高，沖擊力越大；反之，沖擊力則越小。

在保證導(dǎo)向軸豎直的情況下,沖擊體機(jī)構(gòu)自由落體與導(dǎo)向軸產(chǎn)生的摩擦力f1與空氣阻力f2使沖擊力的實(shí)際值F1小于沖擊力的理論值。為修正F1，使其等于F,在提升沖擊體機(jī)構(gòu)時(shí)，需要在理論高度h1的基礎(chǔ)上增加一定的高度Δh,即修正后的實(shí)際沖擊機(jī)構(gòu)高度h為h1+Δh,增加的高度部分產(chǎn)生的沖擊力用于抵消摩擦力和空氣阻力,提高沖擊力的精度。于是有：

(5)

沖頭沖擊面的大小對(duì)塑料產(chǎn)品的耐沖擊性評(píng)估有直接影響,根據(jù)壓強(qiáng)定理可得到?jīng)_擊面面積S和沖擊力F、壓強(qiáng)p的關(guān)系為：

p=F/S

(6)

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求，設(shè)定沖擊面面積,可以判定塑料產(chǎn)品的強(qiáng)度是否合格。

2.3 慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)

慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)利用慣性是物體的固有屬性這一特點(diǎn),通過慣性來觸發(fā)鎖止機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)[6-9]。推動(dòng)撥手壓實(shí)彈簧,向上提起撥銷至止扣上表面貼合定軸后保持。慢松撥手,彈簧推動(dòng)撥手直到與止扣接觸面貼合,撥手與止扣在彈簧推力下處于穩(wěn)定狀態(tài)。慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

▲圖2 慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)

慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)固定在沖擊機(jī)構(gòu)模塊的載板上,當(dāng)沖擊體機(jī)構(gòu)作自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí),慣性使彈簧、撥手、止扣處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)沖頭接觸到塑料產(chǎn)品釋放沖擊力時(shí),速度在極短時(shí)間內(nèi)降為0,此時(shí)止扣由于本身慣性作用力大于彈簧施加在撥手和止扣觸合面的壓力,下落被強(qiáng)磁吸住。在止扣離開撥手后,彈簧推動(dòng)撥手及定軸移動(dòng)。在沖頭釋放完沖擊力，塑料產(chǎn)品吸收、轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥宰冃畏醋饔糜跊_頭后,沖擊體機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng),沖頭離開塑料產(chǎn)品。同時(shí)，定軸繼續(xù)由彈簧推動(dòng)，直至插入定板的孔中,完成一次沖擊。最終鎖止沖擊體機(jī)構(gòu),達(dá)到一次沖擊效果。

2.4 相對(duì)基準(zhǔn)設(shè)定

由式(3)可知,在設(shè)定對(duì)一個(gè)塑料產(chǎn)品的沖擊力之前,需要確定沖擊體機(jī)構(gòu)的高度。塑料產(chǎn)品的高度各異,需要設(shè)定相對(duì)基準(zhǔn)，如圖3所示。圖3中，Q、R為塑料產(chǎn)品。當(dāng)h1等于h2時(shí),兩個(gè)塑料產(chǎn)品被施加的沖擊力相等，但沖頭至底板的距離x不等于y,則不同高度的塑料產(chǎn)品要獲得相等的沖擊力，需要設(shè)定不同的沖擊高度。

通常情況下,刻度牌上沖擊力的表征從底板起始向上。以塑料產(chǎn)品Q為例，需在刻度牌上扣除產(chǎn)品自身高度b,再以b為基點(diǎn),根據(jù)需要的沖擊力計(jì)算出h1的高度,得到的d點(diǎn)即為沖擊高度。同樣，塑料產(chǎn)品R也可以得到?jīng)_擊高度c。由于產(chǎn)品Q和產(chǎn)品R自身高度不同,因此需要重新在刻度牌上進(jìn)行標(biāo)定。這種操作煩瑣復(fù)雜，并且容易出錯(cuò)。

為解決上述問題,設(shè)定一種相對(duì)基準(zhǔn),在塑料產(chǎn)品的待沖擊面上建立基準(zhǔn)零點(diǎn),避開產(chǎn)品的自身高度,在相對(duì)基準(zhǔn)上設(shè)定通用的沖擊力表征，將刻度牌移動(dòng)至底部零點(diǎn)與塑料產(chǎn)品Q的待沖擊面對(duì)齊后固定,向上移動(dòng)沖頭至與刻度牌上需要的沖擊力表征對(duì)齊,如j點(diǎn)。塑料產(chǎn)品R可以采用相同的操作。通過對(duì)沖擊體機(jī)構(gòu)質(zhì)量和沖擊時(shí)間進(jìn)行設(shè)定,在刻度牌上建立一系列沖擊力與高度的對(duì)應(yīng)值,使操作變得簡(jiǎn)單。

3 操作方法

在測(cè)板的正下方底板上表面放置塑料產(chǎn)品,擰松刻度牌上的兩個(gè)膠頭螺釘,使測(cè)板落放在塑料產(chǎn)品待沖擊面上。旋緊膠頭螺釘,完成基準(zhǔn)定位工作。單手拇指撥動(dòng)撥手，向壓縮彈簧方向移動(dòng)壓實(shí)彈簧后,食指向上抬起撥銷，至止扣上表面與定軸接觸后，食指不動(dòng)。拇指松開撥手,彈簧彈力推動(dòng)撥手頂住止扣后，食指松開,完成慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)開啟。將塑料產(chǎn)品的位置調(diào)整至底板上表面中心處，若需要,用快速夾具限定。雙手抬起載板,目視沖擊體機(jī)構(gòu)載板與左邊刻度牌相應(yīng)沖擊力表征對(duì)齊。雙手松開,使沖擊體機(jī)構(gòu)自由落體,沖頭沖擊底板上面的塑料產(chǎn)品。在沖頭完成沖擊的過程中,慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)觸發(fā)。在沖擊體機(jī)構(gòu)因塑料產(chǎn)品彈性變形作用而向上運(yùn)動(dòng)時(shí),慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)同步工作。定軸在彈簧彈力推動(dòng)下進(jìn)入定板上的孔,完成對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)的鎖止固定,不再?zèng)_擊塑料產(chǎn)品,塑料產(chǎn)品的強(qiáng)度測(cè)試完成。強(qiáng)度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

▲圖4 塑料產(chǎn)品強(qiáng)度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

4 規(guī)格校驗(yàn)

由于振動(dòng)、磨損、老化等原因,會(huì)使垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)得的塑料產(chǎn)品耐沖擊力強(qiáng)度實(shí)際值和理論值出現(xiàn)一定范圍內(nèi)的偏差,對(duì)此需要采用一定的方法對(duì)垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行規(guī)格校驗(yàn),以確保沖擊力的準(zhǔn)確性。規(guī)格校驗(yàn)步驟如圖5所示。

▲圖5 規(guī)格校驗(yàn)步驟

將沖擊力傳感器放入測(cè)量機(jī)構(gòu)模塊下,確定規(guī)格基準(zhǔn),而后放入沖擊頭正下方固定好。提升沖擊體機(jī)構(gòu)至需校驗(yàn)規(guī)格值后，釋放沖擊體機(jī)構(gòu),使沖擊體機(jī)構(gòu)自由落體沖擊傳感器。傳感器將沖擊力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，傳輸至信號(hào)放大器。由信號(hào)放大器將電信號(hào)放大后，傳輸至信號(hào)采集卡。信號(hào)采集卡將采集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),經(jīng)通用串行總線接口傳輸至計(jì)算機(jī)端軟件，經(jīng)處理后顯示沖擊力值與沖擊時(shí)間的曲線圖像。將軟件顯示的沖擊力與需校驗(yàn)的規(guī)格進(jìn)行比較,確認(rèn)偏差是否在規(guī)定范圍內(nèi)[10-12]。

5 結(jié)束語

垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)的測(cè)量機(jī)構(gòu)模塊采用相對(duì)基準(zhǔn)，可適用于不同高度、不同大小的塑料產(chǎn)品,完成沖擊力基準(zhǔn)設(shè)定?？焖賷A具模塊利用磁力吸附,可快速固定塑料產(chǎn)品,方便試驗(yàn)和夾取。慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)利用物體固有慣性的特點(diǎn),通過自由落體與彈性變形創(chuàng)造適當(dāng)?shù)臈l件,基于慣性自動(dòng)觸發(fā)鎖止機(jī)構(gòu),達(dá)到一次沖擊的效果。采用傳感器進(jìn)行規(guī)格校驗(yàn),使垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)保持較高的精度。

垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)彌補(bǔ)了擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)和電磁吸合落球沖擊試驗(yàn)機(jī)的不足,同時(shí)簡(jiǎn)化了沖擊方式。采用模塊化設(shè)計(jì),架構(gòu)簡(jiǎn)明,安裝調(diào)試簡(jiǎn)便,維護(hù)簡(jiǎn)單,性能可靠,試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確。在實(shí)際生產(chǎn)使用中,有效提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率,并提高了產(chǎn)品合格率,為公司節(jié)約了一定的人力物力,提升了產(chǎn)品品質(zhì)。