拉伸试验仪的智能保护控制罩设计与研究★

黄雅琴，齐晓慧，刘永杰，郑泽浩，向金晶

(南华大学土木工程学院,湖南 衡阳 421001)

1 研究背景

拉伸试验仪在测试材料力学性能方面有着至关重要的作用，被广泛应用于教学。然而，现有的大多数拉伸试验仪忽视了实验过程中可能存在的安全问题，比如未考虑防护装置的设置，因而极易出现安全问题。本研究考虑到拉伸试验仪作为教学用具的特殊性，因此，设计一种安全系数高、适用于教学的防护装置势在必行。胡旭林[1]在其关于万能材料实验机防护罩的专利中提出了圆形金属网罩的防护。胡伟萍、胡凤英[2]在具有安全防护以及噪声隔离工程的拉伸试验机一文中采用了聚碳酸酯材料板和柱子围成全封闭的挡板。虽然上述研究对拉伸试验仪的防护功能进行了改进，提高了拉伸试验仪在使用过程中的安全系数，但仍存在不便观察实验过程和噪声过大等问题，因而降低了拉伸试验仪在教学方面的使用性能。此外，以上设计虽然在一定程度上降低了拉伸试验仪工作时的危险性，但就某些设计而言仍存在安全问题，有很大的改进空间。且现有关于拉伸试验仪保护罩的大部分研究没有对拉伸试验仪的防护性能进行系统性的改进。本研究参考电梯的监测装置[3]，在保护罩内安装摄像头，可以清晰地观察实验过程，并能对实验过程进行录像，应用于多媒体教学，从而能够大大提高拉伸试验仪的教学性能。同时，为了能达到更好的防护效果，计划从根源上降低试件飞溅的可能性，考虑到夹头与试件之间的受力状况[4]也很大程度上影响着拉伸试验仪的准确度[5]，故本设计计划采用塑胶夹头[6]增大试件与夹头之间的面积，使试件在拉伸过程中被夹部分受力面积更加均匀，达到提高试验准确度的目的，以及降低试件因夹不稳而脱落的安全问题的概率。

本研究针对现有拉伸试验仪的保护罩存在的问题，从提高安全系数、减少噪声、便于观察操作、提高教学性能等方面做出了改进。

2 研究目的与意义

针对未配置防护装置的拉伸试验仪，通过改进和创新现有的防护罩，设计一种智能保护控制罩。在满足其具备基本的安全性能的基础上，增加降噪、清洁的功能。并考虑其用于教学的特殊性，设计多媒体装置，便于情景教学，提高课堂教学的效率和质量，增加扩大该保护罩的适用范围。

2.1 研究目的

在材料力学实验中，拉伸试验仪最常用金属材料及构件的拉伸试验,也可用于塑料,混凝土,水泥等非金属材料同类试验的检测。因此拉伸材料试验仪的使用十分广泛，但试验仪在使用过程中存在很大的安全隐患，主要体现在试件因为夹固不牢而脱落飞出，此外，在拉伸试验过程中，由于试件与夹头之间的摩擦作用，会产生许多碎屑。而长期不清理碎屑会降低实验精度，夹头磨损会缩短试验仪的使用寿命。并且，实验过程中产生的噪声会损伤实验人员听力。而现今用于试验的试验仪往往缺少保护措施或者现存的保护措施不足以解决以上全部问题，故本研究根据目前试验仪以及现存保护罩存在的诸多能够改进的问题做了系统的梳理以及研究，最终设计出集防护、清洁、监控、教学功能于一体的智能保护罩。

2.2 研究意义

拉伸试验仪用于针对各种材料进行仪器设备力学性能试验用的机械加力的试验机，故适用范围很广泛，主要包括实验室内实验人员的研究、教学方面等等。基于以上特质，拉伸试验仪的安全性以及适用性就十分重要，做出相对应的改进措施迫在眉睫。故本研究针对目前拉伸试验仪以及防护罩存在的诸多问题所做的在加强防护、减少噪声方面的改进能大大增强实验人员使用拉伸试验仪时的安全，能在将试验仪用于教学过程中保证首次使用该实验仪器的人员的安全问题，确保学生更加清晰观察实验现象，对实验现象进行分析，也能在一定程度上保证实验仪器的清洁，延长试验仪的使用寿命。材料的拉伸试验是材料学科最基本的一门试验，而材料当今已成为国民经济建设、国防建设和人民生活的重要组成部分，保证材料性能研究的精度，确保每一个实验人员绝对的安全是在研究材料过程中不可缺少的一环。

3 研究方案

本装置考虑到现存防护罩的种种问题，计划能达到防护、监控、清洁等目的，故本智能保护控制罩主要由保护实验人员安全的防护装置，智能保护升降控制系统和多媒体教学装置共同构成。其主要增加的功能包括防护、降音、清洁、监控、记录。

防护装置主要由防护挡板、相适配的智能保护升降控制器和多媒体教学装置组成。防护挡板的形状为曲面，材料为钢化玻璃；智能升降挡板控制器的动力来源为电力驱动，通过与互联网相结合，在智能保护控制系统作用下，控制曲面钢化挡板升降；同时为提高金属夹头工作的稳定性，不会因夹护试件不牢，而造成试件脱落，对实验人员的安全造成威胁，于是，在金属夹头上镶上橡胶内垫，以达到降低拉伸试验过程中试件脱落风险的目的，此外，橡胶内垫可定期更换，延长了金属夹头的使用寿命；下夹头处设有接屑装置，接屑装置可灵活拆卸与组装，接屑盘通过阻挡铁屑飞溅，收集于固定盘中定期清理，起到对实验过程中产生铁屑的清理；为不影响试验人员的实验观察效果，在防护装置内设有多个摄像头，用于监控并记录实验进程，教研过程中内实验仪器有限，通过将监测视频投入多媒体教学中使用，能提高教学效率，也能解决初次接触该实验的实验人员的潜在安全问题，一旦实验仪器出现任何安全问题，试验人员可通过智能保护升降控制系统中的手机端APP远程终止实验，并通过摄像头监控得到的视频进行分析和复盘，在保证试验人员安全的基础上提高了教学性能。多媒体教学装置包括广角摄像头、局域无线网及配套系统、音响设备，在智能保护升降控制系统的控制下，教师可通过手机端APP实现远程教学。

3.1 防护装置设计

防护装置设计分为挡板设计和夹头设计，挡板通过连接互联网进行驱动装置运行控制。挡板不仅能起到防护作用，其表面粘贴的消音材料也能很大程度上起到降噪作用。而夹头的设计更是从根源上对夹头与试件的连接进行了加固，通过增大试件与夹头的摩擦阻力，降低夹头飞溅的风险。同时，接屑装置的设计可对拉伸试验仪进行更好地维护和清洁，延长仪器的使用寿命。

3.1.1 挡板设计

挡板分为前挡板和后挡板，前挡板采用钢化玻璃，为节省材料，降低防护罩成本，后防护板可以采用木质挡板。如此既不会全封闭影响实验观察，也能降低防护罩成本，适合大规模使用。

前挡板呈半圆柱曲面形状，采用曲面钢化玻璃，前挡板与滑动支座相联结，可沿支架上的导轨上下滑动；后挡板呈矩形平面，采用木质挡板，其表面粘贴有消音材料。通过在木质挡板上打孔，用螺钉与试验机的左右支架固定。首先采用钢化玻璃能够达到防护的目的，钢化玻璃本质是一种预应力玻璃，其自带的抗压和抗冲击的所用能首先抵消表层应力，从而减缓了试件飞溅速度，起到一定的防护效果。其次材料采用钢化玻璃这种材料能起到一定隔音作用，但也不会完全消音，能在保证实验效果的基础上对实验人员的听力能起到一定的保护作用。同时钢化玻璃也是在保证实验人员安全的基础上，最便于实验人员安全观察实验现象的最好选材，前后都选用玻璃挡板能够在教学过程中便于同学观察实验变化。最后，前后挡板均可拆卸，便于清洗油垢灰尘。

3.1.2 驱动装置

驱动装置由滑动支座、导轨、电机、软轴、成形轴套和支架机构组成。以电机为动力来源，为保证供电稳定，电机采用交流电，同时考虑到松下交流伺服电机具有过流、过压、过载等保护装置，性能稳定可靠，故采用松下交流电机。至于挡板与驱动装置的连接，计划将前挡板固定于滑动支座，电机驱动软轴运动，软轴带动滑动支座沿着导轨运动，前挡板随支座上下运动，在智能保护升降系统的作用下，实现挡板的升降运动。在电机的蜗轮输出端装有一个链轮，软钢丝的外层有一层可以储油的植绒，起润滑作用，一根钢丝缠绕在由几根细钢丝烧成的软钢丝上，即为软轴，软轴的外轮廓相当于一根链条，软轴装在成形轴套中，同时与滑动支座相联结。支架机构安装在拉伸试验仪的左右两侧，上面安有导轨，滑动支座可在导轨上下运动。

3.1.3 夹头设计

现有的大部分拉伸试验仪都采用金属夹头，且会在夹头上涂抹润滑油进行维护。然而，经过多次试验，金属夹头与试件之间油污逐渐增多，试件与夹头之间的摩擦阻力逐渐降低，从而增加试件在实验过程中逐渐加载脱落飞出的风险，从而降低实验的安全性能。故本研究考虑到此，设计在金属夹头内部镶上橡胶内垫，以达到增大夹头与试件接触部分摩擦阻力的目的，同时也能具有良好的消音、减震的效果。此外，橡胶垫可随时从夹头上拆卸下来，方便更换，可以延长拉伸试验仪夹头的使用寿命。

3.1.4 接屑装置设计

接屑装置由碗状外壳和圆柱形盘槽组成，碗状外壳通过螺栓固定在下夹头下部，圆柱形盘槽与碗装外壳下侧紧密相连。外壳呈光滑半球形状，通过卡槽与圆柱形槽拼接而成，便于拆卸清洗。接屑装置总体与下夹头形成一个紧密的整体，可随下夹头移动。在实验过程中，试件在夹头的作用下被拉伸，与夹头的摩擦过程中会产生碎屑。接屑装置的作用机理主要是在拉伸实验过程中，产生的铁屑首先被碗状外壳阻拦，其次在自重作用下铁屑向底部滑落，最后汇入圆柱形盘槽。实验完成后，试验人员可单独取出圆柱形盘槽以清除铁屑。

3.1.5 降噪装置设计

降噪装置由复合隔音挡板、不锈钢限位槽、螺钉组成。复合隔音挡板由双层多孔木板和吸音材料组成，在木板夹层填充吸音材料。用胶水将复合隔音挡板粘在不锈钢限位槽上，再用螺钉固定在拉伸试验机背面的木质挡板上。其作用机理为：木板上有许多微小孔洞和缝隙，提供了声音进入的通道，同时夹层填有纤维吸音材料，使通道更长更乱，消耗声音的能量。于是，在拉伸试验仪的工作过程中，产生的噪声会进入这些微小孔洞和缝隙，其能量被消耗，从而达到了降噪目的。考虑到试件断裂时候的声音也是拉伸实验判断实验现象的重要依据，所以该降噪装置只需要达到降低噪声、保护人耳的目的，无需完全隔绝声音，见图1。

3.2 智能保护升降控制系统

通过拉伸试验仪保护罩上已有的Wi-Fi模块功能，将手机“拉伸试验仪智能保护罩系统”APP与保护罩实时连接。在完成试件安装后，操作人员按下手机APP界面上的“开始”按钮，此时，“智能保护控制系统”上的Wi-Fi模块将接收到来自手机特定的APP信号指示，前挡板上升。当前挡板上升至顶点时，感应器向 “智能保护控制系统” 传递信号，挡板停止上升，实验开始进行。当实验完成后，操作人员按下手机APP界面上的“结束”按钮，此时，“拉伸试验仪智能保护系统”上的Wi-Fi模块将接收到来自手机特定的APP信号指示，前挡板下降。当前挡板下降至低点，感应器向“智能保护控制系统”传递信号，挡板停止下降，实验结束。

3.3 多媒体教学装置设计

多媒体教学装置由广角摄像头、局域无线网及配套系统、音响设备和智能保护升降控制系统组成。在试验仪器内部共布置两个广角摄像头，分别固定于试验机的左侧和后置挡板处，可参照图1，广角摄像头可用于对实验过程进行监测并录像。整套多媒体系统通过局域无线网及配套系统将摄像头与手机和电脑相连，利用特定的APP将电脑上的过程曲线图，以及实验过程中试件表面的变化以及试验后试件断面形状，发送到师生的手机上以便与实验过程以及实验现象进行比对分析。并将录像传输到手机特定的APP或通过教室投影仪在屏幕上播放，能确保多名实验人员都能清晰观察到实验现象，同时该多媒体设备配置音响设备，方便教师根据实验过程进行讲解。

4 分析与讨论

我们从安全防护、智能控制、多媒体教学这三个方面对拉伸试验仪的保护罩进行改造和创新。防护装置的设计包括挡板设计、驱动装置、夹头设计、接屑装置设计和降噪装置设计。以互联网为基础，在保护罩内安装感应器，并设计一款特定APP，连接Wi-Fi，建立智能保护升降控制系统，从而实现对拉伸试验过程进行实时监控和智能控制。多媒体教学装置包括广角摄像头、局域无线网及配套系统、音响设备，并与智能保护升降控制系统联合使用，以达到教学目的。该拉伸试验机防护罩的改进性能如下。

4.1 本智能保护控制罩大大提高了拉伸试验仪的安全系数

挡板采用钢化玻璃材质，防爆性能好。金属夹头上镶有橡胶内垫，可增加夹头与试件的摩擦力，降低试件在拉伸试验过程中飞出的风险。在智能保护控制系统下，试验人员可远程操控实验过程的开始与终止，无需在试件进行拉伸实验时近距离靠近拉伸试验仪，有效地保护了试验人员的安全。

4.2 本智能保护控制罩降低了拉伸试验仪的操作难度并利于维护

以互联网为基础，连接智能保护控制罩内的感应器与手机端的APP，建立智能保护控制系统。试验人员可只需通过手机APP便可对实验过程进行调控。夹头上镶有的橡胶内垫可定期更换，延长了夹头的使用寿命。在拉伸试验过程中，接屑装置可对该过程中产生的铁屑进行集中收集，便于清洁。

4.3 本智能保护控制罩更好地发挥了教学作用

本保护罩内设置多媒体装置，高清摄像头配合互联网络，可将试件的拉伸过程投影到教室的荧幕上，便于同学们更好地观察实验过程，也可以投影到电脑端，可实现远程教学，并可进行录制回放，方便同学记录实验过程和复习巩固，减少了老师的教学负担，大大提高了教学质量。

5 结语

本研究针对现有用于教学的拉伸试验机未使用防护罩或现存防护罩存在的试样夹持不牢固和不便观察实验过程等问题，设计了一种改进的夹头，升降可控的智能挡板，以及可用于多媒体教学的教学装置。该保护装置集防护、降音、教学于一体，将潜在的危险因素与人完全隔离，保护试验机周围的设施和试验人员的安全，整体上提高了实验仪器的使用性能，也在一定程度上提高了实验仪器的使用寿命，又能方便实验人员安全地观察整个实验过程，大大提高了实验人员进行实验的安全保障，也提高了实验教学质量。