基于安全自鎖的扇形結構的擺錘式沖擊試驗機安全銷系統研究*

王貴勇，朱林茂，祝鐵柱，王海舟，王 蓬，趙 雷，李冬玲

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.鋼研納克檢測技術股份有限公司,北京 100081)

0 引 言

擺錘式沖擊試驗機是一種用來對材料進行沖擊的力學性能測試儀器[1]，主要測定金屬材料在動負荷下抵抗沖擊性能的大小[2]。在沖擊試驗過程中，沖擊試樣被沖斷后斷塊飛出,會對試驗人員的安全構成威脅[3]，其安全性是必須首先考慮的問題[4]。沖擊試驗的危險性一方面來自試驗時沖擊試樣被沖斷后，斷塊飛出對試驗人員的安全構成的威脅，另一方面來自試樣放置操作過程中擺錘意外釋放對試驗人員造成的威脅。

針對擺錘式沖擊試驗機的安全防護問題，國家標準明確要求，試驗機應有適當的防護裝置[5-6]；美國國家標準也明確指出，沖擊試驗機應采取安全預防措施，以保護人員免受擺錘擺動、試樣碎片、樣品加溫和冷卻介質潛在的相關危險[7-8]。沖擊試驗機安全防護裝置的重要性顯而易見。

經調研，針對沖擊試驗機的安全防護，國內外沖擊試驗機廠家主要采取全封閉防護罩、電氣互鎖及彈出式安全銷等措施。封閉式防護罩及其電氣互鎖裝置雖然可以防止斷裂試樣飛濺及試驗人員在試驗時進入試驗機內部，能夠對試驗人員及周圍人員起到一定的安全防護作用，但是對試驗人員的保護作用卻有限，尤其是試驗人員在放置試樣時如果擺錘釋放就會對試驗人員及設備造成傷害，彈出式安全銷雖然可以有效阻止擺錘意外釋放對試驗人員及設備造成傷害，但是彈出式安全銷也有其自身結構的缺點，即安全銷被擺錘撞擊之后，容易彎曲，導致安全銷不能彈出，只能重新更換零件才能繼續工作。因此，研究一種既能有效阻止擺錘意外釋放又能抗擊擺錘撞擊的安全銷系統顯得十分必要。

NI500擺錘式沖擊試驗機現有的安全防護裝置為全封閉式防護罩及彈出式安全銷防護，本研究將在其現有安全防護裝置的基礎上，通過機械結構優化和電氣改進，研究一種既能有效阻止擺錘意外釋放又能承受擺錘反復撞擊的安全銷系統。

1 結構設計

NI500擺錘式沖擊試驗機主機及彈出式安全銷示意圖如圖1所示。

圖1 NI500擺錘式沖擊試驗機主機及彈出式安全銷示意圖

試驗機的主機主要由主機機架、擺錘、彈出式安全銷系統、試樣打擊中心及試樣回收傳送帶系統等組成。

本研究基于前述彈出式安全銷的不足，設計了一種基于安全自鎖的扇形結構的擺錘式沖擊試驗機安全銷系統，采用商業軟件SolidWorks對其結構進行了設計。

扇形結構安全銷示意圖如圖2所示。

圖2 扇形結構安全銷示意圖1—支撐板；2—底座；3—扇形結構安全銷；4—光電開關；5—光電開關支架；6—限位板；7—電機固定座；8—主軸；9—步進電機

安全銷截面采用扇形結構，運動方式為旋轉運動。安全銷系統由步進電機、電機固定座、扇形結構安全銷、底座、光電開關及限位裝置等組成。

底座由金屬加工而成，底座上有軸承孔及螺釘固定孔，中間的凹槽狀結構可以使扇形結構安全銷在凹槽內來回旋轉。底座通過螺栓與沖擊試驗機主機連接。

安全銷安裝到主軸上，步進電機通過電機固定座安裝到底座上，電機驅動主軸帶動扇形結構安全銷作向上的旋轉運動。

支撐板安裝到底座的下側，用于支撐閉合狀態下的扇形結構安全銷。限位板安裝到主機底座的上側，光電開關支架與限位板通過螺栓連接，當電機驅動安全銷打開時，安全銷旋轉到光電開關附近，安裝到光電開關支架上的光電開關檢測到安全銷靠近的信號，并向電機發送停止指令，此時安全銷保持不動，處于打開狀態。

扇形結構安全銷阻止擺錘釋放示意圖如圖3所示。

圖3 扇形結構安全銷阻止擺錘釋放示意圖

扇形結構安全銷系統的工作原理為：在閉合狀態，即不給安全銷任何工作指令的情況下，扇形結構安全銷因自重回到支撐板上。在該狀態下，如果擺錘從沖擊初始位置釋放，扇形結構安全銷將把擺錘的擺桿接住，阻止其下落。當進行沖擊試驗時，扇形結構安全銷在步進電機的驅動下向上旋轉到光電限位開關附近并停止。沖擊試驗過程結束，當試驗機擺錘回到初始位置后，步進電機斷電，扇形結構安全銷將自動回到支撐板上。

扇形安全銷結構特點為：采用了獨特的扇形結構設計，使其擁有更強的抗擺桿撞擊能力。相對于前述的彈出式安全銷，在沖擊試驗機主機結構不變的情況下，扇形結構的安全銷降低了擺錘擺桿與安全銷接觸面之間的距離，即降低了擺錘釋放時與安全銷撞擊時產生的動能，可以較大程度地降低擺桿與安全銷撞擊時對彼此造成的損傷。同時，由于扇形結構安全銷的運動方式為旋轉運動，當擺錘在試驗機上來回擺動時，如果擺錘的擺動幅度足夠高，擺錘擺桿可能會與扇形結構安全銷的下端面碰撞接觸，此時，如果是彈出式安全銷結構，一旦安全銷被擺錘擺桿撞擊，巨大的沖擊能量可能會造成彈出式安全銷彎曲，導致彈出式安全銷不能正常工作。而扇形結構安全銷旋轉運動的工作方式可以很好地解決這一問題，即當擺錘擺桿與扇形結構安全銷下端面碰撞接觸時，扇形結構安全銷將做向上的旋轉運動，將碰撞產生的能量給卸掉，不會對安全銷造成任何傷害，同時也避免了撞擊對擺桿的損傷。

受力分析：擺錘擺桿和扇形安全銷采用的材質均為45號鋼，其彈性模量：210 GPa，泊松比：0.3，屈服強度不小于355 MPa。擺錘從初始位置(仰角150°)釋放，撞擊扇形安全銷，擺錘擺桿與扇形安全銷支撐面接觸時的沖擊合力為998 N，在ANSYS軟件中對碰撞情況進行模擬分析，網格劃分采用四面體結構，接觸時間為0.1 s。

擺錘擺桿撞擊扇形安全銷模擬分析圖如圖4所示。

圖4 擺錘擺桿撞擊扇形安全銷模擬分析圖

從圖4中可以看出：撞擊過程中最大的應力為143 MPa，遠小于材料的屈服強度355 MPa；撞擊過程中安全銷的最大位移變形約為0.089 mm。

綜上所述，結合45號的材料特性可知，撞擊過程中扇形安全銷產生的應變屬于材料彈性階段的變形，當擺錘擺桿離開后安全銷的位移變形將恢復到原始狀態。

2 控制系統設計

擺錘舉擺步驟示意圖如圖5所示。

沖擊試驗開始前，擺錘通常處于垂直位置，因此進行沖擊試驗時，需要將擺錘從垂直位置舉到沖擊初始位置。

擺錘式沖擊試驗機的沖擊試驗過程邏輯圖如圖6所示。

圖5 擺錘舉擺步驟示意圖

圖6 沖擊試驗過程邏輯圖

其原理為：首次進行沖擊試驗時，需要把擺錘從垂直位置向上舉擺到沖擊初始位置。扇形結構安全銷在不給電、擺錘處于沖擊初始位置及防護罩門打開的情況下，均處于閉合狀態。因此擺錘從垂直狀態向上舉擺之前，控制系統需要向安全銷發送指令讓其打開，然后擺錘在電機的驅動下從垂直狀態向上舉擺，到達沖擊初始位置，之后安全銷閉合，開啟保護作用。此時試驗人員可以進行放置試樣、關閉防護罩門等沖擊試驗準備。沖擊試驗準備結束后，準備進行沖擊試驗時，需要將安全銷打開，然后擺錘釋放進行沖擊試驗，試驗結束后擺錘在電機的帶動下再次回到沖擊初始位置，之后安全銷閉合，開啟安全保護作用。如果需要繼續進行沖擊試驗，則返回到沖擊試驗準備階段，進行下一次的沖擊試驗準備。如果不需要繼續試驗，則將擺錘放到垂直位置并結束整個試驗。

為提高安全銷系統的可靠性和安全防護性，筆者在控制系統設計時對安全銷系統進行了安全自鎖設計，即安全銷系統與防護罩門的電氣互鎖設計及安全銷系統自身的自鎖設計。

安全銷系統與防護罩門的電氣互鎖設計中，如果安全銷系統通過安裝到防護罩門上的傳感器檢測到防護罩門沒有關閉或者關閉不到位，在實驗人員執行安全銷打開命令時，安全銷系統將拒絕打開安全銷，試驗機控制系統檢測到安全銷拒絕打開的指令后，將不再執行下一步操作指令。

安全銷系統自身的自鎖設計中，考慮了兩種情況，一是如果試驗機處于待機或者斷電狀態，扇形安全銷在自身重力作用下始終處于閉合狀態；二是在試驗操作中，只要試驗人員不執行安全銷打開指令，則扇形安全銷也始終處于閉合狀態，即開啟防護作用。

由于扇形結構安全銷采用上述安全自鎖設計，在試驗操作中，試驗人員向安全銷系統發送打開的命令時，如果安全銷沒有打開，則需要檢查防護罩門是否關閉到位，或者試驗機控制系統是否處于通電狀態。

任何情況下，在不給安全銷系統指令的情況下，扇形結構安全銷始終處于閉合狀態，此時如果擺錘從沖擊初始位置落下，閉合狀態下的扇形安全銷將會把擺錘接住，阻止其繼續下落，達到保護試驗人員及相關設備的目的。在給安全銷系統指令的情況下，扇形結構安全銷在步進電機的驅動下向上旋轉打開，到達指定位置后停下。在擺錘進行大角度擺動測試中，即使擺桿與扇形結構安全銷發生接觸碰撞，扇形結構安全銷將在擺錘作用下作向上的旋轉運動，將碰撞產生的能量卸掉，因此不會對安全銷造成傷害，同時也保護了沖擊對擺桿的損傷。

3 實驗及結果分析

扇形安全銷與彈出式安全銷破壞性撞擊試驗數據統計如表1所示。

“中國特色社會主義文化，源自于中華民族五千多年文明歷史所孕育的中華優秀傳統文化，熔鑄于黨領導人民在革命、建設、改革中創造的革命文化和社會主義先進文化，植根于中國特色社會主義偉大實踐。”[2]由此可見，中國特色社會主義文化涵蓋中華優秀傳統文化、革命文化和社會主義先進文化。

表1 扇形安全銷與彈出式安全銷破壞性撞擊試驗數據統計

從表1中可以看出：在相同的試驗條件下，擺錘向下撞擊安全銷時，彈出式安全銷經過56次的撞擊之后，就會發生彎曲導致無法工作，而扇形結構安全銷經過312次的撞擊后，除了與擺桿的接觸面有一點輕微損傷外，安全銷并沒有發生明顯的變形，依然能夠正常工作；擺錘向上撞擊安全銷時，彈出式安全銷經過72次的撞擊之后就會發生彎曲導致無法工作，而扇形結構安全銷由于其工作結構特點，在被擺錘500次撞擊后，并沒有發生明顯損傷和變形。

上述試驗結果表明，扇形結構安全銷系統能夠對擺錘式沖擊試驗機擺錘的意外釋放起到很好的阻止作用，能夠有效避免擺錘因為誤操作或其他原因意外釋放對現場試驗人員及設備帶來的安全隱患。

自鎖系統試驗表明，當任一防護罩門處于打開狀態或關閉不到位時，扇形安全銷處于安全防護狀態，此時，試驗機的一切沖擊試驗操作將被禁止。

為驗證集成了扇形結構安全銷系統及安全自鎖功能的擺錘式沖擊試驗機的系統穩定性和可靠性，本研究進行了標準樣品沖擊能量對比試驗。進行標準樣品沖擊能量對比時，選擇了低能量級(27.9 J)、中能量級(81.7 J)、高能量級(127.8 J)及超高能量級(234.9 J)的標準樣品，采用錘刃半徑為R2的沖擊刀對每個能量級的樣品進行3次沖擊試驗。

標準樣品沖擊試驗能量對比如表2所示。

表2 標準樣品沖擊試驗能量對比

從表中2可以看出：沖擊能量的示值結果均在標準樣品的能量誤差范圍內。

4 結束語

研究結果表明，基于安全自鎖功能的扇形結構安全銷系統不僅能有效阻止擺錘的意外釋放，也能有效承受擺錘的反復撞擊，且集成了該安全銷系統的擺錘式沖擊試驗機性能穩定，在提高整機安全防護性能的同時，也提高了整機的使用壽命。

相關研究成果已應用到鋼研納克檢測技術股份有限公司擺錘式沖擊試驗機的生產當中，可為沖擊試驗機的安全防護提供設計參考。