王鑫宇 郭 強(qiáng) 董秉聿 李睿 唐夢(mèng)珊 薛仲卿

太原工業(yè)學(xué)院 （山西太原 030008）

暖壺是日常生活中必不可少的用具，現(xiàn)有暖壺的內(nèi)膽由玻璃制成，不小心碰倒或摔落后內(nèi)膽極易破碎，為此需頻繁更換內(nèi)膽。在公共場(chǎng)所，內(nèi)膽的破碎還會(huì)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(yīng)用剛體碰撞理論對(duì)潛孔鉆進(jìn)系統(tǒng)的能量傳遞過程進(jìn)行了分析和對(duì)比計(jì)算。謝志民等[2]將圓柱殼受軸向撞擊破壞簡(jiǎn)化為一維問題，應(yīng)用一維應(yīng)力波傳播的理論分析了破壞的過程，由此計(jì)算了圓柱殼的吸能能力。陸紅等[3]以基礎(chǔ)物理學(xué)的碰撞原理應(yīng)用動(dòng)量守恒定律將錘與樁作為一個(gè)體系，建立起錘機(jī)位移與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)聯(lián)，推導(dǎo)出了錘擊力的估算公式。師曉陽(yáng)等[4]在壺皮上設(shè)置了固定卡槽并在壺膽上設(shè)置軟橡膠套，通過旋轉(zhuǎn)使二者嚙合在一起，當(dāng)?shù)鬃馔饷撀鋾r(shí)，由于摩擦力的作用，可大幅度減緩壺膽的脫落時(shí)間，使人可以立即作出反應(yīng)來應(yīng)對(duì)，同時(shí)可使壺膽不搖晃。劉艷豐等[5]在壺膽外殼設(shè)置了一個(gè)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(shí)起到緩沖作用；底座內(nèi)部與壺膽外殼底部之間連接有一個(gè)塔形彈簧, 在暖壺豎直下落時(shí)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(nèi)壁設(shè)有與內(nèi)膽上部外壁接觸的泡沫護(hù)罩，下殼體內(nèi)設(shè)有與內(nèi)膽下部外壁接觸的支撐殼，并在下殼體與支撐殼之間設(shè)有彈性緩沖結(jié)構(gòu)。

以上設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)方案均改變了暖壺外殼的結(jié)構(gòu)，成本造價(jià)相對(duì)較高，推廣性相對(duì)較差?；诖?，設(shè)計(jì)了一種可直接用于常規(guī)暖壺的新型底座，該裝置簡(jiǎn)單便捷并能夠有效提高暖壺的抗摔性能。

1 暖壺防爆實(shí)驗(yàn)

1.1 設(shè)計(jì)思路

由于常用暖壺底托與壺膽為環(huán)形接觸面，測(cè)得外環(huán)直徑D1=7.5 cm=7.5×10-2m，內(nèi)環(huán)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(yīng)力：

根據(jù)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(dāng)暖壺外殼落地一瞬間速度由v 降為0 時(shí)，可假設(shè)同一組實(shí)驗(yàn)一瞬間所用的時(shí)間為Δt 且其與高度無關(guān)，同時(shí)將實(shí)驗(yàn)裝置總質(zhì)量mZ代入，有：

其中：m瓶為空暖壺質(zhì)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(zhì)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(shí)受到的最大應(yīng)力（破碎極限）僅與材料本身的特性及使用環(huán)境有關(guān)，而與墜落高度和質(zhì)量無關(guān)，如果假定所用暖壺、壺膽特性及實(shí)驗(yàn)環(huán)境相同，忽略操作誤差等不確定因素干擾，那么壺膽破碎時(shí)就會(huì)有一個(gè)唯一的破碎極限，記為σlim。

由于落地碰撞時(shí)間（沖量時(shí)間）較短，無法測(cè)量，故選取普通暖壺（沒有增加緩沖防爆裝置）進(jìn)行高度變化滿水墜落實(shí)驗(yàn)，測(cè)定其破碎時(shí)壺膽單位面積所受最大應(yīng)力，令其沖量時(shí)間為Δt1，作為基準(zhǔn)值與后續(xù)實(shí)驗(yàn)建立關(guān)聯(lián)，推測(cè)并分析不同緩沖設(shè)計(jì)下沖量時(shí)間演化情況。

另外，依據(jù)正常成年人平均身高、臂長(zhǎng)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(shí)于距地面0.2 m 處墜落壺膽不出現(xiàn)爆裂情況，即可滿足實(shí)際使用的安全需求。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及裝置

普通暖壺、壺膽若干，工具箱一件，海綿墊一片，細(xì)鐵絲網(wǎng)一張，電子秤一臺(tái)，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(guī)格：容量約3 700 mL。各部件質(zhì)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(jìn)行6 組實(shí)驗(yàn)，所對(duì)應(yīng)防爆底座設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 暖壺底座及防爆裝置設(shè)計(jì)模型

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)，外力均直接通過壺膽底托作用于壺膽，設(shè)在落地一瞬間壺膽速度由v 降為0 所用的時(shí)間為Δt1，實(shí)驗(yàn)裝置總質(zhì)量為5.2 kg，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)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(shè)在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0 所用的時(shí)間為Δt2，實(shí)驗(yàn)裝置總質(zhì)量為5.37 kg，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表1 不同高度下普通暖壺滿水落地?cái)?shù)據(jù)

表2 添加丁腈橡膠后的落地?cái)?shù)據(jù)

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(shè)在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0 所用的時(shí)間為Δt3，實(shí)驗(yàn)裝置總質(zhì)量為6.12 kg，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表3 所示。

表3 添加一層彈簧后的落地?cái)?shù)據(jù)

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

（4）同時(shí)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(shè)在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0 所用的時(shí)間為Δt4。實(shí)驗(yàn)裝置總質(zhì)量為6.29 kg，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

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

（5）同時(shí)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(shè)在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0所用的時(shí)間為Δt5。實(shí)驗(yàn)裝置總質(zhì)量為7.48 kg，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表4 添加一層彈簧及丁腈橡膠后的落地?cái)?shù)據(jù)

表5 添加兩層彈簧及丁腈橡膠后的落地?cái)?shù)據(jù)

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

（6）同時(shí)添加兩層彈簧及丁腈橡膠及一個(gè)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(shè)在落地一瞬間壺膽速度由vt降為0 所用的時(shí)間為Δt6。實(shí)驗(yàn)裝置總質(zhì)量為7.68 kg，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果如表6 所示。

表6 添加兩層彈簧、丁腈橡膠及一個(gè)橡膠底墊后的落地?cái)?shù)據(jù)

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

2.2 分析與討論

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)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(chǎn)生的能量，延長(zhǎng)其與壺膽接觸時(shí)間，從而提升暖壺的防爆性能。

從5 組添加緩沖材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，時(shí)間都有所延長(zhǎng)，但是結(jié)構(gòu)不同、材料不同，延長(zhǎng)接觸時(shí)間的能力不同，達(dá)到的效果不盡相同。相較而言，實(shí)驗(yàn)6 所用的結(jié)構(gòu)與材料，即同時(shí)添加兩層彈簧、丁腈橡膠及一個(gè)橡膠底墊，所延長(zhǎng)的時(shí)間更長(zhǎng)，內(nèi)容更完善，防爆效果更好。

3 結(jié)論

基于實(shí)驗(yàn)情況，產(chǎn)生了對(duì)暖壺底座進(jìn)行全新設(shè)計(jì)的構(gòu)想：該結(jié)構(gòu)為一個(gè)獨(dú)立的底托，用戶在使用時(shí)，可將暖壺原底托擰下，再裝上本裝置，達(dá)到減震防爆的效果。同時(shí)，由于該裝置比原底托增加了長(zhǎng)度，故在使用時(shí)，可減小離地距離，降低了由于失手而導(dǎo)致暖壺掉地破碎的風(fēng)險(xiǎn)。以下為設(shè)計(jì)方案：

該裝置上方為丁腈橡膠制成的凹型防護(hù)件，在凹型防護(hù)件的下面鋪設(shè)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(gè)可上下活動(dòng)并有一定活動(dòng)區(qū)間的底托。該活動(dòng)裝置類似于自行車的避震裝置，當(dāng)不慎失手導(dǎo)致暖壺落地時(shí)，可活動(dòng)底托通過壓縮彈簧，達(dá)到泄力的效果，即減小其單位面積的壓強(qiáng)。裝置的上下兩端均設(shè)有卡扣，防止內(nèi)部零件脫落。設(shè)計(jì)總高度為6～7 cm，是普通暖壺底座的1.5～2 倍，設(shè)計(jì)總質(zhì)量約為1.6 kg，具體如 2 所示。

圖2 新型暖壺底座設(shè)計(jì)構(gòu)想圖

相比其他材料，彈簧的形變性能遠(yuǎn)高于塑料，對(duì)壺膽的減震緩沖起到了至關(guān)重要的作用。