普通暖壺防爆底座設計

王鑫宇 郭 強 董秉聿 李睿 唐夢珊 薛仲卿

太原工業學院 （山西太原 030008）

暖壺是日常生活中必不可少的用具，現有暖壺的內膽由玻璃制成，不小心碰倒或摔落后內膽極易破碎，為此需頻繁更換內膽。在公共場所，內膽的破碎還會給公眾帶來安全隱患。暖壺的這一缺陷給生活帶來了不必要的麻煩。

呂闖等[1]應用剛體碰撞理論對潛孔鉆進系統的能量傳遞過程進行了分析和對比計算。謝志民等[2]將圓柱殼受軸向撞擊破壞簡化為一維問題，應用一維應力波傳播的理論分析了破壞的過程，由此計算了圓柱殼的吸能能力。陸紅等[3]以基礎物理學的碰撞原理應用動量守恒定律將錘與樁作為一個體系，建立起錘機位移與運動速度之間的關聯，推導出了錘擊力的估算公式。師曉陽等[4]在壺皮上設置了固定卡槽并在壺膽上設置軟橡膠套，通過旋轉使二者嚙合在一起，當底座意外脫落時，由于摩擦力的作用，可大幅度減緩壺膽的脫落時間，使人可以立即作出反應來應對，同時可使壺膽不搖晃。劉艷豐等[5]在壺膽外殼設置了一個上端開口而底部封閉的外殼，壺膽從壺膽外殼的上部裝入，壺膽外殼的上端與外殼蓋通過螺紋相連接，壺膽中部套有橡膠圈，壺膽與壺膽外殼之間由泡沫所填充，壺膽的底部有壺膽墊、橡膠圈，在暖壺摔倒時起到緩沖作用；底座內部與壺膽外殼底部之間連接有一個塔形彈簧, 在暖壺豎直下落時起到緩沖和防止壺膽爆裂的作用。王少攀等[6]將暖壺的上殼體和下殼體在外殼處通過絲扣連接，上殼體內壁設有與內膽上部外壁接觸的泡沫護罩，下殼體內設有與內膽下部外壁接觸的支撐殼，并在下殼體與支撐殼之間設有彈性緩沖結構。

以上設計者的設計方案均改變了暖壺外殼的結構，成本造價相對較高，推廣性相對較差。基于此，設計了一種可直接用于常規暖壺的新型底座，該裝置簡單便捷并能夠有效提高暖壺的抗摔性能。

1 暖壺防爆實驗

1.1 設計思路

由于常用暖壺底托與壺膽為環形接觸面，測得外環直徑D1=7.5 cm=7.5×10-2m，內環直徑D2=6.1 cm=6.1×10-2m，有：

那么，可求得壺膽單位面積所受應力：

根據沖量定義：Ft=mv1-mv2，可得F=-mv2/t。由于普通暖壺外殼可近似作為剛性體，當暖壺外殼落地一瞬間速度由v 降為0 時，可假設同一組實驗一瞬間所用的時間為Δt 且其與高度無關，同時將實驗裝置總質量mZ代入，有：

其中：m瓶為空暖壺質量，1.5 kg；ρ水為水的密度（1 000 kg/m3）；VZ為暖壺容積，3.7 L；mf為附加防爆裝置材料質量，kg；g 為重力加速度，9.8 m/s2；h 為暖壺墜落高度，0.25 m。

由于壺膽破碎時受到的最大應力（破碎極限）僅與材料本身的特性及使用環境有關，而與墜落高度和質量無關，如果假定所用暖壺、壺膽特性及實驗環境相同，忽略操作誤差等不確定因素干擾，那么壺膽破碎時就會有一個唯一的破碎極限，記為σlim。

由于落地碰撞時間（沖量時間）較短，無法測量，故選取普通暖壺（沒有增加緩沖防爆裝置）進行高度變化滿水墜落實驗，測定其破碎時壺膽單位面積所受最大應力，令其沖量時間為Δt1，作為基準值與后續實驗建立關聯，推測并分析不同緩沖設計下沖量時間演化情況。

另外，依據正常成年人平均身高、臂長特征以及常用暖壺高度，在一般使用情況下暖壺底部距離地面不足0.2 m，因此，只要保證暖壺在裝滿水時于距地面0.2 m 處墜落壺膽不出現爆裂情況，即可滿足實際使用的安全需求。

1.2 實驗準備及裝置

普通暖壺、壺膽若干，工具箱一件，海綿墊一片，細鐵絲網一張，電子秤一臺，硅膠一塊，橡皮筋，棉花，彈力布，小彈簧，卷尺，塑料繩，燒杯，20 mL 滴定管，剪刀等。

普通暖壺規格：容量約3 700 mL。各部件質量：皮搋子（暖壺底墊）0.2 kg，丁腈橡膠每層0.17 kg，彈簧每層0.92 kg，底座0.1 kg。擬進行6 組實驗，所對應防爆底座設計如圖1 所示。

圖1 暖壺底座及防爆裝置設計模型

2 實驗結果及分析

2.1 實驗結果

（1）可將普通暖壺外殼近似看作為剛性體，滿水未添加緩沖材料時，外力均直接通過壺膽底托作用于壺膽，設在落地一瞬間壺膽速度由v 降為0 所用的時間為Δt1，實驗裝置總質量為5.2 kg，具體實驗數據及計算結果如表1 所示。

（2）添加一層丁腈橡膠材料，外力通過丁腈橡膠→壺膽底托后作用于壺膽，設在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0 所用的時間為Δt2，實驗裝置總質量為5.37 kg，具體實驗數據及計算結果如表2 所示。

表1 不同高度下普通暖壺滿水落地數據

表2 添加丁腈橡膠后的落地數據

算出 Δt2：2.66/Δt1=3.88/Δt2，則 Δt2/Δt1=1.46。

（3）添加一層彈簧后，外力均通過彈簧、壺膽底托作用于壺膽，設在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0 所用的時間為Δt3，實驗裝置總質量為6.12 kg，具體實驗數據及計算結果如表3 所示。

表3 添加一層彈簧后的落地數據

算出 Δt3：2.66/Δt4=4.43/Δt3，則 Δt3/Δt1=1.67。

（4）同時添加一層彈簧及丁腈橡膠，外力均通過彈簧→丁腈橡膠→壺膽底托后作用于壺膽，設在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0 所用的時間為Δt4。實驗裝置總質量為6.29 kg，具體實驗數據及計算結果如表4 所示。

算出 Δt4：2.66/Δt1=5.25/Δt4，則 Δt4/Δt1=1.97。

（5）同時添加兩層彈簧及丁腈橡膠，外力均通過彈簧→丁腈橡膠→彈簧→丁腈橡膠→壺膽底托后作用于壺膽，設在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0所用的時間為Δt5。實驗裝置總質量為7.48 kg，具體實驗數據及計算結果如表5 所示。

表4 添加一層彈簧及丁腈橡膠后的落地數據

表5 添加兩層彈簧及丁腈橡膠后的落地數據

算出 Δt5：2.66/Δt1=8.83/Δt5，則 Δt5/Δt1=3.31。

（6）同時添加兩層彈簧及丁腈橡膠及一個橡膠底墊，外力均通過彈簧→丁腈橡膠→彈簧→丁腈橡膠→橡膠底墊→壺膽底托后作用于壺膽，設在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0 所用的時間為Δt6。實驗裝置總質量為7.68 kg，具體實驗數據及計算結果如表6 所示。

表6 添加兩層彈簧、丁腈橡膠及一個橡膠底墊后的落地數據

算出 Δt6：2.66/Δt1=11.11/Δt6，則 Δt6/Δt1=4.18。

2.2 分析與討論

由實驗數據和計算結果可清晰看出，每一組的Δti/Δt1均大于1，說明緩沖材料可吸收碰撞產生的能量，延長其與壺膽接觸時間，從而提升暖壺的防爆性能。

從5 組添加緩沖材料的實驗結果來看，時間都有所延長，但是結構不同、材料不同，延長接觸時間的能力不同，達到的效果不盡相同。相較而言，實驗6 所用的結構與材料，即同時添加兩層彈簧、丁腈橡膠及一個橡膠底墊，所延長的時間更長，內容更完善，防爆效果更好。

3 結論

基于實驗情況，產生了對暖壺底座進行全新設計的構想：該結構為一個獨立的底托，用戶在使用時，可將暖壺原底托擰下，再裝上本裝置，達到減震防爆的效果。同時，由于該裝置比原底托增加了長度，故在使用時，可減小離地距離，降低了由于失手而導致暖壺掉地破碎的風險。以下為設計方案：

該裝置上方為丁腈橡膠制成的凹型防護件，在凹型防護件的下面鋪設一層硅膠起緩沖作用，再在下方裝一層硬襯墊用來固定彈簧組，彈簧組的下端為一個可上下活動并有一定活動區間的底托。該活動裝置類似于自行車的避震裝置，當不慎失手導致暖壺落地時，可活動底托通過壓縮彈簧，達到泄力的效果，即減小其單位面積的壓強。裝置的上下兩端均設有卡扣，防止內部零件脫落。設計總高度為6～7 cm，是普通暖壺底座的1.5～2 倍，設計總質量約為1.6 kg，具體如 2 所示。

圖2 新型暖壺底座設計構想圖

相比其他材料，彈簧的形變性能遠高于塑料，對壺膽的減震緩沖起到了至關重要的作用。