內容提要

    針對目前國內 跌落試驗機不能完成較小產品跌落試驗且精度低的問題，通過在現有跌落托架的基礎上增加擴展裝置、擴展平臺后能滿足目前對較小產品進行跌落試驗的任務要求，彌補當前設備功能不足、提高試驗精度、提升設備能力，達到設備穩定可靠的要求。該套跌落試驗機能夠滿足國家軍用標準和國家標準的試驗技術指標。

引言

    在此研究領域，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生多種力脈沖波形，并輔以高度自動化的控制以及數據采集和分析設備。
    擺臂式跌落試驗機的原理是通過快速旋轉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生一個大于自由落體加速度的運動達到產品自由下落或者通過吊鉤的釋放達到產品自由下落。
    試驗機由沖擊板、提升機構、控制箱、跌落執行機構和試件固定夾具等部分組成。擺臂式跌落試驗機結構比自由跌落式跌落試驗機復雜，能夠準確提升產品高度，沖擊瞬間不會產生干擾，能在一臺緩沖器上產生多種力脈沖波形且能實現數據采集和分析。
    國內已研制完成第二代自由跌落式試驗機和擺臂式試驗機，后者是國內外設備精細化發展的趨勢，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擴展功能設計，能滿足目前對較小產品進行跌落試驗任務要求、彌補當前設備功能不足、提高試驗精度，同時為數據采集和分析奠定基礎。

    跌落試驗機擴展功能總體結構設計

    根據任務需求，獲得試驗產品相關參數，并以此確定跌落試驗機擴展功能機構的適用范圍；同時通過文獻及實體調研，確定了跌落試驗機擴展功能的總體結構設計；根據具體情況，確保跌落試驗機擴展功能機構更安全、更方便。一套跌落試驗機擴展功能機構主題結構由托板和釋放兩大部分組成。

    托板結構設計

    托板(ban)分(fen)(fen)成左(zuo)右(you)兩部(bu)分(fen)(fen)對稱(cheng)(cheng)結構，長360 mm、寬170  mm、厚20 mm，材料6061，能滿足產(chan)品(pin)尺寸（250 mm×250 mm×250 mm）、重(zhong)15 kg的需(xu)求。為滿足圓球類產(chan)品(pin)平穩放置，托板(ban)對稱(cheng)(cheng)軸心中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)設計有深5 mm，直徑(jing)30 mm半圓球形凹槽；托板(ban)兩端通過軸座固定在旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)軸上，托板(ban)每端使用8個M10的螺釘與軸座進行(xing)緊固連(lian)接；托板(ban)在工作時(shi)左(zuo)右(you)兩部(bu)分(fen)(fen)通過旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)軸從(cong)中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)同時(shi)向下翻(fan)轉(zhuan)(zhuan)。為防止托板(ban)在跌落試(shi)驗(yan)時(shi)出現(xian)左(zuo)右(you)兩部(bu)分(fen)(fen)向下旋(xuan)轉(zhuan)(zhuan)不同步的問題，托板(ban)中(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)(jian)設計成齒條形交叉結構。托板(ban)右(you)側部(bu)分(fen)(fen)設計圖紙(zhi)見圖1。

    旋轉軸結構設計及強度校核

    軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)用來固(gu)定托(tuo)(tuo)板(ban)、齒輪(lun)、軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承，同時實(shi)現托(tuo)(tuo)板(ban)旋(xuan)轉。根據(ju)現有跌落試驗機托(tuo)(tuo)叉結(jie)構(gou)尺寸，設計軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)長450 mm、粗端(duan)直徑(jing)36 mm、細端(duan)直徑(jing)30 mm，材料45。軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)的一端(duan)通過B型鍵安裝(zhuang)齒輪(lun)，另(ling)一端(duan)安裝(zhuang)托(tuo)(tuo)板(ban)和(he)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)套(tao)(tao)；固(gu)定托(tuo)(tuo)板(ban)的軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)座布置在軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)套(tao)(tao)兩端(duan)，軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)與(yu)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)套(tao)(tao)間通過軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承連接(jie)以(yi)實(shi)現軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)旋(xuan)轉；軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承位于軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)套(tao)(tao)的兩端(duan)，軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承與(yu)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)和(he)軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)套(tao)(tao)間采用過盈(ying)配(pei)合，軸(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)的結(jie)構(gou)設計圖見(jian)圖2。

    旋轉軸強度校核

    根據使用狀態，軸在使用時既產生彎曲變形又產生扭轉變形，應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。
    軸的質量m1=9.92 kg；
    托板質量m2=1.65 kg；
    產品質量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W=πd3/16=5.3×10-6

    滿足使用要求。
釋放機構設計

托(tuo)(tuo)板(ban)(ban)旋轉(zhuan)軸另一端設計類似于棘輪(lun)(lun)機(ji)構裝置，具有自鎖功(gong)能。棘輪(lun)(lun)擋(dang)(dang)(dang)銷與電(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)相連接(jie)(jie)，釋(shi)放產品時，電(dian)磁(ci)(ci)鐵(tie)通電(dian)快(kuai)速(su)(su)吸開棘輪(lun)(lun)擋(dang)(dang)(dang)銷；擋(dang)(dang)(dang)銷與棘輪(lun)(lun)接(jie)(jie)觸的面(mian)設計成(cheng)圓弧面(mian)，使擋(dang)(dang)(dang)銷與棘輪(lun)(lun)成(cheng)線接(jie)(jie)觸，減少摩擦力；齒輪(lun)(lun)下方設有拉(la)緊彈(dan)簧，釋(shi)放瞬間(jian)在彈(dan)簧的拉(la)力作用下，托(tuo)(tuo)板(ban)(ban)獲得初始加速(su)(su)度(du)，使托(tuo)(tuo)板(ban)(ban)快(kuai)速(su)(su)向下旋轉(zhuan)130 °，使產品不受干涉自由下落(luo)，完成(cheng)跌落(luo)試驗。齒輪(lun)(lun)結構設計尺寸如下圖左(zuo)圖所(suo)示(shi)，棘輪(lun)(lun)釋(shi)放機(ji)構示(shi)意如下圖右(you)圖所(suo)示(shi)。

    擴展機構與現有托架結合方式

    托板安裝在原有跌落機托架上。為保證試驗過程中，跌落時產品和托板不與現有托架發生碰撞，將擴展功能機構安裝于托架下方。跌落試驗時，托板向下旋轉與現有跌落試驗機不發生任何干涉。
    緊固方式：擴張裝置機構通過U型吊環與現有托架進行吊裝連接，吊裝點設置在軸套上，軸套上均布3個吊裝孔，使用螺釘緊固。

    總結

    本文通過對跌落試驗機多方位調研，吸取了跌落試驗機結構及運行優點，針對產品結構及尺寸特征，終確定了跌落試驗機擴展裝置機構的主體構架及運行機制，使其具有安全可靠、操作簡易的特點。 
    設計過程中遇到一些技術難題：托板在跌落試驗時左右兩部分向下旋轉時可能存在不同步的問題，受試產品不能實現自由落體運動，達不到試驗目的；托板在跌落試驗時，快速向下旋轉后可能存在回彈，撞擊產品，對產品造成損壞。
    為防止托板在跌落試驗時左右兩部分向下旋轉不同步的問題，托板中間設計成齒條形交叉結構，簡單、運行安全可靠、成本低；在齒輪下方添加一拉緊彈簧，有效防止托板回彈，同時在托板跌落瞬間給托板初加速度，設計巧妙，一舉兩得。
    跌落試驗機擴展裝置機構的應用將有效地進行小產品（250 mm×250 mm×250 mm）跌落試驗，試驗過程中能夠保證人身安全、產品安全、試驗安全等，進而達到安全生產、高效試驗的目的。