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回弹性误差分析

发布时间:2022-05-12      点击次数:420

先来讲一个真实故事:年初一天,我陪着一个做外贸的朋友,去青岛城阳的一家健身器材厂家谈生意,这个厂家生产的主要产品是健身用的新型哑铃片和橡胶杠铃这类产品。



如图,新型彩色杠铃片,其实只有中间部分是钢材,其余大部分体积是橡胶材质,主要是天然胶,这样的杠铃没有异味,兼具鲜艳的色彩,而且比油漆的耐用寿命长得多,橡胶的好处是不伤害健身房的地板,而且看起来杠铃的体积很大,重量其实并不是很大,很适合网红举重拍照。

这家工厂生产的哑铃片产量很大,且据老板说,疫情期间,外国人不能出门浪,都呆在房中撸铁,各种健身器材热销,杠铃片销量更比往年高了数倍,因为价廉物美,所以产品畅销欧美,现在每周要出口五六个集装箱,只是集装箱货运费涨价实在太可怕了....

大家交谈一番,参观样品后,朋友询问价格,老板拿出三个哑铃片,它们的颜色、重量、文字、样式一模一样的,说这里有A,B,C三个等级的产品,AB20%BC20%,让我们猜猜ABC。

我们仔细端详研究,肉眼看上去的确是一模一样,连邵尔硬度都大体相同。老板最后公布答案说这是A,这是B,这是C,只是手感略微有些不同,老板说如果很多哑铃片混放在一起,自己也不一定可以分清哪一片到底是什么等级!


朋友问是不是高等级的哑铃片更耐用一些?老板说它们都很耐用,至少摔个三五年不会有问题,朋友追问到底差异在什么地方,价格相差如此之大,老板微笑而不答,显然这是商业秘密,不方便为外人道尔。


幸运的是,笔者当天正带着一个便携式回弹仪,于是便用拿出回弹仪,在样品上当着大家的面,测量了一下哑铃片的回弹性。结果发现回弹性差异非常明显:A50%B45%C40%左右。

其实也很好理解,等级的差异,一定是成本的差异造成的,天然胶含量越高,回弹性就越好,但天然胶的价格要两三万元一吨,便宜的填充剂或补强剂替代,价格只有几千元一吨,减少天然胶增加填充剂,成本自然大大下降。但含胶量的下降,引起回弹性的改变。

不仅仅是填充剂的改变,其实随着天然胶的老化,或者使用疲劳的老化,或者温度的变化,橡胶材料的回弹性都会有很大的改变,测量橡胶元件的回弹性,其实也可以快速检测其老化程度或质量等级。

从这一点来说,便携式回弹仪可以方便的现场快速测量回弹性,比起GB-1681摆锤式回弹仪要好很多,摆锤式只能测标准的试片,无法测量成品,而且也没法现场测量。

不过由于摆锤式回弹仪的结构简单,在测试过程中干扰比较少,单台仪器的数据稳定性较好。因此可以用摆锤式做基准测量,标定橡胶试样,然后拿橡胶试样校准便携式回弹仪,就可以统一标准。如同用天平校准砝码,再拿校准砝码校准台秤一样,进行标准数值的传递。

但是实际使用中发现,不同的摆锤回弹仪之间,特别是不同厂牌摆锤回弹仪的测试数据,却有比较大的差异。

我们使用了三种胶料在几种仪器上进行了测试,结果误差很大:


国产指针式摆锤

中国台湾数显式摆锤

便携式回弹D冲头

便携式回弹仪G冲头

1#

27

32

31

32

2#

52

60

60

60

3#

70

82

78

81

可以看到,三种回弹性的测试差别很大,最大的回弹性差异达到了12%,这是一个相当高的差异。越是回弹性高的材料,回弹性相差也就越大。

可以说这是一个普遍的现象,看起来回弹仪结构简单,数据应该比较相近才对,其实回弹性的结果受到很多看起来不起眼的细小因素的干扰,叠加起来,在不同的仪器之间所产生的误差很大。

直到现在,橡胶回弹性的测试数值,一直不能达成共识,没有一套橡胶邵尔硬度一样的,公认的标准胶,缺乏确定的校准数值,使得各家仪器之间缺乏对比性。所以统一各种差异性,取得测试的一致性还是很有必要的。

我们先看一下三种仪器的结构样式



1. 指针式摆锤回弹性:左为中国台湾某厂家的仪器,右为国产某厂家的仪器,近些年中国台湾产的摆锤式回弹仪已经基本见不到指针式的,国产厂家的指针式回弹仪因为成本低价格便宜,在市场上仍然有很大销量。



2. 数显式回弹仪:左为中国台湾某厂家产品,右为国产某厂家产品。



3. 便携式回弹仪:左为D冲头(11毫焦耳),右为G冲头(90毫焦耳)。便携式回弹仪的校准,是以2号胶料60%为基准,然后做其他实验得到的结果。

指针式和数显式摆锤回弹仪的测试误差很大,原因分析主要有以下几个方面:

1. 压紧约束力:

国产指针式或数显式用的弹簧压板的加力方式,而中国台湾产回弹仪用了气压式加力方式。从压力大小讲,GB-1681规定试片的压紧力是200±20N,国产回弹仪的弹簧压板手感只有大约20-30N的压力,其实这也好理解,毕竟200N的压力不是手工可以拉开的。中国台湾回弹仪的气压方式力量比较准,可以达到200N,而且气压开合方式也非常方便,不过压力的不同,对回弹性回造成很大的影响,特别是高回弹的柔软的胶料,压力的影响会特别明显,估计影响回弹性3-5%。这是一个相当大的影响因素。



其实GB-1681的本质意思是希望压紧约束力能达到这样一种效果:与试样紧固黏贴到背板上的回弹值一样!

但是压紧和黏贴有很大的不同:压紧会导致试样变形。以上述三种试样为例,最大的变形就是3#胶料,弹簧压力下变形达到了1毫米,气压下变形硬是达到了更大的3毫米!可以想象,试片已经被压成了扁形鼓状,而且中间孔处凸起的奇怪形状,这对回弹性的影响是非常大的。

200N的压紧力,对于回弹性试片而言的确是太大了,而且操作的时候有夹到手指的可能性,具有一定安全隐患。所以GB-1681标准还提出个一个方法,就是用真空吸附的方式吸住试片,然而其提出的夹持力还是有150N这么大,仅仅减少了50N而已!

改善的方式其实还有一种可以考虑:黏贴耦合剂方案。用凡士林把试片黏贴到背板上,用完后擦掉就可以。笔者试验发现,在国产仪器上使用凡士林黏贴后,同样的弹簧压力下,2#试样的回弹性提高了大约2-3%,的确有一定效果。

2. 指针的松紧度与回弹性:

指针式回弹仪的指针,是靠轴心的弹簧压力调节的摩擦力来控制的,太紧则摩擦力太大,导致数值偏小;太松则摩擦力偏小,指针不易停止,导致数据偏大,试验调整发现,指针弹簧松紧引起的偏差有1-2%

数显式看起来没有指针的问题,但其实问题也不少,编码器一般采用的增量式编码器,其实在碰撞瞬间,运动方向改变时,是有一定测量误差的,具体要看如何调整修正,而各个数显式回弹仪却都没有提供一个校准方案,到底数据准确与否无法用其他方式确定,不象指针式那样明确留下指示数值,可以事后测量角度确定。

数显式应该留一个角度校准块的安装位置,可以加一个角度固定器,例如回弹的摆杆撞击到60°固定器,则应该读数也是60°或50%

3. 摆锤自由下垂时是否垂直,重心是否合理,摆杆是否足够轻:

摆锤的结构应该是对称的,保证在自由下垂时,摆杆是竖直的。如果不能竖直,则零度的位置就会差一些角度,导致结果也差这个角度。中国台湾的仪器摆锤就不竖直,有1-2度的误差,造成的结果肯定有差异。这是因为撞击锤的结构重量不对称,撞击锤一侧的重量大一些,左重右轻,导致摆杆自由下垂停止时向右倾斜,垂直零度数值其实是1-2°,测试结果回弹值就会比较大一些,而且回弹性越大,误差就会越大,到了70%以上,每一度摆角变化对应的回弹值变化都很大。

撞击锤的位置也有影响,如果位置合适,撞击瞬间摆臂轴承的受力最小,按照碰撞理论,摆臂应该重量越轻越好,撞击头的撞击位置在冲头中心。而两种仪器的摆杆都是是用实心钢杆制作,比较粗重量比较大,所以冲头应该比较偏上一些,实际上,国产仪器虽然意识到问题,冲头偏上一些,但尺度远远不够。而中国台湾仪器没有意识到这个问题,冲头在中间位置,问题其实更大一些。

GB-1681要求冲击能量0.5焦耳,摆臂的长度决定了冲击速度为2/秒,而冲头重量应控制在0.25Kg,实际上两种仪器的冲击头加上摆杆,重量至少超过0.5Kg,远超过标准要求,其实际冲击能量也比标准大得多。

由于摆杆质量太大太重,撞击受力不均衡,导致撞击瞬间轴承受力比较大(可能瞬间超过数百牛,远超轴承的理论径向受力极限),轴承阻力瞬间变大,所以导致回弹性的数值偏低。而且长时间使用后轴承容易损坏,回弹性会更低。使得长时间的测试之后,轴承磨损,数值逐渐下降,更换轴承后,数据又上升,使得新老机器之间,出现明显的测试偏差。



所以摆锤式回弹仪的摆臂,建议应该用空心铝合金管制作,尽量减轻摆杆的质量。或者在摆杆轴心另一侧加延长杆,平衡掉摆杆的重量也是不错的方案。尽可能减少轴承的受力,保证轴承的低摩擦性,才能保证数据的稳定。

4. 底座的重量影响:

撞击瞬间的力量其实是很大的,理论上说,瞬间碰撞力量可以超过上千牛顿,所以GB-1681要求底座的重量应该超过冲头质量的200倍,或与混凝土台座固定连接。以冲头重量0.25公斤计算,底座重量50公斤,实际上国产指针式的仪器底座重量一般在20公斤左右,远远达不到要求。中国台湾的数显式回弹仪,看起来重量比较重,其实也不能达到50公斤,难以满足重量的要求。

5. 试片的放置位置:

GB-1681要求撞击位置在试片的中心位置,实际放置的时候,国产仪器是靠手感,中国台湾仪器有两个支撑杆,然而一旦压紧约束力,试片变形之后,就会偏离中心,都没有保证冲击位置在圆心处。

建议的方案是在背板处有一个圆形标志与试片相同直径,把试片放置标志中,用一个杆压住,再压紧约束力压板,然后松开杆,开始试验。这样能保证位置在中间了。当然气动方式比较好一些,弹簧压紧不容易操作。

总结:摆臂式回弹仪想做到真正的稳定可靠,相当困难。

即使回弹仪的设计很理想了,但是试片即使配方不变,仅仅尺寸有一点点改变,或者温度有一点不同,回弹性都可能会有很大的变化,这一点在轮胎中特别明显,花纹对回弹性的影响是很大的变数,胎压与温度也是一个重要因素,老化程度的影响也很大。

不同于拉伸试验的线性关系,因为回弹性的复杂,回弹性标准试样的测定,并不能决定成品的回弹性。

摆锤式回弹仪只能测量标准试样,却对橡胶零件的性能无法做出准确的反应,这就使得GB-1681摆锤式回弹仪的测试在很多行业显得多余。

标准试样的回弹性测试已经很困难了,成品的测试岂不是更困难?

然而,虽然困难,却又不得不做,只因为回弹性是一项很重要的参数,对性能研究非常重要,所以便携式回弹仪的应用势在必行。

便携式回弹性仪器的数据是否正确,一般需要验证以下三个内容:

1、验证性:一台便携式回弹仪与一台摆锤式回弹仪,做同一种材料回弹性,数据是否一致?

2、重现性:单台便携式回弹仪,做一种材料的数据稳定性如何?

3、再现性:两台不同的便携式回弹性,做一种材料数据对比如何?

从实验数据看,一台便携式回弹仪,配备有两种冲击装置,D型和G型,冲击能量分别是11毫焦耳和90毫焦耳,测试数据是有一些差异的,大多数材料G型的数据稍高一些,但有一些阻尼材料的回弹性,D型的回弹值高一些。并不是呈现线性关系。

另外冲击能量的高低不同,对回弹性还是有一定的影响。摆锤式回弹仪冲击能量是500毫焦耳,与便携式回弹仪冲击能量相比差异很大,回弹值也是有一定差异的,相比之下,高能量的G型比低能量的D型,G型的数据更接近摆锤式回弹仪。

便携式回弹仪之所以不采用500毫焦耳的冲击装置,是因为达到这个能量的冲击装置重量会太大,失去了便携性,且成本太高;另外对一些试样的破坏性会比较大,例如一些比较薄和脆弱的材料,如橡胶膜,密封圈,太阳能板等,G型冲击装置都会造成一些破坏,只能用能量较低的D型装置,更大的冲击能量更不能用。

便携式回弹仪做标准试片时,底座最好是坚固的金属底座。金属表面要平整,试片最好是用双面胶贴合在金属表面上。

约束压力不要太大,特别是D型冲击装置,在做比较软的,回弹性比较高的胶料时,约束力的大小对结果有明显的影响,需要更小的约束力,仅仅需要回弹装置的自重即可。

大部分的测试,便携式回弹性与摆锤式回弹性的数值对比还是比较好的,差异主要来自高回弹型(大于75%以上)和部分低回弹性阻尼(小于10%)。从测量原理看,越是大回弹性的数据,在75%-100%范围,分布间隔很密集,回弹高度的稍稍变化影响就会很大。而比较小的回弹性测试,其误差来源于冲击能量对材料的破坏性,摆锤式冲击能量大,破坏性强,冲击能量损耗在破坏中越多,所以回弹性越小。

以水晶玻璃块为例,用D型冲击装置测试,回弹性98-99%,接近100%,而G型冲击装置只有75-78%,而且测试的玻璃表面出现裂纹等损伤。回弹性试验在不造成破坏的情况下,比较接近线性,冲击能量影响不大;一旦有试样破坏情况发生,线性就会打破,回弹性有很大变化。

从实验的重复性看,便携式回弹性的数据稳定性比较好,需要注意的是约束压力要稳定,冲击瞬间笔杆不倾斜,只要保证这两项,基本就可以获得稳定的数值。


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