垂直冲击试验机的研制

膳魔师(江苏)家庭制品有限公司 江苏淮安 223010

1 研制背景

塑料产品在日常生产生活中有极大的需求量,对塑料产品进行强度测试,使其强度达到一定的要求,以满足生产生活所需，非常有必要[1]。目前,常采用摆锤冲击试验机和电磁吸合落球冲击试验机对塑料进行强度测试,但均无法解决由于塑料产品弹性变形而造成的对冲击体的反弹,进而形成二次甚至多次自由落体反复冲击,使测试结果不准确。对此，笔者结合实际工作中出现的问题,研制一种有效防止反复冲击的垂直冲击试验机。

2 结构设计

2.1 总体结构

垂直冲击试验机采用模块化设计思路,整机由基本框架模块、测量机构模块、冲击机构模块、快速夹具模块组成,如图1所示。基本框架模块由底板、支撑柱、导向轴座、导向轴、盖板、定板组成。测量机构模块由胶头螺钉、刻度牌、测板、槽条连接件组成,可针对塑料产品不同的高度,建立相对基准。冲击机构模块由冲击体机构和惯性触发机构组成，冲击体机构负责对塑料产品施加冲击力,惯性触发机构确保冲击体机构只对塑料产品施加一次冲击力。快速夹具模块由夹具体和强磁组成,通过磁力固定,实现快速夹取功能。

2.2 力学原理与计算

垂直冲击试验机将重力势能转化为动能,由此产

▲图1 垂直冲击试验机结构

生冲击力。试验时，将冲击体机构提升到一定高度并保持,产生重力势能,之后撤销对冲击体机构高度的保持,使其自由落体产生冲击力[2-5]。

重力势能E为:

E=mgh=mv2/2

(1)

式中:m为冲击体机构质量;g为重力加速度;h为冲击体机构高度;v为冲击物体时的速度。

由式(1)可以得到冲击体机构中冲头冲击塑料产品时的速度v为：

(2)

动量定理公式为:

Ft=mv

(3)

式中:F为冲击力;t为冲击力作用在塑料产品上的冲击时间。

由式(1)、式(3)可以得到冲击力F为：

(4)

由于冲击时间极短,重力加速度为固定值,冲击体机构质量为设定值,因此冲击体机构高度h与冲击力F成正比关系,即冲击高度越高，冲击力越大；反之，冲击力则越小。

在保证导向轴竖直的情况下,冲击体机构自由落体与导向轴产生的摩擦力f1与空气阻力f2使冲击力的实际值F1小于冲击力的理论值。为修正F1，使其等于F,在提升冲击体机构时，需要在理论高度h1的基础上增加一定的高度Δh,即修正后的实际冲击机构高度h为h1+Δh,增加的高度部分产生的冲击力用于抵消摩擦力和空气阻力,提高冲击力的精度。于是有：

(5)

冲头冲击面的大小对塑料产品的耐冲击性评估有直接影响,根据压强定理可得到冲击面面积S和冲击力F、压强p的关系为：

p=F/S

(6)

根据生产实际需求，设定冲击面面积,可以判定塑料产品的强度是否合格。

2.3 惯性触发机构

惯性触发机构利用惯性是物体的固有属性这一特点,通过惯性来触发锁止机构,实现自动触发[6-9]。推动拨手压实弹簧,向上提起拨销至止扣上表面贴合定轴后保持。慢松拨手,弹簧推动拨手直到与止扣接触面贴合,拨手与止扣在弹簧推力下处于稳定状态。惯性触发机构如图2所示。

▲图2 惯性触发机构

惯性触发机构固定在冲击机构模块的载板上,当冲击体机构作自由落体运动时,惯性使弹簧、拨手、止扣处于稳定状态。当冲头接触到塑料产品释放冲击力时,速度在极短时间内降为0,此时止扣由于本身惯性作用力大于弹簧施加在拨手和止扣触合面的压力,下落被强磁吸住。在止扣离开拨手后,弹簧推动拨手及定轴移动。在冲头释放完冲击力，塑料产品吸收、转变为弹性变形反作用于冲头后,冲击体机构向上运动,冲头离开塑料产品。同时，定轴继续由弹簧推动，直至插入定板的孔中,完成一次冲击。最终锁止冲击体机构,达到一次冲击效果。

2.4 相对基准设定

由式(3)可知,在设定对一个塑料产品的冲击力之前,需要确定冲击体机构的高度。塑料产品的高度各异,需要设定相对基准，如图3所示。图3中，Q、R为塑料产品。当h1等于h2时,两个塑料产品被施加的冲击力相等，但冲头至底板的距离x不等于y,则不同高度的塑料产品要获得相等的冲击力，需要设定不同的冲击高度。

通常情况下,刻度牌上冲击力的表征从底板起始向上。以塑料产品Q为例，需在刻度牌上扣除产品自身高度b,再以b为基点,根据需要的冲击力计算出h1的高度,得到的d点即为冲击高度。同样，塑料产品R也可以得到冲击高度c。由于产品Q和产品R自身高度不同,因此需要重新在刻度牌上进行标定。这种操作烦琐复杂，并且容易出错。

为解决上述问题,设定一种相对基准,在塑料产品的待冲击面上建立基准零点,避开产品的自身高度,在相对基准上设定通用的冲击力表征，将刻度牌移动至底部零点与塑料产品Q的待冲击面对齐后固定,向上移动冲头至与刻度牌上需要的冲击力表征对齐,如j点。塑料产品R可以采用相同的操作。通过对冲击体机构质量和冲击时间进行设定,在刻度牌上建立一系列冲击力与高度的对应值,使操作变得简单。

3 操作方法

在测板的正下方底板上表面放置塑料产品,拧松刻度牌上的两个胶头螺钉,使测板落放在塑料产品待冲击面上。旋紧胶头螺钉,完成基准定位工作。单手拇指拨动拨手，向压缩弹簧方向移动压实弹簧后,食指向上抬起拨销，至止扣上表面与定轴接触后，食指不动。拇指松开拨手,弹簧弹力推动拨手顶住止扣后，食指松开,完成惯性触发机构开启。将塑料产品的位置调整至底板上表面中心处，若需要,用快速夹具限定。双手抬起载板,目视冲击体机构载板与左边刻度牌相应冲击力表征对齐。双手松开,使冲击体机构自由落体,冲头冲击底板上面的塑料产品。在冲头完成冲击的过程中,惯性触发机构触发。在冲击体机构因塑料产品弹性变形作用而向上运动时,惯性触发机构同步工作。定轴在弹簧弹力推动下进入定板上的孔,完成对冲击机构的锁止固定,不再冲击塑料产品,塑料产品的强度测试完成。强度测试现场如图4所示。

▲图4 塑料产品强度测试现场

4 规格校验

由于振动、磨损、老化等原因,会使垂直冲击试验机测得的塑料产品耐冲击力强度实际值和理论值出现一定范围内的偏差,对此需要采用一定的方法对垂直冲击试验机进行规格校验,以确保冲击力的准确性。规格校验步骤如图5所示。

▲图5 规格校验步骤

将冲击力传感器放入测量机构模块下,确定规格基准,而后放入冲击头正下方固定好。提升冲击体机构至需校验规格值后，释放冲击体机构,使冲击体机构自由落体冲击传感器。传感器将冲击力转变为电信号，传输至信号放大器。由信号放大器将电信号放大后，传输至信号采集卡。信号采集卡将采集到的电信号转换为数字信号,经通用串行总线接口传输至计算机端软件，经处理后显示冲击力值与冲击时间的曲线图像。将软件显示的冲击力与需校验的规格进行比较,确认偏差是否在规定范围内[10-12]。

5 结束语

垂直冲击试验机的测量机构模块采用相对基准，可适用于不同高度、不同大小的塑料产品,完成冲击力基准设定。快速夹具模块利用磁力吸附,可快速固定塑料产品,方便试验和夹取。惯性触发机构利用物体固有惯性的特点,通过自由落体与弹性变形创造适当的条件,基于惯性自动触发锁止机构,达到一次冲击的效果。采用传感器进行规格校验,使垂直冲击试验机保持较高的精度。

垂直冲击试验机弥补了摆锤冲击试验机和电磁吸合落球冲击试验机的不足,同时简化了冲击方式。采用模块化设计,架构简明,安装调试简便,维护简单,性能可靠,试验结果准确。在实际生产使用中,有效提高了检测的准确性和效率,并提高了产品合格率,为公司节约了一定的人力物力,提升了产品品质。