基于安全自鎖的扇形結(jié)構(gòu)的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)安全銷系統(tǒng)研究*

王貴勇，朱林茂，祝鐵柱，王海舟，王 蓬，趙 雷，李冬玲

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司,北京 100081)

0 引 言

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)是一種用來對(duì)材料進(jìn)行沖擊的力學(xué)性能測(cè)試儀器[1]，主要測(cè)定金屬材料在動(dòng)負(fù)荷下抵抗沖擊性能的大小[2]。在沖擊試驗(yàn)過程中，沖擊試樣被沖斷后斷塊飛出,會(huì)對(duì)試驗(yàn)人員的安全構(gòu)成威脅[3]，其安全性是必須首先考慮的問題[4]。沖擊試驗(yàn)的危險(xiǎn)性一方面來自試驗(yàn)時(shí)沖擊試樣被沖斷后，斷塊飛出對(duì)試驗(yàn)人員的安全構(gòu)成的威脅，另一方面來自試樣放置操作過程中擺錘意外釋放對(duì)試驗(yàn)人員造成的威脅。

針對(duì)擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的安全防護(hù)問題，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)明確要求，試驗(yàn)機(jī)應(yīng)有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)裝置[5-6]；美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也明確指出，沖擊試驗(yàn)機(jī)應(yīng)采取安全預(yù)防措施，以保護(hù)人員免受擺錘擺動(dòng)、試樣碎片、樣品加溫和冷卻介質(zhì)潛在的相關(guān)危險(xiǎn)[7-8]。沖擊試驗(yàn)機(jī)安全防護(hù)裝置的重要性顯而易見。

經(jīng)調(diào)研，針對(duì)沖擊試驗(yàn)機(jī)的安全防護(hù)，國(guó)內(nèi)外沖擊試驗(yàn)機(jī)廠家主要采取全封閉防護(hù)罩、電氣互鎖及彈出式安全銷等措施。封閉式防護(hù)罩及其電氣互鎖裝置雖然可以防止斷裂試樣飛濺及試驗(yàn)人員在試驗(yàn)時(shí)進(jìn)入試驗(yàn)機(jī)內(nèi)部，能夠?qū)υ囼?yàn)人員及周圍人員起到一定的安全防護(hù)作用，但是對(duì)試驗(yàn)人員的保護(hù)作用卻有限，尤其是試驗(yàn)人員在放置試樣時(shí)如果擺錘釋放就會(huì)對(duì)試驗(yàn)人員及設(shè)備造成傷害，彈出式安全銷雖然可以有效阻止擺錘意外釋放對(duì)試驗(yàn)人員及設(shè)備造成傷害，但是彈出式安全銷也有其自身結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)，即安全銷被擺錘撞擊之后，容易彎曲，導(dǎo)致安全銷不能彈出，只能重新更換零件才能繼續(xù)工作。因此，研究一種既能有效阻止擺錘意外釋放又能抗擊擺錘撞擊的安全銷系統(tǒng)顯得十分必要。

NI500擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)現(xiàn)有的安全防護(hù)裝置為全封閉式防護(hù)罩及彈出式安全銷防護(hù)，本研究將在其現(xiàn)有安全防護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電氣改進(jìn)，研究一種既能有效阻止擺錘意外釋放又能承受擺錘反復(fù)撞擊的安全銷系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NI500擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)主機(jī)及彈出式安全銷示意圖如圖1所示。

圖1 NI500擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)主機(jī)及彈出式安全銷示意圖

試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)主要由主機(jī)機(jī)架、擺錘、彈出式安全銷系統(tǒng)、試樣打擊中心及試樣回收傳送帶系統(tǒng)等組成。

本研究基于前述彈出式安全銷的不足，設(shè)計(jì)了一種基于安全自鎖的扇形結(jié)構(gòu)的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)安全銷系統(tǒng)，采用商業(yè)軟件SolidWorks對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

扇形結(jié)構(gòu)安全銷示意圖如圖2所示。

圖2 扇形結(jié)構(gòu)安全銷示意圖1—支撐板；2—底座；3—扇形結(jié)構(gòu)安全銷；4—光電開關(guān)；5—光電開關(guān)支架；6—限位板；7—電機(jī)固定座；8—主軸；9—步進(jìn)電機(jī)

安全銷截面采用扇形結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。安全銷系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)固定座、扇形結(jié)構(gòu)安全銷、底座、光電開關(guān)及限位裝置等組成。

底座由金屬加工而成，底座上有軸承孔及螺釘固定孔，中間的凹槽狀結(jié)構(gòu)可以使扇形結(jié)構(gòu)安全銷在凹槽內(nèi)來回旋轉(zhuǎn)。底座通過螺栓與沖擊試驗(yàn)機(jī)主機(jī)連接。

安全銷安裝到主軸上，步進(jìn)電機(jī)通過電機(jī)固定座安裝到底座上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸帶動(dòng)扇形結(jié)構(gòu)安全銷作向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

支撐板安裝到底座的下側(cè)，用于支撐閉合狀態(tài)下的扇形結(jié)構(gòu)安全銷。限位板安裝到主機(jī)底座的上側(cè)，光電開關(guān)支架與限位板通過螺栓連接，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)安全銷打開時(shí)，安全銷旋轉(zhuǎn)到光電開關(guān)附近，安裝到光電開關(guān)支架上的光電開關(guān)檢測(cè)到安全銷靠近的信號(hào)，并向電機(jī)發(fā)送停止指令，此時(shí)安全銷保持不動(dòng)，處于打開狀態(tài)。

扇形結(jié)構(gòu)安全銷阻止擺錘釋放示意圖如圖3所示。

圖3 扇形結(jié)構(gòu)安全銷阻止擺錘釋放示意圖

扇形結(jié)構(gòu)安全銷系統(tǒng)的工作原理為：在閉合狀態(tài)，即不給安全銷任何工作指令的情況下，扇形結(jié)構(gòu)安全銷因自重回到支撐板上。在該狀態(tài)下，如果擺錘從沖擊初始位置釋放，扇形結(jié)構(gòu)安全銷將把擺錘的擺桿接住，阻止其下落。當(dāng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，扇形結(jié)構(gòu)安全銷在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下向上旋轉(zhuǎn)到光電限位開關(guān)附近并停止。沖擊試驗(yàn)過程結(jié)束，當(dāng)試驗(yàn)機(jī)擺錘回到初始位置后，步進(jìn)電機(jī)斷電，扇形結(jié)構(gòu)安全銷將自動(dòng)回到支撐板上。

扇形安全銷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：采用了獨(dú)特的扇形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其擁有更強(qiáng)的抗擺桿撞擊能力。相對(duì)于前述的彈出式安全銷，在沖擊試驗(yàn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)不變的情況下，扇形結(jié)構(gòu)的安全銷降低了擺錘擺桿與安全銷接觸面之間的距離，即降低了擺錘釋放時(shí)與安全銷撞擊時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能，可以較大程度地降低擺桿與安全銷撞擊時(shí)對(duì)彼此造成的損傷。同時(shí)，由于扇形結(jié)構(gòu)安全銷的運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)擺錘在試驗(yàn)機(jī)上來回?cái)[動(dòng)時(shí)，如果擺錘的擺動(dòng)幅度足夠高，擺錘擺桿可能會(huì)與扇形結(jié)構(gòu)安全銷的下端面碰撞接觸，此時(shí)，如果是彈出式安全銷結(jié)構(gòu)，一旦安全銷被擺錘擺桿撞擊，巨大的沖擊能量可能會(huì)造成彈出式安全銷彎曲，導(dǎo)致彈出式安全銷不能正常工作。而扇形結(jié)構(gòu)安全銷旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的工作方式可以很好地解決這一問題，即當(dāng)擺錘擺桿與扇形結(jié)構(gòu)安全銷下端面碰撞接觸時(shí)，扇形結(jié)構(gòu)安全銷將做向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將碰撞產(chǎn)生的能量給卸掉，不會(huì)對(duì)安全銷造成任何傷害，同時(shí)也避免了撞擊對(duì)擺桿的損傷。

受力分析：擺錘擺桿和扇形安全銷采用的材質(zhì)均為45號(hào)鋼，其彈性模量：210 GPa，泊松比：0.3，屈服強(qiáng)度不小于355 MPa。擺錘從初始位置(仰角150°)釋放，撞擊扇形安全銷，擺錘擺桿與扇形安全銷支撐面接觸時(shí)的沖擊合力為998 N，在ANSYS軟件中對(duì)碰撞情況進(jìn)行模擬分析，網(wǎng)格劃分采用四面體結(jié)構(gòu)，接觸時(shí)間為0.1 s。

擺錘擺桿撞擊扇形安全銷模擬分析圖如圖4所示。

圖4 擺錘擺桿撞擊扇形安全銷模擬分析圖

從圖4中可以看出：撞擊過程中最大的應(yīng)力為143 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度355 MPa；撞擊過程中安全銷的最大位移變形約為0.089 mm。

綜上所述，結(jié)合45號(hào)的材料特性可知，撞擊過程中扇形安全銷產(chǎn)生的應(yīng)變屬于材料彈性階段的變形，當(dāng)擺錘擺桿離開后安全銷的位移變形將恢復(fù)到原始狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

擺錘舉擺步驟示意圖如圖5所示。

沖擊試驗(yàn)開始前，擺錘通常處于垂直位置，因此進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，需要將擺錘從垂直位置舉到?jīng)_擊初始位置。

擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的沖擊試驗(yàn)過程邏輯圖如圖6所示。

圖5 擺錘舉擺步驟示意圖

圖6 沖擊試驗(yàn)過程邏輯圖

其原理為：首次進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，需要把擺錘從垂直位置向上舉擺到?jīng)_擊初始位置。扇形結(jié)構(gòu)安全銷在不給電、擺錘處于沖擊初始位置及防護(hù)罩門打開的情況下，均處于閉合狀態(tài)。因此擺錘從垂直狀態(tài)向上舉擺之前，控制系統(tǒng)需要向安全銷發(fā)送指令讓其打開，然后擺錘在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下從垂直狀態(tài)向上舉擺，到達(dá)沖擊初始位置，之后安全銷閉合，開啟保護(hù)作用。此時(shí)試驗(yàn)人員可以進(jìn)行放置試樣、關(guān)閉防護(hù)罩門等沖擊試驗(yàn)準(zhǔn)備。沖擊試驗(yàn)準(zhǔn)備結(jié)束后，準(zhǔn)備進(jìn)行沖擊試驗(yàn)時(shí)，需要將安全銷打開，然后擺錘釋放進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后擺錘在電機(jī)的帶動(dòng)下再次回到?jīng)_擊初始位置，之后安全銷閉合，開啟安全保護(hù)作用。如果需要繼續(xù)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，則返回到?jīng)_擊試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，進(jìn)行下一次的沖擊試驗(yàn)準(zhǔn)備。如果不需要繼續(xù)試驗(yàn)，則將擺錘放到垂直位置并結(jié)束整個(gè)試驗(yàn)。

為提高安全銷系統(tǒng)的可靠性和安全防護(hù)性，筆者在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)安全銷系統(tǒng)進(jìn)行了安全自鎖設(shè)計(jì)，即安全銷系統(tǒng)與防護(hù)罩門的電氣互鎖設(shè)計(jì)及安全銷系統(tǒng)自身的自鎖設(shè)計(jì)。

安全銷系統(tǒng)與防護(hù)罩門的電氣互鎖設(shè)計(jì)中，如果安全銷系統(tǒng)通過安裝到防護(hù)罩門上的傳感器檢測(cè)到防護(hù)罩門沒有關(guān)閉或者關(guān)閉不到位，在實(shí)驗(yàn)人員執(zhí)行安全銷打開命令時(shí)，安全銷系統(tǒng)將拒絕打開安全銷，試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)檢測(cè)到安全銷拒絕打開的指令后，將不再執(zhí)行下一步操作指令。

安全銷系統(tǒng)自身的自鎖設(shè)計(jì)中，考慮了兩種情況，一是如果試驗(yàn)機(jī)處于待機(jī)或者斷電狀態(tài)，扇形安全銷在自身重力作用下始終處于閉合狀態(tài)；二是在試驗(yàn)操作中，只要試驗(yàn)人員不執(zhí)行安全銷打開指令，則扇形安全銷也始終處于閉合狀態(tài)，即開啟防護(hù)作用。

由于扇形結(jié)構(gòu)安全銷采用上述安全自鎖設(shè)計(jì)，在試驗(yàn)操作中，試驗(yàn)人員向安全銷系統(tǒng)發(fā)送打開的命令時(shí)，如果安全銷沒有打開，則需要檢查防護(hù)罩門是否關(guān)閉到位，或者試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)是否處于通電狀態(tài)。

任何情況下，在不給安全銷系統(tǒng)指令的情況下，扇形結(jié)構(gòu)安全銷始終處于閉合狀態(tài)，此時(shí)如果擺錘從沖擊初始位置落下，閉合狀態(tài)下的扇形安全銷將會(huì)把擺錘接住，阻止其繼續(xù)下落，達(dá)到保護(hù)試驗(yàn)人員及相關(guān)設(shè)備的目的。在給安全銷系統(tǒng)指令的情況下，扇形結(jié)構(gòu)安全銷在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下向上旋轉(zhuǎn)打開，到達(dá)指定位置后停下。在擺錘進(jìn)行大角度擺動(dòng)測(cè)試中，即使擺桿與扇形結(jié)構(gòu)安全銷發(fā)生接觸碰撞，扇形結(jié)構(gòu)安全銷將在擺錘作用下作向上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將碰撞產(chǎn)生的能量卸掉，因此不會(huì)對(duì)安全銷造成傷害，同時(shí)也保護(hù)了沖擊對(duì)擺桿的損傷。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

扇形安全銷與彈出式安全銷破壞性撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

“中國(guó)特色社會(huì)主義文化，源自于中華民族五千多年文明歷史所孕育的中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，熔鑄于黨領(lǐng)導(dǎo)人民在革命、建設(shè)、改革中創(chuàng)造的革命文化和社會(huì)主義先進(jìn)文化，植根于中國(guó)特色社會(huì)主義偉大實(shí)踐?！盵2]由此可見，中國(guó)特色社會(huì)主義文化涵蓋中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、革命文化和社會(huì)主義先進(jìn)文化。

表1 扇形安全銷與彈出式安全銷破壞性撞擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1中可以看出：在相同的試驗(yàn)條件下，擺錘向下撞擊安全銷時(shí)，彈出式安全銷經(jīng)過56次的撞擊之后，就會(huì)發(fā)生彎曲導(dǎo)致無法工作，而扇形結(jié)構(gòu)安全銷經(jīng)過312次的撞擊后，除了與擺桿的接觸面有一點(diǎn)輕微損傷外，安全銷并沒有發(fā)生明顯的變形，依然能夠正常工作；擺錘向上撞擊安全銷時(shí)，彈出式安全銷經(jīng)過72次的撞擊之后就會(huì)發(fā)生彎曲導(dǎo)致無法工作，而扇形結(jié)構(gòu)安全銷由于其工作結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在被擺錘500次撞擊后，并沒有發(fā)生明顯損傷和變形。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，扇形結(jié)構(gòu)安全銷系統(tǒng)能夠?qū)[錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)擺錘的意外釋放起到很好的阻止作用，能夠有效避免擺錘因?yàn)檎`操作或其他原因意外釋放對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員及設(shè)備帶來的安全隱患。

自鎖系統(tǒng)試驗(yàn)表明，當(dāng)任一防護(hù)罩門處于打開狀態(tài)或關(guān)閉不到位時(shí)，扇形安全銷處于安全防護(hù)狀態(tài)，此時(shí)，試驗(yàn)機(jī)的一切沖擊試驗(yàn)操作將被禁止。

為驗(yàn)證集成了扇形結(jié)構(gòu)安全銷系統(tǒng)及安全自鎖功能的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，本研究進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)樣品沖擊能量對(duì)比試驗(yàn)。進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)樣品沖擊能量對(duì)比時(shí)，選擇了低能量級(jí)(27.9 J)、中能量級(jí)(81.7 J)、高能量級(jí)(127.8 J)及超高能量級(jí)(234.9 J)的標(biāo)準(zhǔn)樣品，采用錘刃半徑為R2的沖擊刀對(duì)每個(gè)能量級(jí)的樣品進(jìn)行3次沖擊試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)樣品沖擊試驗(yàn)?zāi)芰繉?duì)比如表2所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)樣品沖擊試驗(yàn)?zāi)芰繉?duì)比

從表中2可以看出：沖擊能量的示值結(jié)果均在標(biāo)準(zhǔn)樣品的能量誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

研究結(jié)果表明，基于安全自鎖功能的扇形結(jié)構(gòu)安全銷系統(tǒng)不僅能有效阻止擺錘的意外釋放，也能有效承受擺錘的反復(fù)撞擊，且集成了該安全銷系統(tǒng)的擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)性能穩(wěn)定，在提高整機(jī)安全防護(hù)性能的同時(shí)，也提高了整機(jī)的使用壽命。

相關(guān)研究成果已應(yīng)用到鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)的生產(chǎn)當(dāng)中，可為沖擊試驗(yàn)機(jī)的安全防護(hù)提供設(shè)計(jì)參考。