对摆锤式冲击试验机检定方法的分析与研究

郭凯

陕西省计量科学研究院 710000

摘 要：冲击试验机主要用于转向器总成的动态力学性能测试和抗破坏性试验。试验机机械系统采用重力摆加速度冲击式。采用光电编码器控制振荡摆角。摆的运动由齿轮减速机和离合器控制。在整个冲击过程中，冲击力随时间的变化曲线为半正弦波。

关键词：摆锤式 冲击试验机 检定方法 分析研究 

1. 摆锤式冲击试验机检定方法概述

摆锤式冲击试验的目的是测量标准模压试样对摆锤式冲击载荷的相对敏感性。其实验的结果以动能的形式表达，通常是焦耳或英尺，由钟摆消耗，以打破试验样品。在夏比实验的实践过程中，破坏标准试样所需要的能量实际上是使试样变形、开始破裂、扩展破裂、将破裂端扔向试样、在摆杆上产生振动、在机架或机座上产生振动或水平运动、克服摆杆轴承和过剩能量指示机构中的摩擦、克服偏差、在冲击线上使试样凹陷或塑性变形以及克服碰撞试样表面引起的摩擦所需要的能量总和。与所有实际应用中断裂试样所需的能量相比，仪器通过摩擦和振动损失的能量通常很小，而且通常被忽略。

在伊佐德型试验方法中，将缺口试件夹持为垂直悬臂梁，用单摆冲击加载，初始接触线位于从试样夹(以及切口的中心线)固定的距离。测试缺口试件作为简单梁水平支承，并受到单摆的冲击，冲击线位于支承之间，与缺口正对面。夏比试验方法与伊佐德试验方法的主要优点是，试样不必用夹钳夹紧，从而消除了由于夹钳压力不同而引起的变化。

Izod 冲击试验包括测定塑料材料的抗冲击断裂能力。准备好的试样被垂直地拿在机器上，用锤状摆锤的一次击打使其断裂。按照 ASTM d256的要求，用于伊佐德冲击试验的设备应该由一个带有整体试样支撑块和夹持器的大底座组成。钟摆安装在减摩轴承上，通过一个正向锁定系统保持在升高的位置，并通过手动操作释放。整体防护装置和摆锤止动装置可以安全地安装在试件上，也可以安全地操作机器。试样被夹在试样支撑的把手上，然后定位，以确保试样的缺口与试样支撑的上表面位于同一平面上。由 Izod 冲击试验得到的抗冲击性能不能直接应用于产品设计，因为这种试验不能测量破坏试样所需的真实能量。伊佐德冲击试验只测试了不同聚合物的缺口敏感性，而没有测试其增韧性。此外，与最终用途中通常遇到的冲击载荷相比，测试的速度相对较慢，大多数塑料制品是通过某种类型的成型工艺生产的，没有机械加工。因此，机加工中的缺口可能使塑料材料受到在最终应用中通常不会遇到的应力。

2. 摆锤式冲击试验机检定方法分析

2.1试验检定方法及注意事项

检定的目的是查明和确认计量器具是否符合相关法定要求，对于具有量值的计量特性，必须将被检对象与计量基准、计量标准进行技术比较，最后根据计量检定规程所规定的计量特性对其进行验证，从而对计量器具是否合格，其准确度等级是否符合检验结论。针对数显式试验机的能量损失检定问题，以“数显式摆锤式冲击试验机不受指针摩擦的影响，对轴承摩擦、空气阻力应具有自动检测能量损失的功能”为原则，对指针式冲击试验机的能量损失也应具有自动检测能量损失的功能。以被检计量器具的示值为检定结果，而不以计量标准器为检定依据，显然是不正确的。

此外，间接检定的检定费用高，可操作性和实施效果差。采用一次标准样品对冲击能进行检定，称为间接检定，即示值检定。《检定规程》要求示值误差为初次检定和后续检定的项目。《检定法》规定，每一能量级的标准试样，至少要检验试验机使用范围内的两个吸能级；每一个能量级的标准试样，要用 V型缺口标准试样检定时，一组选择5个，另一组选择3个；“对于某一能量级的试验机，标准试样的能量要尽可能地接近其常规使用范围”。检定一台试验机的示值误差若用 V型缺口标准试样检定时要求10个标准试样，而用非 V型缺口标准试样检定时要求6个标准试样，在某一范围内所用的检定仪器，用非 V型缺口标准试样检定时要求至少3个标准试样。

2.2 试验设计

转向摆锤冲击试验机主要用于测试转向器的动态力学性能和抗损伤能力。利用摆锤松开冲击式转向器，通过压力传感器采集数据，得到力随时间的变化曲线，用于转向器的受力分析。设计的具体要求如下：(1)最大冲击力必须大于40kN。(2)摆的最大摆角为150度。(3)摆杆长度: 1680毫米。(4)摆锤重量: 10kg ~ 130kg。(5)撞击中心与工作面之间的距离必须大于150毫米。(6)冲击力随时间的变化曲线为半正弦波，冲击时间为40ms。(七)设有安全保护装置。(8)禁止对人体不安全的因素，设备所用材料必须对人体安全。

同时，试验台的刚度和强度必须足够，使摆支架和试验夹具安装可靠，试验台具有通用性和足够的空间，能够适应各种试验工具的位置调整和安装，试验台可以固定，防止反复碰撞造成的倾斜和滑移。试验台主要由三部分组成: 试样(汽车转向装置)、缓冲单元和摆。缓冲单元的作用是保证冲击波的形状为半正弦，冲击时间为40毫秒。摆锤是冲击试验机的核心部件，主要由齿轮减速器电机、离合器、摆杆和摆杆组成。主轴一端连接齿轮减速电机。在主轴中部，轴与离合器用轴键连接，离合器的一端与摆杆连接。实验时，齿轮减速机带动主轴转动，离合器带动离合器转动，同时离合器拉力带动摆锤和摆杆共同转动。当摆杆达到目标角度时，离合器启动，释放弹道摆，将电势转化为动能，磅缓冲单元完成冲击试验。离合器在摆锤式转向冲击试验机中起着重要作用，它控制摆锤在目标角的自由落下，防止摆锤与光电编码器之间的二次冲击。通过以上计算可以得出离合器的额定动态转矩必须大于2140Nm。光电编码器在转向摆锤冲击试验机中的作用是测量摆锤的摆角，从而控制摆锤的摆角。同时，它在防止二次冲击方面也发挥了重要作用。根据要求选用 EI38S6-2500-CR30Y3型光电编码器。它的分辨率为2500P/r。

在实验时，根据冲击力的要求，控制减速器电机驱动的轴的转动。轴驱动离合器、摆杆和弹道摆，离合器(DLM10系列)固定在轴上，利用编码器测量弹道摆的摆角。当弹道摆到达规定高度时，编码器向发动机发送信号以停止转动。完成前期准备工作后，切断离合器动力，摆锤摆脱约束。同时，将弹道摆的势能转化为缓冲单元的动能。动能最终会转移到试样上。应该防止第二次撞击，因为试样会在弹道摆撞击后反弹回来。我们认为弹道摆回到最大位置时，由编码器测得的角速度小于停车角速度。离合器处于闭合状态，可有效防止对试样的二次冲击，同时将对整个试验系统的冲击降到最小。

图 1 力的曲线随时间而变化示意图

3. 小结

结果显示，曲线形状为相对光滑的半正弦波，不存在双波和多峰现象。实验结果表明，理论计算与实际测量结果有较好的一致性，但是理论力是在理想状态下计算的，实际上存在能量损失。所以一定会有一些测量误差。

参考文献：

[1]王郴,刘中勇,邵俊虎. 低速冲击试验及其试验装置的研究综述[J]. 内江科技,2020,41(09):30-33.

[2]房田. 摆锤式冲击试验机检定或校准过程中应注意的问题[J]. 工程与试验,2020,60(02):78-79.

[3]刘芳沛,文章. 摆锤式冲击试验机间接检定下的示值误差不确定度评定[J]. 内燃机与配件,2020,(09):144-145.