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)督檢驗中心，新疆 烏魯木齊 830011；3.承德市精密試驗機有限公司，河北 承德 067000）

0 引 言

對于高抗沖改性聚氯乙烯管材的高速沖擊性能試驗，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)標準，于2008年1月發(fā)布，同年6月開始實施。2009年，代金強等[2]首次嘗試設計了20 m塑料管材落錘沖擊試驗裝置，設備實現(xiàn)了自動落錘沖擊試驗的作用，但設備自身高大，給操作及維護均帶來很大不便。

落錘試驗機一般包括機架、升降機構(gòu)、落錘機構(gòu)、高度定位機構(gòu)、試樣夾具、電氣控制系統(tǒng)及測量操作系統(tǒng)[3-4]。2009年，哈爾濱工業(yè)大學引進了一種重力式落錘沖擊試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)落錘沖擊高度較高，可滿足不同要求的檢驗任務，但是該系統(tǒng)對高度和安裝地點要求比較嚴格，而一般的試驗車間滿足不了此要求。2010年，李振生等[5]發(fā)明了一種高速沖擊落錘機，該機沖擊速度高，效果好，但是該機每次在使用過程中需要滯空5 min，延長了整個使用時間，不利于試樣的快速檢驗。

由此，本文設計了一個在短時間、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機。

1 高速落錘沖擊試驗機的設計

1.1 試驗機結(jié)構(gòu)

該高速落錘沖擊試驗機主要由機身、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 機身

機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》標準中錘體需從20 m高的位置自由下落沖擊試樣，以此獲得沖擊試驗時所需要的沖擊速度，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。

在以往的高速沖擊試驗中，大都設計一個 20m的試驗架[2]，將試驗錘體用滑輪提升至20 m高的位置進行釋放來實現(xiàn)對管材的沖擊試驗，這個高度對于試驗儀器來說過于高大，試驗人員操作不便，且儀器的生產(chǎn)、加工、安裝和調(diào)試都難以進行。本文充分考慮儀器的工藝性、實用性，用一個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到試驗所需要的高速沖擊效果。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)可提高機身的穩(wěn)定性，裝有階梯形支架以滿足使用和維護的要求。

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

圖1 設備裝配圖

1.1.2 試樣升降系統(tǒng)

本機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，設計了可升降的工作臺并采用V形支座支撐試樣以保證其穩(wěn)固。工作臺的移動行程為650mm，滿足了直徑在630mm以內(nèi)管材的裝夾。升降系統(tǒng)由齒輪減速電機驅(qū)動，通過鏈輪帶動梯形絲杠使升降臺、支撐V型試樣座連同試樣一起移動并壓緊試樣。在整個試驗過程中，這些部件要承受很大的沖擊力，所以在設計中對各個零件的受力情況進行了分析計算，其中放置試樣的移動板是本系統(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，在支撐板的設計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。另外在移動系統(tǒng)中為保證試樣升降平穩(wěn)和承載能力，對電機的選用、絲杠的承載能力、工作臺的最大負載、升降速度等各部分進行了確定，其中：升降電機功率為400W，工作臺承受的最大靜載荷為400kg，絲杠螺距為12mm，減速電機輸出轉(zhuǎn)速為30 r/min，絲杠的線速度為360m/s，可滿足人機工程學的理論要求[6]。

1.1.3 提錘系統(tǒng)

現(xiàn)有的落錘沖擊試驗機的提錘結(jié)構(gòu)大部分采用電機驅(qū)動，通過傳動實現(xiàn)[7-8]。標準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，試驗機錘體的提升高度為3 m，為方便使用，設計了一套靈活的提錘系統(tǒng)，錘體提升采用交流異步電機驅(qū)動，通過輪組使錘體提升吸錘裝置，吸錘采用吸盤式電磁鐵，自動釋放、高度由操作者任意設定，一方面高度定位準確，另一方面采用了精密的電器控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動提錘、定位和釋放各環(huán)節(jié)的一系列動作。

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)品的設計難點是加速度產(chǎn)生裝置的設計和制作。陶小軍[9]曾報道一種高速液壓彈射實驗裝置，它采用了多級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。本試驗機的設計同樣采用該高速液壓彈射的方式，借助液壓缸的能量儲備，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，通過短距離的運動實現(xiàn)了沖擊錘體時所需的高速，從而推動錘體以規(guī)定的速度沖擊試樣，通過多級控制最終獲得沖擊試樣所需要的19.8 m/s的沖擊速度，進而達到檢測目的。由于將沖擊高度定為3m，所以試驗時錘體所具有的初始速度為18.3m/s。

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

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 試驗操作過程

開啟試驗機，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，錘體通過提錘機構(gòu)提起，并置于油缸活塞端面下方；試驗時按下控制系統(tǒng)啟動按鈕，伺服閥信號達最大值，油缸活塞動作，并頂著油缸中工件迅速下降，工件達到預定速度或接近最大行程后，工件沖擊已經(jīng)提起的錘體，錘體加速運動沖擊試樣。

2.2 試驗運行結(jié)果

在本試驗系統(tǒng)搭建完成后，對外徑110～630mm的PVC-M管材試樣進行了大量高速沖擊試驗，試驗機運行正常、平穩(wěn)，操作過程簡便，結(jié)果準確。

3 結(jié)束語

本文中高速落錘沖擊試驗機是國內(nèi)第一臺室內(nèi)用于對抗沖改性聚氯乙烯（PVC-M）管材高速沖擊試驗的檢測設備。試驗機設計經(jīng)過充分論證及制造、安裝和調(diào)試，安全運行數(shù)次無故障，設備沖擊距離短，機械性能準確、穩(wěn)定，操作方便，能自動提錘、自動定制沖擊高度。整體采用電氣控制，其運行能更精準的完成沖擊試驗。機體的加速度系統(tǒng)中安裝有加速度裝置，裝置采用高速液壓彈射技術，完全滿足對PVC-M管材高速沖擊試驗的要求。本試驗機節(jié)省了場地，提高了試驗室空間利用效率，給PVC-M塑料管道的研究、生產(chǎn)、檢驗部門提供了方便。

[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：中國標準出版社，2008.

[2] 代金強，戚亞寧.20m塑料管材落錘沖擊試驗裝置[J].輕工機械，2009，27（2）：91-93.

[3] 黃寶清，王印寶.LC-450型落錘式?jīng)_擊試驗機的設計及應用[J].橡膠工業(yè)，2000（10）：623-625.

[4] 毛鑄，桂良進，范子杰.落錘式?jīng)_擊實驗系統(tǒng)的設計開發(fā)[J].實驗技術與管理，2003，20（5）：22-29.

[5] 李振生，王文筆，黃生軍.一種高速沖擊落錘機：中國，CN 201020146938[P].2010-11-03.

[6] 謝慶森，黃艷群.人機工程學[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009：96-97.

[7] 雷建平，張善元.落錘沖擊加載實驗裝置及結(jié)構(gòu)耐撞性實驗研究[J].力學與實踐，1996（5）：51-53.

[8] 魏燕定.沖擊落錘自動提升釋放機構(gòu)設計[J].機械設計，2000（3）：27-28.

[9] 陶小軍，李曉明，朱祖超.高速液壓彈射實驗裝置中高速液壓缸的設計[J].液壓氣動與密封，2006（6）：13-15.