王鑫宇 郭 强 董秉聿 李睿 唐梦珊 薛仲卿

太原工业学院 （山西太原 030008）

暖壶是日常生活中必不可少的用具，现有暖壶的内胆由玻璃制成，不小心碰倒或摔落后内胆极易破碎，为此需频繁更换内胆。在公共场所，内胆的破碎还会给公众带来安全隐患。暖壶的这一缺陷给生活带来了不必要的麻烦。

吕闯等[1]应用刚体碰撞理论对潜孔钻进系统的能量传递过程进行了分析和对比计算。谢志民等[2]将圆柱壳受轴向撞击破坏简化为一维问题，应用一维应力波传播的理论分析了破坏的过程，由此计算了圆柱壳的吸能能力。陆红等[3]以基础物理学的碰撞原理应用动量守恒定律将锤与桩作为一个体系，建立起锤机位移与运动速度之间的关联，推导出了锤击力的估算公式。师晓阳等[4]在壶皮上设置了固定卡槽并在壶胆上设置软橡胶套，通过旋转使二者啮合在一起，当底座意外脱落时，由于摩擦力的作用，可大幅度减缓壶胆的脱落时间，使人可以立即作出反应来应对，同时可使壶胆不摇晃。刘艳丰等[5]在壶胆外壳设置了一个上端开口而底部封闭的外壳，壶胆从壶胆外壳的上部装入，壶胆外壳的上端与外壳盖通过螺纹相连接，壶胆中部套有橡胶圈，壶胆与壶胆外壳之间由泡沫所填充，壶胆的底部有壶胆垫、橡胶圈，在暖壶摔倒时起到缓冲作用；底座内部与壶胆外壳底部之间连接有一个塔形弹簧, 在暖壶竖直下落时起到缓冲和防止壶胆爆裂的作用。王少攀等[6]将暖壶的上壳体和下壳体在外壳处通过丝扣连接，上壳体内壁设有与内胆上部外壁接触的泡沫护罩，下壳体内设有与内胆下部外壁接触的支撑壳，并在下壳体与支撑壳之间设有弹性缓冲结构。

以上设计者的设计方案均改变了暖壶外壳的结构，成本造价相对较高，推广性相对较差。基于此，设计了一种可直接用于常规暖壶的新型底座，该装置简单便捷并能够有效提高暖壶的抗摔性能。

1 暖壶防爆实验

1.1 设计思路

由于常用暖壶底托与壶胆为环形接触面，测得外环直径D1=7.5 cm=7.5×10-2m，内环直径D2=6.1 cm=6.1×10-2m，有：

那么，可求得壶胆单位面积所受应力：

根据冲量定义：Ft=mv1-mv2，可得F=-mv2/t。由于普通暖壶外壳可近似作为刚性体，当暖壶外壳落地一瞬间速度由v 降为0 时，可假设同一组实验一瞬间所用的时间为Δt 且其与高度无关，同时将实验装置总质量mZ代入，有：

其中：m瓶为空暖壶质量，1.5 kg；ρ水为水的密度（1 000 kg/m3）；VZ为暖壶容积，3.7 L；mf为附加防爆装置材料质量，kg；g 为重力加速度，9.8 m/s2；h 为暖壶坠落高度，0.25 m。

由于壶胆破碎时受到的最大应力（破碎极限）仅与材料本身的特性及使用环境有关，而与坠落高度和质量无关，如果假定所用暖壶、壶胆特性及实验环境相同，忽略操作误差等不确定因素干扰，那么壶胆破碎时就会有一个唯一的破碎极限，记为σlim。

由于落地碰撞时间（冲量时间）较短，无法测量，故选取普通暖壶（没有增加缓冲防爆装置）进行高度变化满水坠落实验，测定其破碎时壶胆单位面积所受最大应力，令其冲量时间为Δt1，作为基准值与后续实验建立关联，推测并分析不同缓冲设计下冲量时间演化情况。

另外，依据正常成年人平均身高、臂长特征以及常用暖壶高度，在一般使用情况下暖壶底部距离地面不足0.2 m，因此，只要保证暖壶在装满水时于距地面0.2 m 处坠落壶胆不出现爆裂情况，即可满足实际使用的安全需求。

1.2 实验准备及装置

普通暖壶、壶胆若干，工具箱一件，海绵垫一片，细铁丝网一张，电子秤一台，硅胶一块，橡皮筋，棉花，弹力布，小弹簧，卷尺，塑料绳，烧杯，20 mL 滴定管，剪刀等。

普通暖壶规格：容量约3 700 mL。各部件质量：皮搋子（暖壶底垫）0.2 kg，丁腈橡胶每层0.17 kg，弹簧每层0.92 kg，底座0.1 kg。拟进行6 组实验，所对应防爆底座设计如图1 所示。

图1 暖壶底座及防爆装置设计模型

2 实验结果及分析

2.1 实验结果

（1）可将普通暖壶外壳近似看作为刚性体，满水未添加缓冲材料时，外力均直接通过壶胆底托作用于壶胆，设在落地一瞬间壶胆速度由v 降为0 所用的时间为Δt1，实验装置总质量为5.2 kg，具体实验数据及计算结果如表1 所示。

（2）添加一层丁腈橡胶材料，外力通过丁腈橡胶→壶胆底托后作用于壶胆，设在落地一瞬间壶胆速度由vt降为0 所用的时间为Δt2，实验装置总质量为5.37 kg，具体实验数据及计算结果如表2 所示。

表1 不同高度下普通暖壶满水落地数据

表2 添加丁腈橡胶后的落地数据

算出 Δt2：2.66/Δt1=3.88/Δt2，则 Δt2/Δt1=1.46。

（3）添加一层弹簧后，外力均通过弹簧、壶胆底托作用于壶胆，设在落地一瞬间壶胆速度由vt降为0 所用的时间为Δt3，实验装置总质量为6.12 kg，具体实验数据及计算结果如表3 所示。

表3 添加一层弹簧后的落地数据

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

（4）同时添加一层弹簧及丁腈橡胶，外力均通过弹簧→丁腈橡胶→壶胆底托后作用于壶胆，设在落地一瞬间壶胆速度由vt降为0 所用的时间为Δt4。实验装置总质量为6.29 kg，具体实验数据及计算结果如表4 所示。

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

（5）同时添加两层弹簧及丁腈橡胶，外力均通过弹簧→丁腈橡胶→弹簧→丁腈橡胶→壶胆底托后作用于壶胆，设在落地一瞬间壶胆速度由vt降为0所用的时间为Δt5。实验装置总质量为7.48 kg，具体实验数据及计算结果如表5 所示。

表4 添加一层弹簧及丁腈橡胶后的落地数据

表5 添加两层弹簧及丁腈橡胶后的落地数据

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

（6）同时添加两层弹簧及丁腈橡胶及一个橡胶底垫，外力均通过弹簧→丁腈橡胶→弹簧→丁腈橡胶→橡胶底垫→壶胆底托后作用于壶胆，设在落地一瞬间壶胆速度由vt降为0 所用的时间为Δt6。实验装置总质量为7.68 kg，具体实验数据及计算结果如表6 所示。

表6 添加两层弹簧、丁腈橡胶及一个橡胶底垫后的落地数据

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

2.2 分析与讨论

由实验数据和计算结果可清晰看出，每一组的Δti/Δt1均大于1，说明缓冲材料可吸收碰撞产生的能量，延长其与壶胆接触时间，从而提升暖壶的防爆性能。

从5 组添加缓冲材料的实验结果来看，时间都有所延长，但是结构不同、材料不同，延长接触时间的能力不同，达到的效果不尽相同。相较而言，实验6 所用的结构与材料，即同时添加两层弹簧、丁腈橡胶及一个橡胶底垫，所延长的时间更长，内容更完善，防爆效果更好。

3 结论

基于实验情况，产生了对暖壶底座进行全新设计的构想：该结构为一个独立的底托，用户在使用时，可将暖壶原底托拧下，再装上本装置，达到减震防爆的效果。同时，由于该装置比原底托增加了长度，故在使用时，可减小离地距离，降低了由于失手而导致暖壶掉地破碎的风险。以下为设计方案：

该装置上方为丁腈橡胶制成的凹型防护件，在凹型防护件的下面铺设一层硅胶起缓冲作用，再在下方装一层硬衬垫用来固定弹簧组，弹簧组的下端为一个可上下活动并有一定活动区间的底托。该活动装置类似于自行车的避震装置，当不慎失手导致暖壶落地时，可活动底托通过压缩弹簧，达到泄力的效果，即减小其单位面积的压强。装置的上下两端均设有卡扣，防止内部零件脱落。设计总高度为6～7 cm，是普通暖壶底座的1.5～2 倍，设计总质量约为1.6 kg，具体如 2 所示。

图2 新型暖壶底座设计构想图

相比其他材料，弹簧的形变性能远高于塑料，对壶胆的减震缓冲起到了至关重要的作用。