塑料冲击试验机摆锤设计方法

　　塑料的冲击强度可通过塑料冲击试验机来测定，冲击试验机的性能直接影响冲击强度测定的准确性，由于摆锤是影响冲击试验机性能的关键部件，且在设计时必须满足能量、速度和打击点的位置等多方面国家标准中严格规定的要求。为达到上述指标要求，可采用以下三种设计方法。

　　1 试制法

　　试制法为传统的设计方法，经过多次试制并反复打孔灌铅进行调整，以满足国家规定的性能指标。在试制法中，应较准确地计算摆锤的参数，摆锤各项参数的计算如下。

　　1. 1 摆锤的冲击能量

　　图1 所示为冲击试验的工作原理，摆锤的冲击能量 E 为摆锤在初始时刻的位能，即:

　　E = mgl_c( 1 - cosα) ………………………( 1)

　　式中: m 为摆锤的质量，kg; g 为标准自由落体加速度，取值为 9. 80665m/s²; lc为摆轴轴线至摆锤重心的距离，m; α 为摆锤落角，( °) 。

　　1. 2 冲击速度

　　当摆锤由初始位置转到竖直位置时，设其角速度变为 ω0( rad/s) ，如果忽略机械摩擦、风阻等消耗的能量，应用机械能守恒定律，有:

　　式中: I0为摆锤对摆轴轴线的转动惯量，kg·m²。

　　则:

　　因此，打击点处的冲击速度 v( m/s) 可表示为:

　　式中: l 为摆轴轴线至试样中心( 理想打击点) 的距离，m。

　　1. 3 打击中心

　　如图2 所示，当摆锤打击试件时，如果实际打击点距摆轴轴线的距离为某一数值 l1时，冲击力在摆轴轴线处不产生附加的水平约束力，则此时的点 O'即为摆锤的打击中心。l1的计算如下[1]。

　　设刚进入打击时，摆锤的角速度为 ω0，在点 O'受到试件给摆锤的反作用力，设其大小为 F，至摆轴轴线的距离为 l₁，在打击过程中角速度发生急剧改变，由 ω0降低到 ω，假定材料为刚体，应用质点系碰撞时的微分方程，有:

　　根据质点系动量定理积分形式，有:

　　式中: F'为摆轴轴线处附加的水平约束力。

　　如果在摆轴轴线处不产生附加的水平约束力，即F' = 0 时，则式( 6) 可写为:

　　1. 4 冲击刀刃横向位置

　　在塑料简支梁冲击试验机标准[2]中规定，摆锤自由悬挂时，冲击刀刃至试样支座垂直支撑面的距离应等于试样的厚度，最大允许误差为 ± 0. 5mm。而试样的厚度[3]为2 ±0. 2mm，即图1 所示的 Δ =2 ±0. 2mm。此项要求靠调整试样支座的钳口来保证。

　　1. 5 摆轴轴线至试样中心距离 l 的计算

　　由式( 1) 变形，有: