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,對塑料產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度測試,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)對塑料進(jìn)行強(qiáng)度測試,但均無法解決由于塑料產(chǎn)品彈性變形而造成的對沖擊體的反彈,進(jìn)而形成二次甚至多次自由落體反復(fù)沖擊,使測試結(jié)果不準(zhǔn)確。對此，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。基本框架模塊由底板、支撐柱、導(dǎo)向軸座、導(dǎo)向軸、蓋板、定板組成。測量機(jī)構(gòu)模塊由膠頭螺釘、刻度牌、測板、槽條連接件組成,可針對塑料產(chǎn)品不同的高度,建立相對基準(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)將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能,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，將沖擊體機(jī)構(gòu)提升到一定高度并保持,產(chǎn)生重力勢能,之后撤銷對沖擊體機(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)品時的速度v為：

(2)

動量定理公式為:

Ft=mv

(3)

式中:F為沖擊力;t為沖擊力作用在塑料產(chǎn)品上的沖擊時間。

由式(1)、式(3)可以得到?jīng)_擊力F為：

(4)

由于沖擊時間極短,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，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塑料產(chǎn)品的耐沖擊性評估有直接影響,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)自動觸發(fā)[6-9]。推動撥手壓實(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)動時,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,速度在極短時間內(nèi)降為0,此時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,彈簧推動撥手及定軸移動。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,沖頭離開塑料產(chǎn)品。同時，定軸繼續(xù)由彈簧推動，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 相對基準(zhǔn)設(shè)定

由式(3)可知,在設(shè)定對一個塑料產(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,兩個塑料產(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。

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

3 操作方法

在測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膠頭螺釘,使測板落放在塑料產(chǎn)品待沖擊面上。旋緊膠頭螺釘,完成基準(zhǔn)定位工作。單手拇指撥動撥手，向壓縮彈簧方向移動壓實(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。拇指松開撥手,彈簧彈力推動撥手頂住止扣后，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)動時,慣性觸發(fā)機(jī)構(gòu)同步工作。定軸在彈簧彈力推動下進(jìn)入定板上的孔,完成對沖擊機(jī)構(gòu)的鎖止固定,不再沖擊塑料產(chǎn)品,塑料產(chǎn)品的強(qiáng)度測試完成。強(qiáng)度測試現(xiàn)場如圖4所示。

▲圖4 塑料產(chǎn)品強(qiáng)度測試現(xiàn)場

4 規(guī)格校驗(yàn)

由于振動、磨損、老化等原因,會使垂直沖擊試驗(yàn)機(jī)測得的塑料產(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,對此需要采用一定的方法對垂直沖擊試驗(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)殡娦盘枺瑐鬏斨列盘柗糯笃?。由信號放大器將電信號放大后，傳輸至信號采集卡。信號采集卡將采集到的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,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)的測量機(jī)構(gòu)模塊采用相對基準(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,同時簡化了沖擊方式。采用模塊化設(shè)計(jì),架構(gòu)簡明,安裝調(diào)試簡便,維護(hù)簡單,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)。