模拟自然环境下便携回弹仪测试误差分析

0引言

橡胶回弹性是橡胶制品非常重要的参数表征之一，在轮胎和其他橡胶制品检测中，回弹性不仅直接影响轮胎的减震效果和噪音大小，更是表征炭黑比例不同生热的重要实验数据。轮胎在行驶过程中会逐渐老化，降低在极寒天气和高温天气下的性能，对车辆行驶造成安全隐患，对于行驶少但放置久的轮胎，表面花纹虽然清晰，但是在遇到低温天气时的回弹性指标变化会直接造成安全隐患，因此，监测轮胎回弹性变化，对于出现低温天气地区的客运货运车辆具有重大意义。

根据GB1681标准和GB/T6670-2008，回弹性的测试目前主要采用的是卢柯摆，斯科伯摆，泽比尼摆和GB/T6670-2008 海绵回弹性实验器。上述仪器巧妙的运用机械构造，利用回弹距离与冲击距离的比率表征成回弹性。计算准确，但是距离法为了获得更明显的实验数据和减少误差，需要自然提供较大的初始距离以有利于测试更加准确。这就导致测试需要制成标准式样才能测试，无法测试和监测实际制品的回弹变化情况。

磁感应线圈法采取监测碰撞前初始速度V1和回弹后回弹最大速度V2的方法计算回弹性，即:

回弹性 = (V2/V1)²*100%。

采用铁磁体切割磁感应线圈产生的电压大小表征瞬时速度大小，减少了测量回弹高度所造成的仪器占地问题，同时，由于这一过程的瞬时速度可以用磁感应线圈电压全部表示出来，可以通过速度时间曲线所反映出的轻易计算出碰撞过程的时间t.通过时间进而动态测量硬度，从而更接近于橡胶在真实工作状态时的硬度。具有方便携带，测试试样形状实验要求范围更广，能不破坏成品测量准确的特点。可以随时测试橡胶制品的回弹性，但是由于测试制品形状，厚度，测试温度发生变化，对于测试误差数据需要实验来进行误差分析，测试便携回弹仪在这些接近实际使用状态的温度形状下的与实验室标准件的误差。印证仪器的可靠性。

1便携回弹仪原理

1.1测量标准

根据BS ISO 4662:2017，回弹性采取直线或者圆形摆加载的球状物冲击平面或者是平行平面检测物，通过撞击后的能量比撞击前的能量比对，来测试橡胶回弹性。传统意义上的能量测试，是通过冲击体静止和反弹后达到动能为零时，撞击前后重力势能比例来计算橡胶回弹性。

磁感应测量法采取测试撞击前后冲击体速度的方法，表示碰撞前后动能变化

此方法属于BS ISO 4662:2017标准中的通过检测撞击前和撞击后的速度方法，来测量撞击前后能量变化，测量原理可行，符合国际标准。¹

1.2速度表征原理

根据法拉第电磁感应原理，线圈的感应电压与磁通量变化速率成正比。

冲击体中有一永磁体，当利用弹簧弹出一个冲击体，磁体经过线圈时，线圈中产生的电压

V = n * B * v

n为线圈匝数，B为磁体强度系数（磁通量除以内径面积），v为速度

n和B这两个参数短时间内不会有变化，因此电压与速度成正比关系：

V = k * v

冲击速度VA和 回弹速度VB的比值，根据回弹高度与速度平方成正比的原理：

回弹性 = (vb / va)²

回弹性等于线圈低电压（Vb)于高电压(Va)的比值的平方。

由于永磁体的检测撞击位移X1和回弹位移X2之间距离较短，撞击过程中永磁体移动范围都在线圈范围之内，所以阻滞速度的楞次电流时间很短，不足以影响速度变化。且电路中的电阻值比较大，线圈的电流比较小，因此磁感应线圈楞次定律所产生的的逆变化电流影响，对冲击速度的阻滞作用可以忽略不计，不会影响测试回弹性的结果。（来自发明者技术支持）

2实验与验证

2．1主要测试样品、测试仪器、测试设备参数

主要测试按样品

标准回弹校准胶块（厂家提供）33%55%71%

（实验室自制）顺丁橡胶配方

主要实验仪器

Rheomix3000OS Haake转矩流变仪 德国HAAKE公司；Ф16×320mm双辊筒开炼机 上海双翼橡塑有限公司；GT-M2000-A型无转子硫化仪 高铁科技股份有限公司产品；XLZ-25T平板硫化机 青岛第三橡胶机械厂；GT-7016-AR气压自动切片机 高铁检测仪有限公司；HD-10橡胶厚度计 上海化工机械四厂；GT-XB320M型电子天平 高铁检测仪器有限公司；摆锤回弹仪 高铁检测仪器有限公司；便携回弹与动态硬度测试仪（D型） 青岛联强同创公司；加热烘箱 冷冻箱 富光保温杯

硫化特性测试：执行标准GB/T 16584-1996，无转子硫化仪，角度0.5°。

硫化橡胶拉伸应力应变性能测试：执行标准GB/T528-2009。

摆锤回弹仪回弹性测试标准 GB/1681

便携回弹与动态硬度测试仪（D型）BS ISO 4662:2017

其他测试和实验操作均符合国家标准（测试有效范围20%-80%）

2.2对比实验

2.2.1标准式样对比实验

用国标13mm厚度硫化胶，用摆锤回弹仪和便携式回弹仪分别测试A（厂家提供回弹55%）B(实验室胶料30%）,C胶料（厂家提供回弹71%）

2.2.2温度标准式样对比实验

厚度形状相同，测试方法与一组一致。低温组测试：放入冷冻箱内制备-20℃，-15，-10℃，-5℃，0℃式样，根据橡胶温度传热速度，冷冻箱温度比测试降低0.3℃。放置40min,镊子，保温杯一并放入。降温后，用镊子放入保温杯，迅速快速拿到测试台。

高温组操作30℃，40℃，50℃，60℃，70℃放入烘箱加热，比实际温度增加1℃。操作同上。用摆锤回弹仪和便携回弹仪分别测试标准样块，比对测量误差。

2.2.3实际厚度下对比标准回弹对比实验

取37.33mm(远超过大部分橡胶制品厚度),24.83mm（两倍轮胎胎面胶厚度）,12.36mm（印刷胶辊和轮胎胎面胶）6.38mm(低厚度边界1),2.83mm(低厚度边界2)1.83mm（低厚度边界测试3）

3实验结果与分析

3.1标准回弹组

表1-标准回弹测试

国际上规定，相对误差低于5%，为测试准确，实验数据说明便携回弹仪在标准状态下，测试值符合要求。

3.2温度变化组

3.21高温变化组

                        表2-高温组回弹测试

实验数据表明，在30℃-60℃，相对误差小于5%，符合标准，另外我们发现一个有趣的想象，在本次实验中，随着试样温度的提高，橡胶回弹性逐渐增加，温度让回弹性提高。

3.22低温变化组

                        表3-低温组回弹测试

低温变化组数据均符合标准，说明在-20℃-0℃低温条件下，回弹测试准确可靠

3.3实际厚度变化组

                      表4-厚度组回弹测试

便携回弹仪可以随时测试成品件的回弹，我们猜测，橡胶制品厚度会对制品回弹测试造成影响，选取37.33mm(远超过大部分橡胶制品厚度),24.83mm（两倍轮胎胎面胶厚度）,12.36mm（印刷胶辊和轮胎胎面胶）6.38mm(低厚度边界1),2.83mm(低厚度边界2)1.83mm（低厚度边界测试3）探索高厚度和低厚度的测试失效边界。检测回弹仪实际应用范围。和实验室标准件要求不同，根据橡胶工业应用实际，测试变化值绝对值5以内，则说明对该厚度测试有效。

实验数据表明，37.33mm(远超过大部分橡胶制品厚度),24.83mm（两倍轮胎胎面胶厚度）,12.36mm（印刷胶辊和轮胎胎面胶）6.38mm(低厚度边界1),2.83mm(低厚度边界2)，数据有效。1.83mm（低厚度边界测试3） 失效。

4结论

在标准条件下测试，实验仪器便携式回弹仪相对误差值小于5%，数据可靠。

在温度变量下，高温组在不超过回弹80%，温度低于60℃符合实验室测试要求，相对误差值小于5%，数据可靠，在橡胶70℃时，橡胶回弹超出原回弹10%时，橡胶分子过于活跃，能量高，加上接近测试边界，导致数据不准确，测量失效，但同时数据也表明，工业应用在70℃时依然非常准确。

低温组在-20℃以上，均符合相对误差值小于5%的要求，便携式测试数据可靠。

实际应用有效厚度测试中，最高厚度37.33mm测试符合工业要求，低厚度2.83mm以上符合要求，厚度1.83mm失效。

引文

BSI  ISO4662-2017  Rubber, vulcanized or thermoplastic — Determination of rebound resilience（硫化橡胶或热塑性橡胶回弹弹性的测定）第4项，Principle .原理

A test piece with plane, parallel surfaces is impacted on one surface by a linearly or circularly oscillatingbody, the impacting surface of which is spherical. The rebound resilience is determined by measurement of the energy of the impacting mass immediately before and after impact.

NOTE:Conventionally, the input and output energies of the moving mass have been determined by observing the potential energy of the mass when at rest before moving to impact the test piece and on reaching zero velocity after rebound. The detailed escriptions of the apparatus described in this document follow this convention. However, it is equally acceptable to measure the input and output energies of the moving mass by observing its velocity immediately before and after impact and calculating the kinetic energies.

翻译：

一种具有平面、平行表面的试件，在一个表面上受到线性或圆形振荡体的冲击，其冲击面为球面。反弹弹性是通过测量冲击前后的冲击质量的能量来确定的。

注：传统上，运动质量的输入和输出能量是通过观察质量在移动撞击试件之前处于静止时的势能以及在反弹后达到零速度时的势能来确定的。本文档中所描述的设备的详细描述遵循此惯例。然而，通过观察运动质量在撞击前后的速度和计算动能来测量运动质量的输入和输出能量同样是可以的。