概述

在此研究領(lǐng)域，國外已研制出第三代擺臂式跌落試驗機，它能在一臺緩沖器上產(chǎn)生多種力脈沖波形，并輔以高度自動化的控制以及數(shù)據(jù)采集和分析設(shè)備。

擺臂式跌落試驗機的原理是通過快速旋轉(zhuǎn)托架以達到釋放樣品并使其自由下落的目的；自由跌落式試驗機是使托架產(chǎn)生一個大于自由落體加速度的運動達到產(chǎn)品自由下落或者通過吊鉤的釋放達到產(chǎn)品自由下落。

試驗機由沖擊板、提升機構(gòu)、控制箱、跌落執(zhí)行機構(gòu)和試件固定夾具等部分組成。擺臂式跌落試驗機結(jié)構(gòu)比自由跌落式跌落試驗機復(fù)雜，能夠準確提升產(chǎn)品高度，沖擊瞬間不會產(chǎn)生干擾，能在一臺緩沖器上產(chǎn)生多種力脈沖波形且能實現(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機和擺臂式試驗機，后者是國內(nèi)外設(shè)備精細化發(fā)展的趨勢，我國第三代擺臂式跌落機處于研制階段。本項目基于擺臂式基本原理實現(xiàn)擴展功能設(shè)計，能滿足目前對較小產(chǎn)品進行跌落試驗任務(wù)要求、彌補當前設(shè)備功能不足、提高試驗精度，同時為數(shù)據(jù)采集和分析奠定基礎(chǔ)。

跌落試驗機擴展功能總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)任務(wù)需求，獲得試驗產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)，并以此確定跌落試驗機擴展功能機構(gòu)的適用范圍；同時通過文獻及實體調(diào)研，確定了跌落試驗機擴展功能的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；根據(jù)具體情況，確保跌落試驗機擴展功能機構(gòu)更安全、更方便。一套跌落試驗機擴展功能機構(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

托板分成左右兩部分對稱結(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，托板對稱軸心中間設(shè)計有深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M10的螺釘與軸座進行緊固連接；托板在工作時左右兩部分通過旋轉(zhuǎn)軸從中間同時向下翻轉(zhuǎn)。為防止托板在跌落試驗時出現(xiàn)左右兩部分向下旋轉(zhuǎn)不同步的問題，托板中間設(shè)計成齒條形交叉結(jié)構(gòu)。托板右側(cè)部分設(shè)計圖紙

旋轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度校核

軸用來固定托板、齒輪、軸承，同時實現(xiàn)托板旋轉(zhuǎn)。根據(jù)現(xiàn)有跌落試驗機托叉結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計軸長450 mm、粗端直徑36 mm、細端直徑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)計圖

旋轉(zhuǎn)軸強度校核

根據(jù)使用狀態(tài)，軸在使用時既產(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度校核，校核時按軸的細端直徑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)品最大質(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。

釋放機構(gòu)設(shè)計

托板旋轉(zhuǎn)軸另一端設(shè)計類似于棘輪機構(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，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。

擴展機構(gòu)與現(xiàn)有托架結(jié)合方式

托板安裝在原有跌落機托架上。為保證試驗過程中，跌落時產(chǎn)品和托板不與現(xiàn)有托架發(fā)生碰撞，將擴展功能機構(gòu)安裝于托架下方。跌落試驗時，托板向下旋轉(zhuǎn)與現(xiàn)有跌落試驗機不發(fā)生任何干涉。

緊固方式：擴張裝置機構(gòu)通過U型吊環(huán)與現(xiàn)有托架進行吊裝連接，吊裝點設(shè)置在軸套上，軸套上均布3個吊裝孔，使用螺釘緊固。