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缓冲包装综合冲击试验机的研究 摘要 缓冲包装综合冲击试验机是一种用于进行缓冲包装材料或产品动态特性 测试的试验设备。本文针对实验室原有冲击试验机的局限性以及不足之处， 提出了该设计题目，并对冲击试验机的机械系统、气液增压系统控制系统以 及软件测试系统进行了全面的设计。 本文通过对实验室原有冲击试验机的分析，对冲击试验机的机械结构部 分以及软件控制部分都提出了更高的要求。改进后的综合冲击试验机把原有 冲击试验机气液增压系统e h # l - 置型改进成内置型，新设计后的滑台平面就可 以进行产品的动态试验及脆值试验；提升装置也由机械式改进成电磁脱钩式， 这样可使试验机精确度更高；同时新设计的测试软件也可按照g b 8 1 6 7 8 7 的 试验方法获得缓冲材料或产品在给定的跌落高度下的最大加速度一静应力曲 线及缓冲系数一最大应力曲线。而且对于小型产品( l o k g ) 可按照g b 8 1 7 1 8 7 的试验方法得到产品脆值。新设计的测试软件的功能及可操作性更强。友好 的人机对话界面，实现了整个测试过程的控制自动化和可视化。 关键词：缓冲包装，冲击，动态压缩，缓冲包装综合冲击试验机，气液 增压，脆值 t h er e s e a r c ho nt h es y n t h e s i si m p a c tt e s t e r o fc u s h i o np a c k a g i n g a b s t r a c t t h es y n t h e s i si m p a c tt e s t e ro fc u s h i o np a c k a g i n gi sa t e s t i n gd e v i c ew h i c hi s u s e dt ot e s tt h ed y n a m i ct r a i to ft h ec u s h i o np a c k a g i n gm a t e r i a l sa n dp r o d u c t s a i m i n ga tt h el o c a l i z a t i o na n dd e f i c i e n c yo f t h ei m p a c tt e s t e ri nt h el a b o r a t o r y , t h e t h e m ei sb r o u g h tf o r w a r da n dt h em e c h a n i c a ls y s t e m ，t h eg a s h y d r a u l i cp r e s s u r i z e d s y s t e m ，t h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h es o f t w a r et e s ts y s t e ma r ed e s i g n e dt h o r o u g h l y w e b r o u g h tf o r w a r dt h ef u r t h e rd e m a n da b o u tt h em e c h a n i c a ls y s t e ma n dt h e s o f t w a r et e s ts y s t e m ，b ya n a l y z i n gt h ef o r m e ri m p a c tt e s t e ri nt h el a b o r a t o r y t h e i m p r o v e ds y n t h e s i si m p a c tt e s t e ri m p r o v e dt h eg a s h y d r a u l i cp r e s s u r i z e ds y s t e mo f t h ef o r m e ri m p a c tt e s t e rf r o m p u t t i n gt y p eo u t s i d ei n t op u t t i n gt y p ei n s i d e ；t h en e w d e s i g n e dp l a n eo fs l i p w a yc o u l dd ot h ed y n a m i ct e s ta n dt h ef r a g i l ev a l u et e s t ；t h e e l e v a t i n gd e v i c eh a sb e e ni m p r o v e df r o mm a c h i n e r yt y p ei n t oa ne l e c t r o m a g n e t i c b r e a k i n go f fr e l a t i o n st y p e ，w h i c hc o u l dm a k et h et e s t e rh i g h e ri na c c u r a c y ；a tt h e s a l r l et i m e ，a c c o r d i n gt ot h et e s tm e t h o do f g b 816 7 - 8 7 ，w ec o u l dg a i nt h ec u s h i o n m a t e r i a l sa n d p r o d u c t s g 。一o - 。c u r v ea n dc 一口，c t l r v eu n d e rt h eh e i g h to f f a i l i n g t h a ti s g i v i n gd e f i n i t e l y w ea l s oc a ng a i nt h ef r a g i l ev a l u eo ft h e s m a l l 。s c a l ep r o d u c ta c c o r d i n gt ot h et e s tm e t h o do f g b 8 1 7 1 8 7 t h ef u n c t i o na n d e f f e c t i v e n e s so ft h et e s ts o f t w a r e d e s i g n e dn e w l ya r es t r o n g e r t h e f r i e n d l y i n t e r a c t i v ei n t e r f a c e ，t h a tr e a l i z e dt h ec o n t r o la u t o m a t i o na n dv i s u a lo f t h ew h 0 1 e t e s tc o u r s e k e y w o r d s ：c u s h i o np a c k a g i n g ，i m p a c t ，d y n a m i cp r e s s ，t h es y n t h e s i s i m p a c tt e s t e ro f c u s h i o np a c k a g i n g ，g a s h y d r a u l i cp r e s s u r i z a t i o n ，f r a g i l ev a l u e i l l 第一章绪论 1 1 国内外冲击试验机的概况及发展趋势 冲击试验机是用于对产品或非金属材料( 如：塑料板材、管材、异形材、玻璃、陶瓷 以及各种复合材料等) 进行冲击试验，以评价产品或材料抗冲击性能的一种测试设备。自 1 9 4 6 年英斯特朗公司研制了世界上第一台闭环控制的电子万能材料试验机，五十多年以 来，英斯特朗公司一直致力于以最新的科学技术开发高精度的材料测试仪器，在各个时期 均研制出代表当时世界最先进技术水平的材料冲击试验机。随着现代微机技术的飞速发 展，数字化技术不断应用在试验机的研制领域。到目前为止，美国、德国、日本等国家的 一些试验机制造公司不断推出一些数字化冲击试验机，从长远的发展的角度来看，数字化 冲击试验机取代目前国内还在大量使用的老式的冲击试验机( 国内大概还有2 万台左右老 式冲击试验机) 是历史发展的必然。 数字化冲击试验机是一具有高速数据采集和数据处理系统的冲击试验机，与老式的非 金属材料冲击试验机相比，它的主要优点是把冲击试验结果数字化，能够给出定量结果， 使非金属冲击从老式冲击测出的定性分析跃进到定量分析：把毫无意义的冲击功赋予新的 内涵。测出的特征参数，不仅可供研究者定量分析材质优劣，还可以被设计者作为设计依 据。因此，数字化冲击试验机是冲击试验方法的一个飞跃，它将为材料的动态性能研究开 启一条新的途径。 日本的一些学者，对于菲金属冲击试验性能研究较多，他们对许多材料的韧性指数进 行了测试并给出了一些定量的结果。有些非金属材料，国外已经要求测定冲击载荷及其相 关的参数。由于数字化冲击试验机方法简便、省时、又能进行定量分析，国内外有许多学 者在探讨用冲击方法定量的分析材质的变形、裂纹形成、裂纹扩展过程、韧脆转变、表面 裂纹扩展以及止裂方法和分析。总之，关于数字化冲击试验测试材料的定量分析，还仅仅 是开始，由于设备缺乏，还只是极少数人在进行。基于以上分析，数字化冲击试验机的市 场前景是多方面的，主要应用的部门有；科研，大专院校，大型企业。它涉及到航空，航 天，汽车，船舶，铁路，建材，化工，生物工程等等各个方面，市场潜力很大。尤其 是2 0 0 0 年， s o 国际标准化组织公布了”钢材v 型缺口冲击试验一仪器化试验方法”以后， 我国国家标准局也已经着手制定相应的标准。可见，数字化冲击试验方法已经引起国内各 方面的关注。这些标准方法的制定将会促进该类冲击试验机的推广使用。 1 2 课题的提出及意义 随着社会的不断发展，产品的包装日益渗透到我们生活的方方面面，包装测试的地位 日显重要，特别是缓冲包装材料的性能测试，尤为重要。在国外，缓冲材料的性能测试早 已形成了一系列标准化，如日本的j i sz 0 2 3 5 ，美国的a s t md7 8 0 ，英国的n fh 0 0 0 3 4 等。我国这方面起步晚，虽然也形成了一定的规模和标准化，如g b t 一8 1 7 1 、g b t - - 8 1 6 7 等，但与之相配套的软件和完善的测试平台很缺少，自动化程度比较低。虽然目前冲击试 验机市场上已经有许多国外引进的先进的试验机，但据调查表明，能做动态压缩试验( 即 用于测其缓冲系数一最大应力曲线，最大加速度一静应力曲线等) 的新试验机目前为止还 没有，市场上出现的最多的冲击跌落试验机都主要是针对包装件物流过程的测试的，即用 于测试运输包装件所能承受的冲击力和对内装物的保护能力。而且很多都由于其价格昂 贵，使得大部分单位对其望而却步，例如：对于同类的进口产品，i n s t r o n 公司的数字化 冲击试验机，单价为9 2 万英镑，折合人民币要1 1 0 1 2 0 万元。而国内某科研单位研究 出的j c s j 3 0 0 - - i 型数字化多功能冲击试验机国内售价暂定为4 0 万元( 相当国外同类产品 三分之一左右) 。但对于一般的大专院校和小企业来说，这一价格依然有些偏高。因此， 本课题的目的是在包装实验室现有冲击跌落台基础上对其进行改进和创新。使得它不仅能 满足使用者的基本要求，而且改进后的综合冲击试验机自动化程度更高，测试结果精确度 更高，通过与计算机的有效结合，基本能达到国内外最新数字化冲击试验机的水平。 新设计的冲击试验台不仅可按照g b t 8 1 6 7 8 7 等的试验方法用于包装用缓冲材料动态 压缩试验，即通过一组试验得到缓冲材料在给定的跌落高度下的最大加速度静应力曲线 及缓冲系数最大应力曲线。而且对于小型产品( l o k g ) 可按照g b t 8 1 7 1 8 7 的试验方法得 到产品脆值。同时，通过测量冲击激励与缓冲材料在给定静应力下的冲击响应，应用f f t 可以得到缓冲材料的传递率，这样就使得改进后的新型多功能试验台能满足多种包装冲击 试验。 1 3 课题的主要内容 本课题的主要内容是完成缓冲包装综合冲击试验机的设计。总体来说，该试验机的设 计主要包括机械设计、控制系统设计、配套软件设计三大部分。 2 1 机械设计 为能满足各种包装件及包装材料的测试要求，该试验机的机械结构部分的设计主要包 括如下几个部分： 1 ) 整体机架的设计 2 ) 气液增压缸的设计 3 ) 快装卸机构的设计 4 ) 电磁脱钩的设计 其中一些主要的技术参数如下： 1 ) 最大跌落高度为1 2 0 0 m m 。 2 ) 跌落质量为2 5 0 k g ( 递增l k g ) 。 3 ) 试样最大尺寸为：2 0 0 m m 2 0 0 f m 。 4 ) 制动气源压力为：o 8 m p a 。 5 ) 测量误差：2 5 。 其它要求：重台应该有防止二次跌落的制动装置。跌落台面可以加装砝码或固定小型产品 以满足不同试验的要求。 2 控制系统的设计 控制系统部分包括以下两方面： 1 ) 整体机构控制按钮的设计 根据跌落台跌落要求，继电器逻辑控制开关电动控制应能实现台体的连续上升，连续 下降以及点动上升和点动下降，急停控制，电磁脱钩控制等。 2 ) 滑台的制动控制 当跌落滑台冲击材料或产品反弹后，气液增压缸制动动作，滑台抱紧光轴，使其能防 止二次冲击。 3 配套软件的设计 以v i s u a lc + + 6 0 为工具来设计一套友好的人机对话界面，使设计出的操作界面不但 有很好的可视性，而且操作起来非常方便，充分利用计算机的高速处理能力，来完成各项数 据的采集和处理。实现过程是利用a d 板进行数据采集、对采集到的数据进行处理，包括 数据截取、滤波、去除干扰信号。数据经过处理以后采用最小二乘法拟合，绘出最大加速 度一静应力曲线以及缓冲系数一最大应力曲线，最后将拟合好的曲线显示到坐标系中。 第二章综合冲击试验机总体方案的设计 缓冲包装综合冲击试验机是一种用来对产品或缓冲包装材料进行冲击试验，从而获得 其动态特性的试验设备。实验室原有的冲击试验机由于在结构设计、制动控制部分等方面 存在较多局限性，使得该设备不能满足使用者的更多试验要求。改进后的试验机不仅能完 成原试验机所能完成的缓冲材料动态压缩试验，还能进行产品的脆值试验以及目前我们正 在探讨的利用冲击试验获得缓冲包装材料的传递率试验。因此，新型的缓冲包装综合冲击 试验机是在原有试验机的基础上进行的改进和创新。在确定新方案之前，先了解一下目前 进行缓冲材料动态压缩试验的试验方法。 2 1 测试缓冲材料动态特性的方法b 2 瑚1 缓冲材料的动态特性主要是在一套测试系统中完成的，测试系统的示意图如图2 - 1 所 示，它由缓冲材料冲击试验机、压电加速度传感器、电荷放大器、数据采集系统和数据处 理系统组成。 图2 1 测试系统结构示意圈 f i g 2 - 1s t r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo f t e s ts y s t e m 冲击试验机主要是由大质量铸铁底座、导柱( 光轴) 、滑台( 跌落台) 、砝码、提升装置、 释放装置、以及制动装置等构成。 4 试样放在底座的中央，跌落台上固定着砝码和压电加速度计，提升装置通过挂钩提起 滑台，至给定高度，释放装置使挂钩脱离开滑台，滑台就沿着导轨自由落下，冲击试样。 冲击过程中的加速度信号被压电加速度计转换成电荷量，送入电荷放大器，电荷放大器的 输出电压( 模拟量) 经模数转换( a d 板) 成数字信号，存储在计算机内存中，并显示到 屏幕上。电荷放大器上设有一个上限截止频率可调的低通滤波器，它可以有效地消除部分 高频干扰信号对有用信号的影响，数据处理系统则完成信号的数字滤波以及曲线的绘制， 其中包括冲击加速度一时间曲线、最大加速度一静应力曲线、缓冲系数一最大应力曲线以 及动态应力一应变曲线等。 2 2 跌落滑台方案的确定 实验室原有冲击试验机的跌落台主要是用来完成缓冲包装材料的动态压缩试验。以前 的设计者考虑更多的部分只是如何能使得跌落台能比较真实的测出材料的性能特征，而没 有考虑对产品进行试验的要求。因此，原跌落台的设计就相对比较简单，原有试验机跌落 台部分的结构示意图如图2 2 所示。 00 图2 - 2 原有试验机滑台示意图 f i g 2 - 2b l o c kd i a g r a mo ff o r m e rm a c h i n e sd r o pt e s t e r 目前实验室用的跌落台设计的最大跌落高度是1 2 0 0 m m ，试验过程是给定一跌落高度， 提升该跌落台到指定高度然后释放，跌落台从指定高度做自由落体运动，冲击底座上的缓 冲材料。根据试验要求的不同，跌落台上面会固定一定重量的砝码，加上其自身的重量， 而且冲击作用的时间及其短促，这就使得跌落台在冲击过程中会获得一定的冲击能量。因 此，考虑到冲击过程中冲击能量对跌落台的影响，在设计过程中就采用了加强筋和打孔的 方式。跌落滑台在设计制造过程中在材料的选择上采用铸铝来制造，由于铝的比重比铸铁 小，这样就可以减少滑台自身质量，再配以砝码来满足不同的实验要求。 对于改进后的跌落台，由于不仅要实现缓冲包装材料动态压缩试验，还要能进行产品 的跌落试验，产品或包装材料的脆值试验以及缓冲包装材料的传递率试验，这就对跌落台 的设计以及制造提出了更高的要求。原先的跌落台，因为只涉及到缓冲材料的试验，所以 它的结构部分的设计相对来说比较简单，而且提供制动动力部分的增压缸是外置的，固定 在后面的底座上，虽然该增压缸能满足试验的基本要求，但其外置形式还是有一定的局限 性，不仅在外观上，更重要的是在试验过程中带来的一些不便，例如接在滑台上的粗重的 油管会影响滑台自由跌落的状态，再加上它们的自身重量，这就必然给试验带来一定的误 差。为了能满足产品的试验要求，这就需要对台体做一定的改进，改进后的跌落台结构示 意图如图2 3 所示。 斟2 - 3 改进后跌落滑台结构示意图 f i g 2 _ 3s t r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo f i m p r o v e dd r o pt e s t e r 由图2 3 中可以看出，改进后的跌落台，实现了增压缸的内置，这就使得跌落台外形 上更美观，同时，跌落台上下面都是平面，这就不仅可以做缓冲包装材料和产品的动态试 验，还可以做产品的脆值试验、缓冲材料的传递率试验。此外在对某些特殊材料的试验过 程中，需要一块质量较轻的滑台( 轻板) ，通过改变不同的跌落高度或者改变固定在轻板 上的砝码的质量，来获得该材料的动态特性。轻板的结构示意图如图2 - 4 所示。 6 l 是l 挂 图2 - 4 轻板结构示意图 f i g 2 4s 订u c m r a lb l o c kd i a g r a mo f l i 曲tb o a r d 2 3 快装卸机构方案的确定“1 根据缓冲包装材料冲击试验的要求，在进行动态压缩试验时，需要在跌落台台面上固 定砝码，来增加跌落台的重量。原试验机的砝码的固定主要是通过两根螺纹杆，根据试验 要求放上一定质量的砝码，然后通过两个螺母来固定，这种方法虽然能固定住砝码，但是 安装和拆卸的过程却很不方便，为了能满足试验要求，螺杆设计的比较长，其长度是 2 2 0 m m ，所以当加装好砝码以后，在用螺母紧固砝码的时候就相当费时费力。 为了提高装卸砝码的效率，提出了以下方案。设计一带手柄的快速夹紧装置，该装置 结构示意图如图2 - 5 所示。 图2 - 5 砝码快装卸机构结构示意图 f i g 2 - 5s t r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo f w e i g h t sq u i c kl o a ds t r u c t u w 该快速夹紧装置主要由三部分组成，两个带手柄的装置以及一蝶形螺母，带手柄的部 分其内侧有螺纹，在设计过程中，当两个手柄装置合起来的时候，其内侧刚好形成一圆形 7 螺纹孔，其尺寸和紧定砝码的螺杆的尺寸一致。蝶形螺母是用来固定两个带手柄装置的a 当螺杆上装入了试验要求的砝码后，拧紧蝶形螺母，然后转动手柄，即可快速、方便地实 现快装卸的目的。 2 4 增压缸方案的确定“副叫”。 原有试验机的制动动力主要是靠气液增压装置来提供的，该装置主要是由压缩氮气 罐、高压胶管( 钢丝编织体为骨架) 、气动三联件、换气阀以及增压装置等组成。原增压 装置的结构示意图如图2 - 6 所示，其提供制动动力的过程程式是：首先调整氮气罐的减压 阀，使其压力达到试验需要的压力值0 7 m p a ，接入增压装置，增压装置则把气压转换成更 大的油压，从而给制动提供动力，当增压缸气缸侧接大气压时，增压缸在弹簧的弹性力作 用下复位，制动活塞后退，解除制动。 令f 奄令卜 爪 k 厂l 、 ，厂h v r杉 令令令 图2 - 6 原有气液增压缸结构示意图 f i g 2 _ 6s t r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo f f o r m e rg a s h y d r a u l i cs u p e r c h a r g e rc y l i n d e r 原有试验机的气液增压装置是外置型的，跌落滑台的制动是对两边的导轨( 光轴) 同 时提供油压制动，所以该增压装置就需要提供两条输油管，再加上一条比较重的胶管，这 就使得试验机看起来不美观，在实验过程中也给使用者带来一定的困扰。而改进后的增压 缸，实现了内置，即把增压装置设计到了跌落台内部，这样，省却了油管的麻烦，以及外 置型增压缸所带来的不美观问题。 第三章机械系统的设计 缓冲包装综合冲击试验机的机械部分主要是由底座、跌落滑台、光轴、提升装置及上 限板等组成。 3 1 整体机架的设计。1 根据实验室用缓冲包装冲击试验要求，对于整体机架的设计拟出以下两种方案： 1 方案一是采用槽钢和光轴组合结构 在该方案中，槽钢主要起到对上板的支撑作用，使得结构更稳定。由于上板上只固定 着电动葫芦，因此普通的热轧槽钢即可满足要求，光轴起导向作用。采用槽钢的优点在于 稳定性好，价格便宜，但缺点比较明显，主要体现在不能采用目前设计的简单有效的提升 装置以及可调节位置的接近开关和限位开关装置，将来设备的升级、更新都不是很方便， 而且外形不是很美观。方案一结构图如图3 1 所示。 图3 - 1 方案一结构示意图 f i g 3 1s t r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo fp r o j e c ti i 2 方案二是采用原有四柱式结构，4 根导柱( 即光轴) 垂直固定在底座上，以罂公 向7 差间隙配合的4 根立柱，将底座和上板固在一起，形成一个受力框架。跌落台则套在中间 2 根立柱上，且位于底座和上板之间，并通过紧定螺栓连接。导轨的作用除了支承上板以 外，起最重要作用的是其导向作用，滑台沿着导轨上下运动。故导轨承受着一定的弯曲应 9 力，因此这就对光轴的选择提出了一定的要求。该方案优点在于能够满足提升装置的设计 要求，结构简单，外形美观。方案二结构示意图如图3 2 所示。 图3 - 2 方案二结构示意图 f i g 3 2s t r u c t u r a b l o c kd i a g r a mo fp r o j e c ti i i i 通过以上两个方案的比较，对于该试验机而言，采用四柱式结构更简洁美观，而且能 很好的满足试验的要求。因此，整体机架的结构示意图可见图3 - 3 所示。 1 0 1 一底座( b a s e ) 2 滑台( d r o pt e s t e r ) 3 一光轴( a x i s ) 4 一上板( t o pb o a r d ) 5 一电动葫芦 ( e l e c t r o m o t o r ) 6 一上限板( t o pl i m i t a t i v eb o a r d ) 7 一挂钩( p o t h o o k ) 图3 - 3 综合冲击试验机结构示意图 f i g - 3 - 3s t r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo f t h es y n t h e s i si m p a c tt e s t e r 3 1 1 底座的设计”j “ 由于冲击试验机的底座需要承受冲击试验时所带来的冲击能量，因此，底座的可靠性 设计不仅关系到整体机构的稳定性，还对试验的精确性产生重大影响这就对底座的强度 以及刚度提出了较高的要求。根据试验要求，底座质量应大于1 0 倍跌落质量，基础和底 座质量之和应大于5 0 倍跌落质量。因此，底座的铸造材料选择球墨铸铁，由于球墨铸铁 的主要优势就是它的低成本和良好的铸造性能以及具有的一定的刚度特性，这几项都很好 地符合我们对底座设计的要求。底座的底面主要和水泥地板接触，而且试验机对底座的平 稳性要求高，底座和基础的联接主要通过8 个地脚螺钉来实现。在底座的上表面开了四个 垂直于该表面的m 2 0 深5 0 的圆孔，其作用就是用来固定4 根光轴。在该4 圆孔的下方还 设计了4 个同轴线的巾4 0 且贯穿下表面的圆孔，这4 个圆孔的作用就是用来方便安装和拆 卸光轴跟底座联接的紧定螺钉。此外在底座的两侧还开了两个用于起吊用的吊装孔，这样 就能给底座的搬运提供方便。底座的设计结构示意图如图3 - - 4 所示。 刻戮1藿 i 他匿缓蓁珂十l j 毳 i j 黝缆 毳 戮霾勿 彩 勿 彩 兹 图3 - 4 底座示意图 f i g 3 4b l o c kd i a g r a mo fb a s e 3 1 2 光轴( 导柱) 的设计及其强度校核”“ 该机构中的光轴是该冲击试验机的重要零件之一。它的主要作用有两个：第一，就是 在试验过程中它承受跌落台及砝码在跌落过程中带来的轴向应力以及提升过程中跌落台 给轴的径向应力。根据跌落台的跌落要求可以看出，机构对光轴的要求比较高，所以材料 的选择以及表面处理技术至关重要。在该设备中，我们选择的是天津市金港动力传动有限 公司生产的实心轴系列产品。 根据试验机的结构设计要求，轴的直径为q 3 0 ，总长度要求为1 7 1 2 m m ，故从下表中可 以选择标准现货中的外径( p 3 0 系列长度为1 8 0 0 m m 的l s 3 0 系列实心轴。由表3 1 的实心 轴系列主要参数中可以看出其有效硬化深度应大于2 m m ，实心轴的材料选用的是s u j 一2 ( 高 碳铬钢) ，其硬度h r c 高于6 0 。并且对于实心轴的表面根据要求需添加硬质镀铬层。 表3 一l 实心轴系列主要参数 1 2 轴的强度校核： 已知气压源的气压为0 7 m p a ，气液增压缸大活塞直径为4 2 皿，柱塞小径为1 5 蛐， 制动铜塞的直径为2 6 哪。因此可以计算出在制动时对轴的压力： f = p t x k 。x x ( 訇2 - o n 陬石瑚 总体来看，在校核轴的弯曲强度过程中，轴的受力情况主要是除了受到制动压力外，还受 到滑台对轴的支反力作用。其受力图如图3 - 5 所示，根据平衡条件得： f h 2 一f i f “+ f h = f f 0 0 2 6 一氏0 0 7 2 = o 故可以求得：1 0 5 2 2 8n ，只，= 2 9 1 4 1 0 5 2 2 8 = 1 8 6 1 7 2n 由于在截面c 处作用有集中载荷f ，故应以该截面为分界面，将轴划分为a c 与c b 两段， 对于a c 段，选a 点为原点，则剪力与弯矩方程分别为： 剪力为：b ，；一只，= - - 1 8 6 1 7 2n ( o x l o 0 2 6 ) 弯矩为：m l = b 】x xi = 一1 8 6 1 7 2 x l( 0 0 0 2 6 ) 对于c b 段，为计算简单，选b 点为原点，则该段的剪力与弯矩方程分别为： 剪力为：乓2 = 矗= 1 0 5 2 2 8n ( o x 2 o 0 4 6 ) 弯矩为：m 2 = 一气2 x 2 = 一1 0 5 2 2 8 x 2 ( o x 2 o 0 4 6 ) 该轴的剪力图、弯矩图如图3 - 5 所示。 可以看出，横截面c 的弯矩最大，其值为： m = 2 9 1 4 。0 而0 4 广6 x 0 0 2 6 a 4 8 4n m 由于圆形截面的抗弯曲截面系数为：睨= 篆= 曼( o 曲) 3 “2 6 5 1 。- 6 3 因此轴受到的最大弯曲应力为： = 争= 慧等硼z e m p a 根据常用材料力学性能表可以查得：4 0 c r 的许用弯曲应力【引= 7 0 护口，因为o - 。 【口 ， 故满足试验设计要求。 k a f h c 。 o o “ f 1 o 07 2 ( 丑) k 、虮以r 。 x l r n 置2 n ) 1 52 2 li i 斟 蚌i $ 4 _ m ( d ) 图3 5 光轴的受力分析图 f i g 3 - 5m e c h a n i c a la n a l y s i sd i a g r a mo f a x i s f b i b f b i 、j下11上 c t l k ，七 t 、 k i r _ ， 2 ，tj l 一、 1 j 0 t l 一 3 2 跌落滑台的设计m 卜m 1 滑台是该缓冲包装综合冲击试验机的核心部分。它主要是由以下几部分组成：主体跌 落台、砝码以及滑套等。跌落滑台的主体结构示意图如图3 - 6 所示。 图3 - 6 跌落滑台结构示意图 f i g 3 6s t r a c t a r a lb l o c kd i a g r a mo fd r o pt e s t e r 主体跌落台是进行试验的工作台，其上表面的用途较多。第一，可以用来固定砝码， f h 于在进行缓冲包装材料动态压缩试验的过程中，需经常改变跌落台的重量，因此，可以 通过改变砝码的重量，来满足试验要求；第二，可以用来固定产品，由于改进后的冲击试 验机可以做产品的脆值试验，所以新跌落台的上表面就设计成平面的形式，这样既可以满 足试验要求，还可以保护内置的增压缸。此外，上表面还设计了五个用来安装螺杆，用于 固定砝码以及产品的螺纹孔。可见图3 - - 7 所示的跌落滑台俯视结构示意图。由于跌落滑 台的材料是铸铝材质，而用于固定砝码的螺杆则是4 5 号钢加工而成的。因此，经过多次 的跌落实验后，跌落台上的螺纹孔如果不加保护的话，很容易由于跌落碰撞的原因而导致 损坏，以至无法紧固砝码a 对此，在设计过程中，在五个螺纹孔中分别安装了螺纹钢套， 螺纹钢套被永久固定在螺纹孔中，这样就可以增加螺纹孔的使用寿命，起到保护跌落台台 体的作用。 图3 7 跌落滑台俯视结构示意图 f i g 3 7l o o kd o w ns t r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo f d r o pt e s t e r 砝码是跌落台必不可少的部件之一，缓冲包装综合冲击试验机用的砝码由于考虑到其 质量跟体积的关系，分为两种来分别满足试验要求，一种是直接由低碳钢制成，这种是限 于小质量的砝码，如1k g 和2k g 系列砝码就可直接通过这种方式来制造；另外一种是低碳 钢外圈，内部灌注铅，由于铅的比重比铁的要大，这样加工而成的砝码可以减小其体积， 如5k g 和l ok g 系列砝码。 滑套用于实现跌落台的导向作用。滑套的合理设计对于试验结果具有重大影响。两侧 的滑套均被四个紧定螺钉以及两个定位销紧密的和跌落滑台主体联接在一起。在滑套中利 用过盈配合原理紧固了两个直线轴承，紧固直线轴承的目的在于减少滑台跟光轴之间的摩 擦，使得试验更符合自由跌落的要求，增加试验的精确度。在滑套中间还设计了一个用于 实现制动作用的圆孔，在孔中安装圆柱型铜柱，铜柱的一端和跌落台内增压缸的出油孔端 紧密联接在一起，实验室原有跌落台采用的是聚酯为材质的制动部件，由于聚酯柱时间久 了容易被磨损，这样就给制动带来一定的误差。采用铜为材料，主要是体现在铜相对于聚 酯来说更耐磨，原先的聚酯跟光轴是通过面接触来实现制动，而采用铜柱，是通过跟光轴 的线接触实现制动，这样的接触使得制动更具有保障。 3 3 提升装置设计m 州州 提升装置用来完成跌落台的提升运动。每次进行跌落试验，当跌落台冲击缓冲材料或 产品后会反弹，为了防止二次跌落，跌落台内的制动装置立刻制动。这时候如果需进行第 二次试验，可以通过控制边上的试验机逻辑控制按钮，启动试验机顶端的电动葫芦，由于 1 6 电动葫芦是和提升装置通过起重链条连接一起的，所以当启动电动葫芦的时候，提升装置 会随着起重链条的升降而运动。提升装置的结构示意图可如下图3 8 所示。 葬簧l 节螺母 镌4一 孱 - 一 1 一 、j lr 、 、电蠢蕞 、 、罩j e 黑封 | | _卟挂暂 图3 - 8 提升装置结构示意图 f i g 3 8s l r u c t u r a lb l o c kd i a g r a mo f e l e v a t i n gs t r u c t u r e 由图3 5 中可以看出，该提升装置主要是由电磁铁、挂钩、紧定螺钉、调节螺母以及 弹簧等组成的。提升装置中间开有两个和光轴一般大小的孔，用于导向提升滑台。为了减 小滑块跟光轴之间的摩擦，减小光轴的磨损，在设计的孔内通过过盈配合的方式固定两个 铜套，这样便可以比直接通过给提升装置的孔中添加润滑油的方式更有效的达到减小摩擦 的目的。 提升装置具体的运动路线可作如下描速：当跌落滑台被制动后，通过控制仪上的升降 按钮，启动电动葫芦，使其开始向下运动，当提升装置的挂钩接触到跌落滑台，并且钩住 跌落滑台侧边的凸出机构，与此同时，固定在跌落滑台上的行程开关发出信号，提升装置 停止向下运动。当启动上升按钮时，电动葫芦则会带动提升装置以及跌落滑台一起向上运 动，当提升装置向上运动致预先固定好的高度，该高度通过上限板来确定，上限板上固定 一行程开关。当提升装置接触到该行程开关时，行程开关则发出信号给控制台，提升运动 停止，这时候就可以进行跌落试验，按下启动试验的按钮时，推力式电磁铁通电，电磁铁 的推杆会使挂钩完全离开滑台的凸出机构对应位置，跌落滑台做自由落体运动，冲击完成 后制动控制系统启动，滑台紧抱住光轴。这样就可以等待下一次试验的进行。 3 4 电动葫芦的选择 通过测量旧机器可知原电动葫芦的提升速度约为1 6 m m i n ，根据试验要求，有时对某 一材料做测试时，需要对其进行几十次的冲击。以这个速度来说，还是显得有些慢，整个 试验下来需要花费试验人员不少时间。对此我们要设计的新机型要求速度更快些，这样便 可以节省试验人员的时间。所以，选择的提升速度应该不低于2m m i n 的电葫芦。在设计 过程中，我们选择的电动葫芦是江阴市宏宇环链电动葫芦有限公司生产的j p k 系列环链电 动葫芦。 环链电动葫芦的特点是具有结构紧凑、体积小、重量轻、操作方便、安全可靠等。这 种轻小型起重设备被广泛用于仓库、码头、建筑业以及现代化生产的流水线上，尤其适用 于空间较小的工作场所。 j p k 型环链电动葫芦按国家j b 5 3 1 7 卜9 1 设计制造，它共有四种机型：j p k i 、j p k 2 、 j p k 5 、j p k i o 。缓冲包装综合冲击试验机所选的电动葫芦是j p k 系列环链电动葫芦中的j p k l 型。j p k 型环链电动葫芦性能参数表如表3 2 所示。 表3 2j p k 型环链电动葫芦性能参数表 j p k lj p i _ 【2 型号 常速n双速m常速n双速m 链条行数 1 f2 fl f2 f1 f2 f1 f2 f 起重量姆 1 2 52 5 01 2 52 5 02 5 05 0 02 5 05 0 0 起升速度 84 8 24 1 1 0 l o 5 m m l n2 51 2 5 起升电机 0 2 o 2 0 0 5 0 5 0 5 0 1 3 功率k w 工作制度 4 04 0 2 04 0 4 0 2 0 电压v3 8 0 2 2 0 接法 y 电源频率 5 0 f z 起重链条 4 1 2 5 1 57 2 l1 0 2 8 节径节距 运行电机k w常速 o 2 双速0 2 0 0 5 运行速度常速1 4 m i l l l n 双速2 8 7 型j p k 5 j p k i o 号常速n 双速m常速n双速m 链条行数 l f2 f 1 f2 f1 f2 f1 f2 f 起重量k g 5 0 01 0 0 0 5 0 01 0 0 01 0 0 02 0 0 01 0 0 02 0 0 0 起升速度 1 051 0 2 55 1 2 5 84 8 24 l 起升电机 li 0 2 5 l _ 5 1 5 0 3 5 功率k w 工作制度 4 0 4 0 2 0 4 04 0 2 0 电压v3 8 0 2 2 0 接法y 电源频率 5 0 h z 起重链条 4 1 25 1 57 2 1 1 0 2 8 节径节距 运行电机k w常速0 2 双速0 2 0 ，0 5 运行速度常速 1 4 m m l n 双速2 8 7 根据j p k 型环链电动葫芦性能参数表以及试验要求，选择j p k l 型，又因为考虑到成 本因素，我们又根据表3 - 3 作进一步选择。 表3 - 3j p k i 系列两种型号主要参数 型号 名称 p k l n - 1 f p k l n 一2 f 起重量( 蚝) 1 2 5 2 5 0 起重链条行数 l2 起升高度( m ) 3 起升速度快速 84 m m l n慢速 2l 起升电动机功率快速 o 2 慢速 0 0 5 1 9 电源 3 3 8 0 v5 0 h z 负载持续率( ) 4 0 2 0 起重链条直径节距( k g ) 4 1 2 起重高度为三米时葫芦自重( k g ) 1 6 1 7 注：1 、标准起升高度为3 米，根据用户需要。还可以配4 6 ，8 米，j p k l 单链最高可达 1 6 米。 2 如有特殊要求还提供电源频率为6 0 h z 或其它规格电源电压。 综上所述，该冲击试验机的提升动力源即电动葫芦的选择是j p k l 系列的p k l n 一1f 型 号的环链电动葫芦。 第四章气液增压系统设计 气液增压系统部分也是该综合冲击试验机的核心部分之一。原试验机的该部分设计虽 能满足一部分试验的需求，但由于其结构部分设计的不足之处，如增压缸是外置型增压缸， 进油管暴露在外等缺陷，这就使得很多试验操作起来很不方便。因此，气液增压系统部分 设计的先进性、合理性是该冲击试验机性能优越性、技术先进性以及试验机创新点的重要 标志之一。 4 1 气液增压系统方案的确定 任何机器一般都是由原动机、传动机构和工作机构组成的。传动机构是为了适应工作 机构对力( 或力矩) 、速度( 或转速) 等的变化范围及其它操纵、控制性能的要求而设置 在原动机与工作机构之间的装置。 目前，常用的传动类型有机械传动、电气传动、流体传动及复合传动等。液压传动和 气压传动属于流体传动范畴，是以受压流体( 压力油或压缩空气) 为工作介质进行能量传 递、转换和控制的传动形式。 4 1 1 液压技术的优缺点分析n 8 1 。1 2 2 3 1 液压技术的优点 ( 1 ) 质量一功率比低。例如，高压、高速轴向柱塞液压泵的质量一功率比为o 1 5 昭 k w o 2k g k w ，而同容量发电机的质量一功率比一般为1 5 k g k w 2 0 坞 k w ，且尺寸相差悬殊，前者约为后者的1 2 1 3 ，所以液压装置的结构相 当紧凑a 这一优点对于对质量和空间尺寸有严格限制的机器设备如车辆与工程 机械有着重要意义。 ( 2 ) 快速性好。液压动力元件的惯性较小，故快速性好。例如加速液压马达一般只 需o 1 s ，而加速同功率电动机则需i s 至几s 。故液压传动允许快速启动、制动 和换向，其中液压马达可达8 次s ，往复运动液压缸可达7 次s 1 7 次s 。 ( 3 ) 能在大范围内实现无级调速。借助于阀或变量泵、变量马达等控制元件可以方 便地进行无级调速，调速比可高达2 0 0 0 ，且可获得较低的稳定速度，例如液压 马达的最低稳定转速可达1 r r a i n 液压传动还可以在运行的过程中进行调速。 2 l ( 4 ) 布局方便灵活。可随机器的需要，借助于油管，方便灵活地布置各种元件而不 受什么限制。用液压传动实现直线运动比用机械传动简单。 ( 5 ) 易于实现过载保护。借助于溢流阀等液压元件可实现自动过载保护。 ( 6 ) 运转平稳可靠，液压元件能自行润滑，使用寿命较长。 ( 7 ) 便于实现自动化和中等距离内的能量分配、传输和控制。借助各种控制阀可实 现机器运行自动化，与电气控制元件组成的电液复合系统，不但可实现更高程 度的自动控制过程，还可以实现中等距离遥控。 2 液压技术的缺点 ( 1 ) 液压传动在工作过程中常有较多的能量损失( 摩擦损失、泄漏损失) 等；液压 传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且 影响执行部分的运动平稳性及正确性。 ( 2 ) 工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。 ( 3 ) 因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。 ( 4 ) 为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高，且使用维护 需要较高技术水平。 4 1 2 气动技术的优缺点分析3 1 1 气动技术的优点 ( 1 ) 介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低( 一般不超过l m p a ) ，工作介质 提取容易，用后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器；介质清 洁，管道不易堵塞，不存在介质变质及补充等阔题。 ( 2 ) 阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小( 一般仅为油 路的千分之一) ，空气便于集中供应和远距离