冲击试验机摆锤特征参数的优化及评价

　　金属、塑料、陶瓷及玻璃钢等多种重要的工程材料都有抗冲击性能的指标要求,摆锤式冲击机是测定材料抗冲击性能普遍采用的仪器。其中摆锤是冲击试验机中的关键部件,设计摆锤时必须满足冲击试验对摆锤的能量要求、受力变形要求以及形状风阻要求等,有关的国家标准对这些要求有较严格的规定。普通的机械设计方法很难同时达到上述多项要求,本文提出了摆锤优化设计的方法,使摆锤在满足上述要求的前提下达到最优。避免了传统机械设计方法摆锤需经反复调整打孔灌铅的弊端。摆锤的特征参数能量、摆长及质心、冲击中心决定了摆锤的使用性能,因此,设计摆锤时应明确上述4者之间的关系。

　　1　冲击试验的工作原理

　　用已知能量的摆锤冲击支撑成水平梁的塑料试样,由摆锤一次冲击使试样破坏,以冲击前、后摆锤的能量差,确定试样在破坏时所吸收的能量。

　　如图1,根据摆锤的扬角和升角,即可得到忽略摩擦损失的条件下,冲击过程中试样所吸收的能量为ΔE

　　ΔE =mgl(cosβ-cosα) (1)

　　式中:ΔE为忽略摩擦损失条件下,冲击过程中试样所吸收的能量,J;m为摆锤的质量,kg; l为摆锤质心到转轴的距离,m;α为摆锤初始位置的扬角,rad/s;β为摆锤冲击完成后的升角, rad/s。

　　当摆锤以扬角α释放时,在没有安装试样的情况下,如果忽略摩擦损失,摆锤在另一侧上升的角度β应该是和α一样的(α=β)。在工作过程中,试样的破坏必然损耗能量,同时因机械摩擦、风阻等也要消耗能量,从而使摆锤的上升角度β小于释放角度α。在对摩擦、风阻损失进行校正后,可计算出冲击破坏试样所吸收的能量。然后按试样原始横截面积计算其冲击强度,即:冲击强度为试样冲击破坏过程中所吸收的能量与试样断裂处的原始横截面积之比。

　　2　摆锤的摆长和冲击中心的关系

　　摆锤冲击试样过程中产生的角加速度ε,在摆锤上取一质量微元(参看图2),其质量为Δmx,作用在此质量微元上的惯性力为

　　式中:Io为摆锤对转动中心O点的转动惯量,单位为kg·m³;为质心到转动中心O点的距离,单位为m。

　　故

　　L为合力中心到转动中心的距离,单位为m,与文献[3 ~5]的冲击中心的表达式是一致的,即为摆锤的冲击中心。从上述的推导过程可知,冲击中心的力学意义可表述为:冲击中心距转轴的距离为L,其值为惯性力对转动中心的合力矩与惯性力(即合力)的比值。当冲击点在冲击中心时,由于惯性力的合力中心与试件给摆锤的作用力中心重合,冲击发生时摆锤锤杆不易发生变形,此时,转动中心O 处不会产生附加的作用力[6]。由式(8)可知,一般情况下冲击中心到O点的距离L与质心到O点的距离l不相等,故冲击中心与质心不重合。