概述
在此研究領(lǐng)域,國外已研制出第三代擺臂式跌落試驗機,它能在一臺緩沖器上產(chǎn)生多種力脈沖波形,并輔以高度自動化的控制以及數(shù)據(jù)采集和分析設備。
擺臂式跌落試驗機的原理是通過快速旋轉(zhuǎn)托架以達到釋放樣品并使其自由下落的目的;自由跌落式試驗機是使托架產(chǎn)生一個大于自由落體加速度的運動達到產(chǎn)品自由下落或者通過吊鉤的釋放達到產(chǎn)品自由下落。
試驗機由沖擊板、提升機構(gòu)、控制箱、跌落執(zhí)行機構(gòu)和試件固定夾具等部分組成。擺臂式跌落試驗機結(jié)構(gòu)比自由跌落式跌落試驗機復雜,能夠準確提升產(chǎn)品高度,沖擊瞬間不會產(chǎn)生干擾,能在一臺緩沖器上產(chǎn)生多種力脈沖波形且能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和分析。
國內(nèi)已研制完成第二代自由跌落式試驗機和擺臂式試驗機,后者是國內(nèi)外設備精細化發(fā)展的趨勢,我國第三代擺臂式跌落機處于研制階段。本項目基于擺臂式基本原理實現(xiàn)擴展功能設計,能滿足目前對較小產(chǎn)品進行跌落試驗任務要求、彌補當前設備功能不足、提高試驗精度,同時為數(shù)據(jù)采集和分析奠定基礎(chǔ)。
跌落試驗機擴展功能總體結(jié)構(gòu)設計
根據(jù)任務需求,獲得試驗產(chǎn)品相關(guān)參數(shù),并以此確定跌落試驗機擴展功能機構(gòu)的適用范圍;同時通過文獻及實體調(diào)研,確定了跌落試驗機擴展功能的總體結(jié)構(gòu)設計;根據(jù)具體情況,確保跌落試驗機擴展功能機構(gòu)更安全、更方便。一套跌落試驗機擴展功能機構(gòu)主題結(jié)構(gòu)由托板和釋放兩大部分組成。
托板結(jié)構(gòu)設計
托板分成左右兩部分對稱結(jié)構(gòu),長360 mm、寬170 mm、厚20 mm,材料6061,能滿足產(chǎn)品尺寸(250 mm×250 mm×250 mm)、重15 kg的需求。為滿足圓球類產(chǎn)品平穩(wěn)放置,托板對稱軸心中間設計有深5 mm,直徑30 mm半圓球形凹槽;托板兩端通過軸座固定在旋轉(zhuǎn)軸上,托板每端使用8個M10的螺釘與軸座進行緊固連接;托板在工作時左右兩部分通過旋轉(zhuǎn)軸從中間同時向下翻轉(zhuǎn)。為防止托板在跌落試驗時出現(xiàn)左右兩部分向下旋轉(zhuǎn)不同步的問題,托板中間設計成齒條形交叉結(jié)構(gòu)。托板右側(cè)部分設計圖紙
旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設計及強度校核
軸用來固定托板、齒輪、軸承,同時實現(xiàn)托板旋轉(zhuǎn)。根據(jù)現(xiàn)有跌落試驗機托叉結(jié)構(gòu)尺寸,設計軸長450 mm、粗端直徑36 mm、細端直徑30 mm,材料45。軸的一端通過B型鍵安裝齒輪,另一端安裝托板和軸套;固定托板的軸座布置在軸套兩端,軸與軸套間通過軸承連接以實現(xiàn)軸旋轉(zhuǎn);軸承位于軸套的兩端,軸承與軸和軸套間采用過盈配合,軸的結(jié)構(gòu)設計圖
旋轉(zhuǎn)軸強度校核
根據(jù)使用狀態(tài),軸在使用時既產(chǎn)生彎曲變形又產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,應使用彎扭組合變形強度校核,校核時按軸的細端直徑d=30 mm校核,軸的材料45鋼,屈服極限[σ]≥255 Mpa。
軸的質(zhì)量m1=9.92 kg;
托板質(zhì)量m2=1.65 kg;
產(chǎn)品最大質(zhì)量m3=10 kg;
彎矩M=F·L1=(m1+m2+m3)×g×L1=119.2 N·m
扭矩T=F·L2=(m1+m2+m3)×g×L2=54.2 N·m
圓截面軸扭轉(zhuǎn)W=πd3/16=5.3×10-6
滿足使用要求。
釋放機構(gòu)設計
托板旋轉(zhuǎn)軸另一端設計類似于棘輪機構(gòu)裝置,具有自鎖功能。棘輪擋銷與電磁鐵相連接,釋放產(chǎn)品時,電磁鐵通電快速吸開棘輪擋銷;擋銷與棘輪接觸的面設計成圓弧面,使擋銷與棘輪成線接觸,減少摩擦力;齒輪下方設有拉緊彈簧,釋放瞬間在彈簧的拉力作用下,托板獲得初始加速度,使托板快速向下旋轉(zhuǎn)130 °,使產(chǎn)品不受干涉自由下落,完成跌落試驗。
擴展機構(gòu)與現(xiàn)有托架結(jié)合方式
托板安裝在原有跌落機托架上。為保證試驗過程中,跌落時產(chǎn)品和托板不與現(xiàn)有托架發(fā)生碰撞,將擴展功能機構(gòu)安裝于托架下方。跌落試驗時,托板向下旋轉(zhuǎn)與現(xiàn)有跌落試驗機不發(fā)生任何干涉。
緊固方式:擴張裝置機構(gòu)通過U型吊環(huán)與現(xiàn)有托架進行吊裝連接,吊裝點設置在軸套上,軸套上均布3個吊裝孔,使用螺釘緊固。