织物落锤式|数字式撕破强力性能测试仪厂家价格报价_上海千实

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摆锤式撕裂仪原理研究及校准方法

  摆锤式织物撕裂仪又称为埃尔门道夫式撕裂仪,是比较经典的传统仪器。它通过测量摆锤势能的减少量,折算为撕裂试样所用的功,按试样原始长度计算出平均撕裂力。由于它结构简单,使用方便,测试数据稳定等诸多优点,至今仍在纺织、造纸、包装等许多行业大量使用。

  随着现代材料科学、电子技术的发展试样性能发生了很大的变化,撕裂仪已向大量程、电子化、和自动化发展,外观、量程、功能都有很大的改变。过去常见的撕裂仪小量程多为0~16N(或1500gf),大量程为0~64N(或6000gf);现在最小量程有0~2N,最大量程有0~300N。过去都是机械式仪器,随着电子技术的发展,撕裂仪已经电子化;并且出现了通过测量摆锤动能的减少量,计算平均撕裂力的仪器。大量程的仪器可以自动扬起摆锤;有的仪器可以自动校准零点;有的可以自动判断仪器与水平位置的差异,不必调整水平也可以准确测试;也有的可以自动测量摆锤的实际转动惯量等等。

  织物撕裂仪的校准不像其它力学仪器那样直观。尽管织物撕裂仪的部门检定规程早已发布,但是示值检定方法不明确,难于实施;实际上很少有人进行检定或校准。甚至有的生产厂都没有严格的出厂检定。因此对撕裂仪的工作原理进行一些宣贯,使有关人员明白道理;对校准方法进行研究,找出切实可行的方法,对仪器的生产和使用都有很大的现实意义。

  从物理学的角度讲,摆锤式撕裂仪实质上是一个复摆(物理摆)。过去有很多地方或者我们习惯上称为“落锤式撕裂仪”,我认为还是称“摆锤式撕裂仪”更确切;并且可以区别于基于自由落体的落锤仪器,避免混淆。

  摆锤式撕裂仪实际测定的是试样被撕裂时的撕裂功,整个测试过程基于功能转换原理:通过测定撕裂试样前后摆锤减少的能量得到撕裂功,再根据撕裂原始长度去计算试样的平均撕裂力。它可以有几种渠道去实现。其一:测定摆的势能的衰减量,即测定摆工作前后重心的高度差得到摆势能的衰减量来计算撕裂力;其二:测定摆动能的衰减量,即测定在某一点撕裂试样前后摆角速度的变化计算出动能的衰减量来计算撕裂力。本文将基于测定摆势能衰减量的方法称为势能法;将基于测定摆动能衰减量的方法称为动能法。

  一、摆锤式撕裂仪的基本测试原理

  1、摆锤式撕裂仪摆动时能量方程

  撕裂仪不撕裂试样摆动时能量转化的通式为:

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  说明:不带下标的都是常量,带下标i的都是与转角有关的不断变化的变量。但是,从理论上讲M(包括转动摩擦力、空气阻力等等)并非常量,会因为有无试样、试样性质的不同和摆的角速度不同等等因素使其发生变化;不过变化很小,在此可忽略不计。以下分析基于忽略摆动速度变化引起阻力矩的变化。

  2、势能法

  在式(1)(2)中,摆在初始位置时速度为零,动能为零,势能最大;当摆撕裂试样后摆动到另一侧的最高点时,摆动速度仍然为零,动能为零,势能被消耗,有一定的衰减量。记录摆摆动前后的高度即可测定撕裂试样后摆的势能的衰减量。用这个衰减量计算撕裂力的方法这就是势能法。能量方程为:

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  3、动能法

  测定摆在某一点撕裂试样前后角速度的变化量,即可测定摆的动能衰减量,用这个衰减量计算撕裂力的方法就是动能法。由于测速点是固定的,所以摆在测速点势能是常量。阻力矩的本来就非常小,撕裂试样前后变化也不大,在此阻力矩的变化可以忽略不计。由(1)-(2)式得到:

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  二、摆锤式撕裂仪的结构、各部件的作用

  尽管撕裂仪有多种形式,但是基本结构大同小异。目前撕裂仪区别较大的主要是机械式和电子式,如图1、3 ;电子式中势能法和动能法的区别主要是检测方式和传感器不同。

  机械式是撕裂仪的基本形式,全部是势能法测试机理。历史悠久,国内外多个厂家生产,有多种外形,但是实质是一样的。由指针在扇形摆锤的刻度标尺上记录摆锤转角并指示撕裂力。图1

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  电子式近几十年才出现,是机械式的改进。测试机理可以是势能法,也可以是动能法。势能法仪器由旋转编码器记录摆锤转角,以数字形式显示撕裂力;动能法仪器则在检测点装有测速器件,记录摆摆到该点时的角速度。

  1.机械式撕裂仪

  机械式撕裂仪的基本结构如图1,由底板1、指针和挡板2、机架3、力值刻度标尺4、扇形摆锤5、指针组件6、主轴7、静夹持器8、动夹持器9、试样切刀10、扇形摆制动器11等组成。

  1) 底板: 为长方形或三角形,是整机的基础。其上装有可调节、并且可紧固的地脚螺丝,机架以及水平泡、指针挡板、扇形摆制动器等。机架安装在底板中部,前面有扇形摆制动器、指针挡板。底板的水平很重要,它直接影响示值的准确性。稳固性也是重要性能,底板晃动会消耗摆锤的势能,产生意外误差。

  2)机架上部装有主轴组件,中部装有静夹持器。

  3)主轴上装有扇形摆组件和指针组件,靠轴承与机架连接。轴承的摩擦力矩要小,它影响测试精度;检定规程JJG(纺织)060—1995上要求:扇形摆摆动25个周期,摆幅减少不超过1cm。其实,当将阻力矩计算在公式中时摆幅减小的多少对示值准确性影响不大,但是,对调零影响很大。因为摆上的零点是固定的,也就是说摆动系统的阻力矩是定值。当轴承的摩擦力矩增大时,指针的摩擦力就要相应的减小,大量程时尚能保持回摆时指针不滑动,小量程时便不能保证,致使仪器无法工作。

  4)扇形摆锤为一个复摆(物理摆),是仪器测试需要的势能的来源。中间有一个扇形空缺,加大量程时,可以加装不同重量的配重块,增加配重时应使摆锤的重心不变(有的仪器如:日本和美国的,摆中间无空,配重块为圆柱形重锤;摆在自由状态时,重锤的轴在原重心的下面,增加配重时摆锤的重心下移,回转半径增大,可减小重锤质量)。其边缘部分装有弧形刻度标尺,右侧直边中间与机架上静夹持器相对应的部位装有动夹持器。

  5)标尺用来指示撕裂力值,各量程使用同一零位、同样的示值刻线,示值按量程比例增加。

  6)动、静夹持器用来夹持试样,仪器工作时将试样撕裂;在扇形摆锤竖起并被制动在初始位置时,动、静夹持器的夹持面应在同一平面内,两上平面也在同一平面内,上平面内的夹持缝与回转轴中心线平行,距离为104mm,该距离的连线与过回转中心铅垂面的夹角为27.5°。图2

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  7)夹持器的试样夹持深度为15mm或16mm,动、静夹持器之间相距3mm,其间装有试样切刀。当试样夹持好后,预先切开20mm的切口;之所以切口长度大于夹持长度,是因为在试样撕裂前给摆锤一个由静到动的加速时间,使摆具有一定的动能,可在开始时对试样产生撕裂冲击,以利于较厚试样的撕裂。方法标准GB/T3919-83规定试样夹持深度为15mm是对的;ISO规定:16mm。GB/T3917.1-1997规定试样夹持深度为15mm或20mm,其中的20mm是错误的。国内有的厂家讲:是为了防止试样滑脱;其实,防止滑脱应从加持面性能上下功夫,制造成20mm的应当改正。

  8)方法标准GB/T3917.1-1997规定了试样的形状和尺寸如图2,其中的缺口是为了限定撕裂方向用的,撕裂终了裂缝不在缺口之内时,当次试验作废;缺口处试样长度为63mm,预先切开20mm的切口后,试验中实际撕裂长度为43mm。

  9)指针组件由指针、指针套和阻尼器组成,指针内套装配在主轴上,与扇形摆一起摆动;外套与内套动配合,其间有摩擦块在内套的沟槽内摩擦产生阻力矩,力矩大小由外套上的螺钉进行调节。更换量程时由于摆锤质量改变,势能变化,零位会发生变化,须调节阻力矩使零位正确。

  10)底板的前部装有扇形摆锤制动器和指针挡板。当摆扬起时由制动器将其制动,积蓄起最大的势能;擎下时摆落下,进行工作。初始状态将指针紧靠挡板,工作时挡板挡住指针,指针内外套间滑动;工作结束时指针留在某一刻度上,指示出力值。

  11)机械摆锤式撕裂仪测试精密度可达到1%(F.S),最小量程的最小刻度值一般为0.2N。图3

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  2.势能法电子摆锤式撕裂仪

  势能法的电子摆锤式撕裂仪的工作原理、基本结构尺寸和工作器件的关系与机械式相同,只是将仪器电子化。如图3,由底板1、键盘2、数字显示屏3、机架4、编码器5、主轴6、摆锤制动器7、摆臂组件8、动夹持器9、静夹持器10、试样切刀11等组成。

  1)底板一般为长方形作用与机械式相同。

  2)机架是全机的支撑,安装在底板上,上部装有主轴,静夹持器,显示屏,操作按钮等;有的将水平泡也装在机架上面。纵向水平对测试准确度影响很大,其水平泡的精确度也比较高。

  3)主轴上装有记录摆锤转角的旋转编码器,摆锤组件(复摆);靠轴承与机架连接。轴承的摩擦力矩要小,它影响测试精度;检定规程上要求:摆摆动25个周期,摆幅减少不超过1cm。(当将阻力矩计算在公式中,摆幅减小的多少影响不大)。

  4)摆臂上装有摆锤,手柄,动夹持器等;为了调整方便,一般将除去摆锤(或连同摆锤轴)的摆,制作成绕主轴随遇平衡,以使调整、计算和制造简化(增减摆锤时复摆的重心不变)。

  5)摆锤一般为圆柱形,是仪器测试需要的势能的来源;不同量程一般为成倍扩大,可以增加相同重量摆锤的个数。

  6)显示屏用来显示撕裂力值,有的仪器为了检定方便将旋转编码器编码数显示出来。

  7)各个量程零位一致的仪器,设有阻尼器,更换量程时须调整阻力矩。自动记录零位的仪器,没有阻尼器,但是试验前要有校对零位的步骤;它减小了摩擦阻力,避免了阻尼器的不均匀性,对于提高测试精度大有好处。

  8)动、静夹持器要求与机械式相同。二者之间装有试样切刀,当试样夹持好后,预先切开20mm的切口,使开始撕裂时有一个冲击力,以利于撕裂的进行。

  9)电子式撕裂仪通过按钮控制电磁铁或气缸释放摆锤;有的仪器为了减少试验完毕后摆锤的回摆次数,装有回摆制动器。

  10)一般说来,在量程的20%以上的范围,电子式撕裂仪的测力精确度能做到示值误差1%或1‰(F.S)之内,最小量程时分辨力可以达到0.01cN~0.1cN。


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