內(nèi)容提要

    針對(duì)目前國內(nèi) 跌落試驗(yàn)機(jī)不能完成較小產(chǎn)品跌落試驗(yàn)且精度低的問題，通過在現(xiàn)有跌落托架的基礎(chǔ)上增加擴(kuò)展裝置、擴(kuò)展平臺(tái)后能滿足目前對(duì)較小產(chǎn)品進(jìn)行跌落試驗(yàn)的任務(wù)要求，彌補(bǔ)當(dāng)前設(shè)備功能不足、提高試驗(yàn)精度、提升設(shè)備能力，達(dá)到設(shè)備穩(wěn)定可靠的要求。該套跌落試驗(yàn)機(jī)能夠滿足國家軍用標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)。

引言

    在此研究領(lǐng)域，國外已研制出第三代 擺臂式跌落試驗(yàn)機(jī)，它能在一臺(tái)緩沖器上產(chǎn)生多種力脈沖波形，并輔以高度自動(dòng)化的控制以及數(shù)據(jù)采集和分析設(shè)備。
    擺臂式跌落試驗(yàn)機(jī)的原理是通過快速旋轉(zhuǎn)托架以達(dá)到釋放樣品并使其自由下落的目的；自由跌落式試驗(yàn)機(jī)是使托架產(chǎn)生一個(gè)大于自由落體加速度的運(yùn)動(dòng)達(dá)到產(chǎn)品自由下落或者通過吊鉤的釋放達(dá)到產(chǎn)品自由下落。
    試驗(yàn)機(jī)由沖擊板、提升機(jī)構(gòu)、控制箱、跌落執(zhí)行機(jī)構(gòu)和試件固定夾具等部分組成。擺臂式跌落試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)比自由跌落式跌落試驗(yàn)機(jī)復(fù)雜，能夠準(zhǔn)確提升產(chǎn)品高度，沖擊瞬間不會(huì)產(chǎn)生干擾，能在一臺(tái)緩沖器上產(chǎn)生多種力脈沖波形且能實(shí)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(yàn)機(jī)和擺臂式試驗(yàn)機(jī)，后者是國內(nèi)外設(shè)備精細(xì)化發(fā)展的趨勢(shì)，我國第三代擺臂式跌落機(jī)處于研制階段。本項(xiàng)目基于擺臂式基本原理實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)，能滿足目前對(duì)較小產(chǎn)品進(jìn)行跌落試驗(yàn)任務(wù)要求、彌補(bǔ)當(dāng)前設(shè)備功能不足、提高試驗(yàn)精度，同時(shí)為數(shù)據(jù)采集和分析奠定基礎(chǔ)。

    跌落試驗(yàn)機(jī)擴(kuò)展功能總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    根據(jù)任務(wù)需求，獲得試驗(yàn)產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)，并以此確定跌落試驗(yàn)機(jī)擴(kuò)展功能機(jī)構(gòu)的適用范圍；同時(shí)通過文獻(xiàn)及實(shí)體調(diào)研，確定了跌落試驗(yàn)機(jī)擴(kuò)展功能的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；根據(jù)具體情況，確保跌落試驗(yàn)機(jī)擴(kuò)展功能機(jī)構(gòu)更安全、更方便。一套跌落試驗(yàn)機(jī)擴(kuò)展功能機(jī)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(shè)計(jì)

    托板分成左右兩部分對(duì)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(duì)稱軸心中間設(shè)計(jì)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(gè)M10的螺釘與軸座進(jìn)行緊固連接；托板在工作時(shí)左右兩部分通過旋轉(zhuǎn)軸從中間同時(shí)向下翻轉(zhuǎn)。為防止托板在跌落試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)左右兩部分向下旋轉(zhuǎn)不同步的問題，托板中間設(shè)計(jì)成齒條形交叉結(jié)構(gòu)。托板右側(cè)部分設(shè)計(jì)圖紙見圖1。

    旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核

    軸用來固定托板、齒輪、軸承，同時(shí)實(shí)現(xiàn)托板旋轉(zhuǎn)。根據(jù)現(xiàn)有跌落試驗(yàn)機(jī)托叉結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)軸長450 mm、粗端直徑36 mm、細(xì)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(shí)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(shè)計(jì)圖見圖2。

    旋轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度校核

    根據(jù)使用狀態(tài)，軸在使用時(shí)既產(chǎn)生彎曲變形又產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，應(yīng)使用彎扭組合變形強(qiáng)度校核，校核時(shí)按軸的細(xì)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

托板旋轉(zhuǎn)軸另一端設(shè)計(jì)類似于棘輪機(jī)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(shí)，電磁鐵通電快速吸開棘輪擋銷；擋銷與棘輪接觸的面設(shè)計(jì)成圓弧面，使擋銷與棘輪成線接觸，減少摩擦力；齒輪下方設(shè)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(yàn)。齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸如下圖左圖所示，棘輪釋放機(jī)構(gòu)示意如下圖右圖所示。

    擴(kuò)展機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有托架結(jié)合方式

    托板安裝在原有跌落機(jī)托架上。為保證試驗(yàn)過程中，跌落時(shí)產(chǎn)品和托板不與現(xiàn)有托架發(fā)生碰撞，將擴(kuò)展功能機(jī)構(gòu)安裝于托架下方。跌落試驗(yàn)時(shí)，托板向下旋轉(zhuǎn)與現(xiàn)有跌落試驗(yàn)機(jī)不發(fā)生任何干涉。
    緊固方式：擴(kuò)張裝置機(jī)構(gòu)通過U型吊環(huán)與現(xiàn)有托架進(jìn)行吊裝連接，吊裝點(diǎn)設(shè)置在軸套上，軸套上均布3個(gè)吊裝孔，使用螺釘緊固。

    總結(jié)

    本文通過對(duì)跌落試驗(yàn)機(jī)多方位調(diào)研，吸取了跌落試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及尺寸特征，終確定了跌落試驗(yàn)機(jī)擴(kuò)展裝置機(jī)構(gòu)的主體構(gòu)架及運(yùn)行機(jī)制，使其具有安全可靠、操作簡易的特點(diǎn)。 
    設(shè)計(jì)過程中遇到一些技術(shù)難題：托板在跌落試驗(yàn)時(shí)左右兩部分向下旋轉(zhuǎn)時(shí)可能存在不同步的問題，受試產(chǎn)品不能實(shí)現(xiàn)自由落體運(yùn)動(dòng)，達(dá)不到試驗(yàn)?zāi)康模煌邪逶诘湓囼?yàn)時(shí)，快速向下旋轉(zhuǎn)后可能存在回彈，撞擊產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品造成損壞。
    為防止托板在跌落試驗(yàn)時(shí)左右兩部分向下旋轉(zhuǎn)不同步的問題，托板中間設(shè)計(jì)成齒條形交叉結(jié)構(gòu)，簡單、運(yùn)行安全可靠、成本低；在齒輪下方添加一拉緊彈簧，有效防止托板回彈，同時(shí)在托板跌落瞬間給托板初加速度，設(shè)計(jì)巧妙，一舉兩得。
    跌落試驗(yàn)機(jī)擴(kuò)展裝置機(jī)構(gòu)的應(yīng)用將有效地進(jìn)行小產(chǎn)品（250 mm×250 mm×250 mm）跌落試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中能夠保證人身安全、產(chǎn)品安全、試驗(yàn)安全等，進(jìn)而達(dá)到安全生產(chǎn)、高效試驗(yàn)的目的。