拉伸試驗儀的智能保護控制罩設計與研究★

黃雅琴，齊曉慧，劉永杰，鄭澤浩，向金晶

(南華大學土木工程學院,湖南 衡陽 421001)

1 研究背景

拉伸試驗儀在測試材料力學性能方面有著至關重要的作用，被廣泛應用于教學。然而，現(xiàn)有的大多數(shù)拉伸試驗儀忽視了實驗過程中可能存在的安全問題，比如未考慮防護裝置的設置，因而極易出現(xiàn)安全問題。本研究考慮到拉伸試驗儀作為教學用具的特殊性，因此，設計一種安全系數(shù)高、適用于教學的防護裝置勢在必行。胡旭林[1]在其關于萬能材料實驗機防護罩的專利中提出了圓形金屬網(wǎng)罩的防護。胡偉萍、胡鳳英[2]在具有安全防護以及噪聲隔離工程的拉伸試驗機一文中采用了聚碳酸酯材料板和柱子圍成全封閉的擋板。雖然上述研究對拉伸試驗儀的防護功能進行了改進，提高了拉伸試驗儀在使用過程中的安全系數(shù)，但仍存在不便觀察實驗過程和噪聲過大等問題，因而降低了拉伸試驗儀在教學方面的使用性能。此外，以上設計雖然在一定程度上降低了拉伸試驗儀工作時的危險性，但就某些設計而言仍存在安全問題，有很大的改進空間。且現(xiàn)有關于拉伸試驗儀保護罩的大部分研究沒有對拉伸試驗儀的防護性能進行系統(tǒng)性的改進。本研究參考電梯的監(jiān)測裝置[3]，在保護罩內安裝攝像頭，可以清晰地觀察實驗過程，并能對實驗過程進行錄像，應用于多媒體教學，從而能夠大大提高拉伸試驗儀的教學性能。同時，為了能達到更好的防護效果，計劃從根源上降低試件飛濺的可能性，考慮到夾頭與試件之間的受力狀況[4]也很大程度上影響著拉伸試驗儀的準確度[5]，故本設計計劃采用塑膠夾頭[6]增大試件與夾頭之間的面積，使試件在拉伸過程中被夾部分受力面積更加均勻，達到提高試驗準確度的目的，以及降低試件因夾不穩(wěn)而脫落的安全問題的概率。

本研究針對現(xiàn)有拉伸試驗儀的保護罩存在的問題，從提高安全系數(shù)、減少噪聲、便于觀察操作、提高教學性能等方面做出了改進。

2 研究目的與意義

針對未配置防護裝置的拉伸試驗儀，通過改進和創(chuàng)新現(xiàn)有的防護罩，設計一種智能保護控制罩。在滿足其具備基本的安全性能的基礎上，增加降噪、清潔的功能。并考慮其用于教學的特殊性，設計多媒體裝置，便于情景教學，提高課堂教學的效率和質量，增加擴大該保護罩的適用范圍。

2.1 研究目的

在材料力學實驗中，拉伸試驗儀最常用金屬材料及構件的拉伸試驗,也可用于塑料,混凝土,水泥等非金屬材料同類試驗的檢測。因此拉伸材料試驗儀的使用十分廣泛，但試驗儀在使用過程中存在很大的安全隱患，主要體現(xiàn)在試件因為夾固不牢而脫落飛出，此外，在拉伸試驗過程中，由于試件與夾頭之間的摩擦作用，會產(chǎn)生許多碎屑。而長期不清理碎屑會降低實驗精度，夾頭磨損會縮短試驗儀的使用壽命。并且，實驗過程中產(chǎn)生的噪聲會損傷實驗人員聽力。而現(xiàn)今用于試驗的試驗儀往往缺少保護措施或者現(xiàn)存的保護措施不足以解決以上全部問題，故本研究根據(jù)目前試驗儀以及現(xiàn)存保護罩存在的諸多能夠改進的問題做了系統(tǒng)的梳理以及研究，最終設計出集防護、清潔、監(jiān)控、教學功能于一體的智能保護罩。

2.2 研究意義

拉伸試驗儀用于針對各種材料進行儀器設備力學性能試驗用的機械加力的試驗機，故適用范圍很廣泛，主要包括實驗室內實驗人員的研究、教學方面等等。基于以上特質，拉伸試驗儀的安全性以及適用性就十分重要，做出相對應的改進措施迫在眉睫。故本研究針對目前拉伸試驗儀以及防護罩存在的諸多問題所做的在加強防護、減少噪聲方面的改進能大大增強實驗人員使用拉伸試驗儀時的安全，能在將試驗儀用于教學過程中保證首次使用該實驗儀器的人員的安全問題，確保學生更加清晰觀察實驗現(xiàn)象，對實驗現(xiàn)象進行分析，也能在一定程度上保證實驗儀器的清潔，延長試驗儀的使用壽命。材料的拉伸試驗是材料學科最基本的一門試驗，而材料當今已成為國民經(jīng)濟建設、國防建設和人民生活的重要組成部分，保證材料性能研究的精度，確保每一個實驗人員絕對的安全是在研究材料過程中不可缺少的一環(huán)。

3 研究方案

本裝置考慮到現(xiàn)存防護罩的種種問題，計劃能達到防護、監(jiān)控、清潔等目的，故本智能保護控制罩主要由保護實驗人員安全的防護裝置，智能保護升降控制系統(tǒng)和多媒體教學裝置共同構成。其主要增加的功能包括防護、降音、清潔、監(jiān)控、記錄。

防護裝置主要由防護擋板、相適配的智能保護升降控制器和多媒體教學裝置組成。防護擋板的形狀為曲面，材料為鋼化玻璃；智能升降擋板控制器的動力來源為電力驅動，通過與互聯(lián)網(wǎng)相結合，在智能保護控制系統(tǒng)作用下，控制曲面鋼化擋板升降；同時為提高金屬夾頭工作的穩(wěn)定性，不會因夾護試件不牢，而造成試件脫落，對實驗人員的安全造成威脅，于是，在金屬夾頭上鑲上橡膠內墊，以達到降低拉伸試驗過程中試件脫落風險的目的，此外，橡膠內墊可定期更換，延長了金屬夾頭的使用壽命；下夾頭處設有接屑裝置，接屑裝置可靈活拆卸與組裝，接屑盤通過阻擋鐵屑飛濺，收集于固定盤中定期清理，起到對實驗過程中產(chǎn)生鐵屑的清理；為不影響試驗人員的實驗觀察效果，在防護裝置內設有多個攝像頭，用于監(jiān)控并記錄實驗進程，教研過程中內實驗儀器有限，通過將監(jiān)測視頻投入多媒體教學中使用，能提高教學效率，也能解決初次接觸該實驗的實驗人員的潛在安全問題，一旦實驗儀器出現(xiàn)任何安全問題，試驗人員可通過智能保護升降控制系統(tǒng)中的手機端APP遠程終止實驗，并通過攝像頭監(jiān)控得到的視頻進行分析和復盤，在保證試驗人員安全的基礎上提高了教學性能。多媒體教學裝置包括廣角攝像頭、局域無線網(wǎng)及配套系統(tǒng)、音響設備，在智能保護升降控制系統(tǒng)的控制下，教師可通過手機端APP實現(xiàn)遠程教學。

3.1 防護裝置設計

防護裝置設計分為擋板設計和夾頭設計，擋板通過連接互聯(lián)網(wǎng)進行驅動裝置運行控制。擋板不僅能起到防護作用，其表面粘貼的消音材料也能很大程度上起到降噪作用。而夾頭的設計更是從根源上對夾頭與試件的連接進行了加固，通過增大試件與夾頭的摩擦阻力，降低夾頭飛濺的風險。同時，接屑裝置的設計可對拉伸試驗儀進行更好地維護和清潔，延長儀器的使用壽命。

3.1.1 擋板設計

擋板分為前擋板和后擋板，前擋板采用鋼化玻璃，為節(jié)省材料，降低防護罩成本，后防護板可以采用木質擋板。如此既不會全封閉影響實驗觀察，也能降低防護罩成本，適合大規(guī)模使用。

前擋板呈半圓柱曲面形狀，采用曲面鋼化玻璃，前擋板與滑動支座相聯(lián)結，可沿支架上的導軌上下滑動；后擋板呈矩形平面，采用木質擋板，其表面粘貼有消音材料。通過在木質擋板上打孔，用螺釘與試驗機的左右支架固定。首先采用鋼化玻璃能夠達到防護的目的，鋼化玻璃本質是一種預應力玻璃，其自帶的抗壓和抗沖擊的所用能首先抵消表層應力，從而減緩了試件飛濺速度，起到一定的防護效果。其次材料采用鋼化玻璃這種材料能起到一定隔音作用，但也不會完全消音，能在保證實驗效果的基礎上對實驗人員的聽力能起到一定的保護作用。同時鋼化玻璃也是在保證實驗人員安全的基礎上，最便于實驗人員安全觀察實驗現(xiàn)象的最好選材，前后都選用玻璃擋板能夠在教學過程中便于同學觀察實驗變化。最后，前后擋板均可拆卸，便于清洗油垢灰塵。

3.1.2 驅動裝置

驅動裝置由滑動支座、導軌、電機、軟軸、成形軸套和支架機構組成。以電機為動力來源，為保證供電穩(wěn)定，電機采用交流電，同時考慮到松下交流伺服電機具有過流、過壓、過載等保護裝置，性能穩(wěn)定可靠，故采用松下交流電機。至于擋板與驅動裝置的連接，計劃將前擋板固定于滑動支座，電機驅動軟軸運動，軟軸帶動滑動支座沿著導軌運動，前擋板隨支座上下運動，在智能保護升降系統(tǒng)的作用下，實現(xiàn)擋板的升降運動。在電機的蝸輪輸出端裝有一個鏈輪，軟鋼絲的外層有一層可以儲油的植絨，起潤滑作用，一根鋼絲纏繞在由幾根細鋼絲燒成的軟鋼絲上，即為軟軸，軟軸的外輪廓相當于一根鏈條，軟軸裝在成形軸套中，同時與滑動支座相聯(lián)結。支架機構安裝在拉伸試驗儀的左右兩側，上面安有導軌，滑動支座可在導軌上下運動。

3.1.3 夾頭設計

現(xiàn)有的大部分拉伸試驗儀都采用金屬夾頭，且會在夾頭上涂抹潤滑油進行維護。然而，經(jīng)過多次試驗，金屬夾頭與試件之間油污逐漸增多，試件與夾頭之間的摩擦阻力逐漸降低，從而增加試件在實驗過程中逐漸加載脫落飛出的風險，從而降低實驗的安全性能。故本研究考慮到此，設計在金屬夾頭內部鑲上橡膠內墊，以達到增大夾頭與試件接觸部分摩擦阻力的目的，同時也能具有良好的消音、減震的效果。此外，橡膠墊可隨時從夾頭上拆卸下來，方便更換，可以延長拉伸試驗儀夾頭的使用壽命。

3.1.4 接屑裝置設計

接屑裝置由碗狀外殼和圓柱形盤槽組成，碗狀外殼通過螺栓固定在下夾頭下部，圓柱形盤槽與碗裝外殼下側緊密相連。外殼呈光滑半球形狀，通過卡槽與圓柱形槽拼接而成，便于拆卸清洗。接屑裝置總體與下夾頭形成一個緊密的整體，可隨下夾頭移動。在實驗過程中，試件在夾頭的作用下被拉伸，與夾頭的摩擦過程中會產(chǎn)生碎屑。接屑裝置的作用機理主要是在拉伸實驗過程中，產(chǎn)生的鐵屑首先被碗狀外殼阻攔，其次在自重作用下鐵屑向底部滑落，最后匯入圓柱形盤槽。實驗完成后，試驗人員可單獨取出圓柱形盤槽以清除鐵屑。

3.1.5 降噪裝置設計

降噪裝置由復合隔音擋板、不銹鋼限位槽、螺釘組成。復合隔音擋板由雙層多孔木板和吸音材料組成，在木板夾層填充吸音材料。用膠水將復合隔音擋板粘在不銹鋼限位槽上，再用螺釘固定在拉伸試驗機背面的木質擋板上。其作用機理為：木板上有許多微小孔洞和縫隙，提供了聲音進入的通道，同時夾層填有纖維吸音材料，使通道更長更亂，消耗聲音的能量。于是，在拉伸試驗儀的工作過程中，產(chǎn)生的噪聲會進入這些微小孔洞和縫隙，其能量被消耗，從而達到了降噪目的?？紤]到試件斷裂時候的聲音也是拉伸實驗判斷實驗現(xiàn)象的重要依據(jù)，所以該降噪裝置只需要達到降低噪聲、保護人耳的目的，無需完全隔絕聲音，見圖1。

3.2 智能保護升降控制系統(tǒng)

通過拉伸試驗儀保護罩上已有的Wi-Fi模塊功能，將手機“拉伸試驗儀智能保護罩系統(tǒng)”APP與保護罩實時連接。在完成試件安裝后，操作人員按下手機APP界面上的“開始”按鈕，此時，“智能保護控制系統(tǒng)”上的Wi-Fi模塊將接收到來自手機特定的APP信號指示，前擋板上升。當前擋板上升至頂點時，感應器向 “智能保護控制系統(tǒng)” 傳遞信號，擋板停止上升，實驗開始進行。當實驗完成后，操作人員按下手機APP界面上的“結束”按鈕，此時，“拉伸試驗儀智能保護系統(tǒng)”上的Wi-Fi模塊將接收到來自手機特定的APP信號指示，前擋板下降。當前擋板下降至低點，感應器向“智能保護控制系統(tǒng)”傳遞信號，擋板停止下降，實驗結束。

3.3 多媒體教學裝置設計

多媒體教學裝置由廣角攝像頭、局域無線網(wǎng)及配套系統(tǒng)、音響設備和智能保護升降控制系統(tǒng)組成。在試驗儀器內部共布置兩個廣角攝像頭，分別固定于試驗機的左側和后置擋板處，可參照圖1，廣角攝像頭可用于對實驗過程進行監(jiān)測并錄像。整套多媒體系統(tǒng)通過局域無線網(wǎng)及配套系統(tǒng)將攝像頭與手機和電腦相連，利用特定的APP將電腦上的過程曲線圖，以及實驗過程中試件表面的變化以及試驗后試件斷面形狀，發(fā)送到師生的手機上以便與實驗過程以及實驗現(xiàn)象進行比對分析。并將錄像傳輸?shù)绞謾C特定的APP或通過教室投影儀在屏幕上播放，能確保多名實驗人員都能清晰觀察到實驗現(xiàn)象，同時該多媒體設備配置音響設備，方便教師根據(jù)實驗過程進行講解。

4 分析與討論

我們從安全防護、智能控制、多媒體教學這三個方面對拉伸試驗儀的保護罩進行改造和創(chuàng)新。防護裝置的設計包括擋板設計、驅動裝置、夾頭設計、接屑裝置設計和降噪裝置設計。以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，在保護罩內安裝感應器，并設計一款特定APP，連接Wi-Fi，建立智能保護升降控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對拉伸試驗過程進行實時監(jiān)控和智能控制。多媒體教學裝置包括廣角攝像頭、局域無線網(wǎng)及配套系統(tǒng)、音響設備，并與智能保護升降控制系統(tǒng)聯(lián)合使用，以達到教學目的。該拉伸試驗機防護罩的改進性能如下。

4.1 本智能保護控制罩大大提高了拉伸試驗儀的安全系數(shù)

擋板采用鋼化玻璃材質，防爆性能好。金屬夾頭上鑲有橡膠內墊，可增加夾頭與試件的摩擦力，降低試件在拉伸試驗過程中飛出的風險。在智能保護控制系統(tǒng)下，試驗人員可遠程操控實驗過程的開始與終止，無需在試件進行拉伸實驗時近距離靠近拉伸試驗儀，有效地保護了試驗人員的安全。

4.2 本智能保護控制罩降低了拉伸試驗儀的操作難度并利于維護

以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，連接智能保護控制罩內的感應器與手機端的APP，建立智能保護控制系統(tǒng)。試驗人員可只需通過手機APP便可對實驗過程進行調控。夾頭上鑲有的橡膠內墊可定期更換，延長了夾頭的使用壽命。在拉伸試驗過程中，接屑裝置可對該過程中產(chǎn)生的鐵屑進行集中收集，便于清潔。

4.3 本智能保護控制罩更好地發(fā)揮了教學作用

本保護罩內設置多媒體裝置，高清攝像頭配合互聯(lián)網(wǎng)絡，可將試件的拉伸過程投影到教室的熒幕上，便于同學們更好地觀察實驗過程，也可以投影到電腦端，可實現(xiàn)遠程教學，并可進行錄制回放，方便同學記錄實驗過程和復習鞏固，減少了老師的教學負擔，大大提高了教學質量。

5 結語

本研究針對現(xiàn)有用于教學的拉伸試驗機未使用防護罩或現(xiàn)存防護罩存在的試樣夾持不牢固和不便觀察實驗過程等問題，設計了一種改進的夾頭，升降可控的智能擋板，以及可用于多媒體教學的教學裝置。該保護裝置集防護、降音、教學于一體，將潛在的危險因素與人完全隔離，保護試驗機周圍的設施和試驗人員的安全，整體上提高了實驗儀器的使用性能，也在一定程度上提高了實驗儀器的使用壽命，又能方便實驗人員安全地觀察整個實驗過程，大大提高了實驗人員進行實驗的安全保障，也提高了實驗教學質量。