PVC-M管材高速落錘沖擊試驗機的設計與應用

黃 河 ， 冉文生 ， 王曉軍 ， 王麗華

（1.新疆維吾爾自治區產品質量監督檢驗研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.國家節水器材產品質量監督檢驗中心，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]的行業標準，于2008年1月發布，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、落錘機構、高度定位機構、試樣夾具、電氣控制系統及測量操作系統[3-4]。2009年，哈爾濱工業大學引進了一種重力式落錘沖擊試驗系統，該系統落錘沖擊高度較高，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、低高度產生19.8m/s的沖擊速度，便于安裝和操作的室內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 試驗機結構

該高速落錘沖擊試驗機主要由機身、試樣升降系統、提錘系統、加速度系統、電器控制系統等部分組成。

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、加工、安裝和調試都難以進行。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構可提高機身的穩定性，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、防護系統、上下板等。主體結構部分質量在1000kg左右，主要是為降低試驗機的重心，使其結構穩定并滿足安全需要。

圖1 設備裝配圖

1.1.2 試樣升降系統

本機中試樣放置部分采用可升降結構，因試樣規格較多，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固。工作臺的移動行程為650mm，滿足了直徑在630mm以內管材的裝夾。升降系統由齒輪減速電機驅動，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形結構，提高了支撐板的抗彎曲性能。另外在移動系統中為保證試樣升降平穩和承載能力，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

現有的落錘沖擊試驗機的提錘結構大部分采用電機驅動，通過傳動實現[7-8]。標準CJ/T 272——2008中規定錘體的規格共有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，錘體提升采用交流異步電機驅動，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實現了自動提錘、定位和釋放各環節的一系列動作。

1.1.4 加速度系統

本系統是本儀器的核心部分，它采用了高速液壓彈射的方式，本產品的設計難點是加速度產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生極大的推力和加速度，通過短距離的運動實現了沖擊錘體時所需的高速，從而推動錘體以規定的速度沖擊試樣，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快速加載。考慮到系統加載時間短、實際消耗流量小，采用小流量泵站配合蓄能器實現系統供油，如圖2所示。

圖2 液壓系統原理圖

2 試驗過程與結果

2.1 試驗操作過程

開啟試驗機，將狀態調節好的試樣放入V型支座上，初始狀態油缸縮回，錘體通過提錘機構提起，并置于油缸活塞端面下方；試驗時按下控制系統啟動按鈕，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，工件沖擊已經提起的錘體，錘體加速運動沖擊試樣。

2.2 試驗運行結果

在本試驗系統搭建完成后，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，操作過程簡便，結果準確。

3 結束語

本文中高速落錘沖擊試驗機是國內第一臺室內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。試驗機設計經過充分論證及制造、安裝和調試，安全運行數次無故障，設備沖擊距離短，機械性能準確、穩定，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、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型落錘式沖擊試驗機的設計及應用[J].橡膠工業，2000（10）：623-625.

[4] 毛鑄，桂良進，范子杰.落錘式沖擊實驗系統的設計開發[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構耐撞性實驗研究[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.