擺錘法撕裂儀原理
發(fā)布時(shí)間：2018-05-03 13:21
擺錘式織物撕裂儀又稱為埃爾門道夫式撕裂儀，是比較經(jīng)典的傳統(tǒng)儀器。它通過(guò)測(cè)量擺錘勢(shì)能的減少量，折算為撕裂試樣所用的功，按試樣原始長(zhǎng)度計(jì)算出平均撕裂力。由于它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，至今仍在紡織、造紙、包裝等許多行業(yè)大量使用。
隨著現(xiàn)代材料科學(xué)、電子技術(shù)的發(fā)展試樣性能發(fā)生了很大的變化，撕裂儀已向大量程、電子化、和自動(dòng)化發(fā)展，外觀、量程、功能都有很大的改變。過(guò)去常見(jiàn)的撕裂儀小量程多為0~16N（或1500gf），大量程為0~64N（或6000gf）；現(xiàn)在最小量程有0~2N，最大量程有0~300N。過(guò)去都是機(jī)械式儀器，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，撕裂儀已經(jīng)電子化；并且出現(xiàn)了通過(guò)測(cè)量擺錘動(dòng)能的減少量，計(jì)算平均撕裂力的儀器。大量程的儀器可以自動(dòng)揚(yáng)起擺錘；有的儀器可以自動(dòng)校準(zhǔn)零點(diǎn)；有的可以自動(dòng)判斷儀器與水平位置的差異，不必調(diào)整水平也可以準(zhǔn)確測(cè)試；也有的可以自動(dòng)測(cè)量擺錘的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等等。
織物撕裂儀的校準(zhǔn)不像其它力學(xué)儀器那樣直觀。盡管織物撕裂儀的部門檢定規(guī)程早已發(fā)布，但是示值檢定方法不明確，難于實(shí)施；實(shí)際上很少有人進(jìn)行檢定或校準(zhǔn)。甚至有的生產(chǎn)廠都沒(méi)有嚴(yán)格的出廠檢定。因此對(duì)撕裂儀的工作原理進(jìn)行一些宣貫，使有關(guān)人員明白道理；對(duì)校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究，找出切實(shí)可行的方法，對(duì)儀器的生產(chǎn)和使用都有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
從物理學(xué)的角度講，擺錘式撕裂儀實(shí)質(zhì)上是一個(gè)復(fù)擺（物理擺）。過(guò)去有很多地方或者我們習(xí)慣上稱為“落錘式撕裂儀”，我認(rèn)為還是稱“擺錘式撕裂儀”更確切；并且可以區(qū)別于基于自由落體的落錘儀器，避免混淆。
擺錘式撕裂儀實(shí)際測(cè)定的是試樣被撕裂時(shí)的撕裂功，整個(gè)測(cè)試過(guò)程基于功能轉(zhuǎn)換原理：通過(guò)測(cè)定撕裂試樣前后擺錘減少的能量得到撕裂功，再根據(jù)撕裂原始長(zhǎng)度去計(jì)算試樣的平均撕裂力。它可以有幾種渠道去實(shí)現(xiàn)。其一：測(cè)定擺的勢(shì)能的衰減量，即測(cè)定擺工作前后重心的高度差得到擺勢(shì)能的衰減量來(lái)計(jì)算撕裂力；其二：測(cè)定擺動(dòng)能的衰減量，即測(cè)定在某一點(diǎn)撕裂試樣前后擺角速度的變化計(jì)算出動(dòng)能的衰減量來(lái)計(jì)算撕裂力。本文將基于測(cè)定擺勢(shì)能衰減量的方法稱為勢(shì)能法；將基于測(cè)定擺動(dòng)能衰減量的方法稱為動(dòng)能法。
一、擺錘式撕裂儀的基本測(cè)試原理
1、擺錘式撕裂儀擺動(dòng)時(shí)能量方程
撕裂儀不撕裂試樣擺動(dòng)時(shí)能量轉(zhuǎn)化的通式為:
撕裂試樣時(shí)能量轉(zhuǎn)化的通式為:
式中：m—— 擺錘質(zhì)量
g—— 當(dāng)?shù)刂亓铀俣?/div>
h1—— 擺重心初始狀態(tài)的高度
hi—— 擺錘重心通常狀態(tài)的高度
FiS—— 撕裂試樣做功
IZ—— 擺相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
αi—— 擺的轉(zhuǎn)角
ωi—— 擺的角速度，它是ｆ（α）的一階導(dǎo)數(shù)；
M—— 阻力矩
說(shuō)明：不帶下標(biāo)的都是常量，帶下標(biāo)i的都是與轉(zhuǎn)角有關(guān)的不斷變化的變量。但是，從理論上講M（包括轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力、空氣阻力等等）并非常量，會(huì)因?yàn)橛袩o(wú)試樣、試樣性質(zhì)的不同和擺的角速度不同等等因素使其發(fā)生變化；不過(guò)變化很小，在此可忽略不計(jì)。以下分析基于忽略擺動(dòng)速度變化引起阻力矩的變化。
2、勢(shì)能法
在式（1）（2）中，擺在初始位置時(shí)速度為零，動(dòng)能為零，勢(shì)能最大；當(dāng)擺撕裂試樣后擺動(dòng)到另一側(cè)的最高點(diǎn)時(shí)，擺動(dòng)速度仍然為零，動(dòng)能為零，勢(shì)能被消耗，有一定的衰減量。記錄擺擺動(dòng)前后的高度即可測(cè)定撕裂試樣后擺的勢(shì)能的衰減量。用這個(gè)衰減量計(jì)算撕裂力的方法這就是勢(shì)能法。能量方程為：
（3）
3、動(dòng)能法
測(cè)定擺在某一點(diǎn)撕裂試樣前后角速度的變化量，即可測(cè)定擺的動(dòng)能衰減量，用這個(gè)衰減量計(jì)算撕裂力的方法就是動(dòng)能法。由于測(cè)速點(diǎn)是固定的，所以擺在測(cè)速點(diǎn)勢(shì)能是常量。阻力矩的本來(lái)就非常小，撕裂試樣前后變化也不大，在此阻力矩的變化可以忽略不計(jì)。由（1）-（2）式得到：
（4）
二、擺錘式撕裂儀的結(jié)構(gòu)、各部件的作用
盡管撕裂儀有多種形式，但是基本結(jié)構(gòu)大同小異。目前撕裂儀區(qū)別較大的主要是機(jī)械式和電子式，如圖1、3 ；電子式中勢(shì)能法和動(dòng)能法的區(qū)別主要是檢測(cè)方式和傳感器不同。
機(jī)械式是撕裂儀的基本形式，全部是勢(shì)能法測(cè)試機(jī)理。歷史悠久，國(guó)內(nèi)外多個(gè)廠家生產(chǎn)，有多種外形，但是實(shí)質(zhì)是一樣的。由指針在扇形擺錘的刻度標(biāo)尺上記錄擺錘轉(zhuǎn)角并指示撕裂力。
圖1
電子式近幾十年才出現(xiàn)，是機(jī)械式的改進(jìn)。測(cè)試機(jī)理可以是勢(shì)能法，也可以是動(dòng)能法。勢(shì)能法儀器由旋轉(zhuǎn)編碼器記錄擺錘轉(zhuǎn)角，以數(shù)字形式顯示撕裂力；動(dòng)能法儀器則在檢測(cè)點(diǎn)裝有測(cè)速器件，記錄擺擺到該點(diǎn)時(shí)的角速度。
1. 機(jī)械式撕裂儀
機(jī)械式撕裂儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1，由底板1、指針和擋板2、機(jī)架3、力值刻度標(biāo)尺4、扇形擺錘5、指針組件6、主軸7、靜夾持器8、動(dòng)夾持器9、試樣切刀10、扇形擺制動(dòng)器11等組成。
1) 底板： 為長(zhǎng)方形或三角形，是整機(jī)的基礎(chǔ)。其上裝有可調(diào)節(jié)、并且可緊固的地腳螺絲，機(jī)架以及水平泡、指針擋板、扇形擺制動(dòng)器等。機(jī)架安裝在底板中部，前面有扇形擺制動(dòng)器、指針擋板。底板的水平很重要，它直接影響示值的準(zhǔn)確性。穩(wěn)固性也是重要性能，底板晃動(dòng)會(huì)消耗擺錘的勢(shì)能，產(chǎn)生意外誤差。
2) 機(jī)架上部裝有主軸組件，中部裝有靜夾持器。
3) 主軸上裝有扇形擺組件和指針組件，靠軸承與機(jī)架連接。軸承的摩擦力矩要小，它影響測(cè)試精度；檢定規(guī)程JJG（紡織）060—1995上要求：扇形擺擺動(dòng)25個(gè)周期，擺幅減少不超過(guò)1cm。其實(shí)，當(dāng)將阻力矩計(jì)算在公式中時(shí)擺幅減小的多少對(duì)示值準(zhǔn)確性影響不大，但是，對(duì)調(diào)零影響很大。因?yàn)閿[上的零點(diǎn)是固定的，也就是說(shuō)擺動(dòng)系統(tǒng)的阻力矩是定值。當(dāng)軸承的摩擦力矩增大時(shí)，指針的摩擦力就要相應(yīng)的減小，大量程時(shí)尚能保持回?cái)[時(shí)指針不滑動(dòng)，小量程時(shí)便不能保證，致使儀器無(wú)法工作。
4) 扇形擺錘為一個(gè)復(fù)擺（物理擺），是儀器測(cè)試需要的勢(shì)能的來(lái)源。中間有一個(gè)扇形空缺，加大量程時(shí)，可以加裝不同重量的配重塊，增加配重時(shí)應(yīng)使擺錘的重心不變（有的儀器如：日本和美國(guó)的，擺中間無(wú)空，配重塊為圓柱形重錘；擺在自由狀態(tài)時(shí)，重錘的軸在原重心的下面，增加配重時(shí)擺錘的重心下移，回轉(zhuǎn)半徑增大，可減小重錘質(zhì)量）。其邊緣部分裝有弧形刻度標(biāo)尺，右側(cè)直邊中間與機(jī)架上靜夾持器相對(duì)應(yīng)的部位裝有動(dòng)夾持器。
5) 標(biāo)尺用來(lái)指示撕裂力值，各量程使用同一零位、同樣的示值刻線，示值按量程比例增加。
6) 動(dòng)、靜夾持器用來(lái)夾持試樣，儀器工作時(shí)將試樣撕裂；在扇形擺錘豎起并被制動(dòng)在初始位置時(shí)，動(dòng)、靜夾持器的夾持面應(yīng)在同一平面內(nèi)，兩上平面也在同一平面內(nèi)，上平面內(nèi)的夾持縫與回轉(zhuǎn)軸中心線平行，距離為104mm，該距離的連線與過(guò)回轉(zhuǎn)中心鉛垂面的夾角為27.5°。
圖2
，最初（轉(zhuǎn)角從0o開(kāi)始）之所以設(shè)計(jì)該夾角，是因?yàn)榫妥兓畲螅⑶医咏�性，超過(guò)130o（即157o）正弦變化趨于平緩，非線性增大。動(dòng)夾持器的高度變化Δｈ隨角度變化最大，比較線性。從靜止到最大擺幅時(shí)動(dòng)夾持器上平面夾持縫的擺動(dòng)范圍在之間，27.5°～155o
7) 夾持器的試樣夾持深度為15mm或16mm，動(dòng)、靜夾持器之間相距3mm，其間裝有試樣切刀。當(dāng)試樣夾持好后，預(yù)先切開(kāi)20mm的切口；之所以切口長(zhǎng)度大于夾持長(zhǎng)度，是因?yàn)樵谠嚇铀毫亚敖o擺錘一個(gè)由靜到動(dòng)的加速時(shí)間，使擺具有一定的動(dòng)能，可在開(kāi)始時(shí)對(duì)試樣產(chǎn)生撕裂沖擊，以利于較厚試樣的撕裂。方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T3919-83規(guī)定試樣夾持深度為15mm是對(duì)的；ISO規(guī)定：16mm。GB/T3917.1-1997規(guī)定試樣夾持深度為15mm或20mm，其中的20mm是錯(cuò)誤的。國(guó)內(nèi)有的廠家講：是為了防止試樣滑脫；其實(shí)，防止滑脫應(yīng)從加持面性能上下功夫，制造成20mm的應(yīng)當(dāng)改正。
8) 方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T3917.1-1997規(guī)定了試樣的形狀和尺寸如圖2，其中的缺口是為了限定撕裂方向用的，撕裂終了裂縫不在缺口之內(nèi)時(shí)，當(dāng)次試驗(yàn)作廢；缺口處試樣長(zhǎng)度為63mm，預(yù)先切開(kāi)20mm的切口后，試驗(yàn)中實(shí)際撕裂長(zhǎng)度為43mm。
9) 指針組件由指針、指針套和阻尼器組成，指針內(nèi)套裝配在主軸上，與扇形擺一起擺動(dòng)；外套與內(nèi)套動(dòng)配合，其間有摩擦塊在內(nèi)套的溝槽內(nèi)摩擦產(chǎn)生阻力矩，力矩大小由外套上的螺釘進(jìn)行調(diào)節(jié)。更換量程時(shí)由于擺錘質(zhì)量改變，勢(shì)能變化，零位會(huì)發(fā)生變化，須調(diào)節(jié)阻力矩使零位正確。
10) 底板的前部裝有扇形擺錘制動(dòng)器和指針擋板。當(dāng)擺揚(yáng)起時(shí)由制動(dòng)器將其制動(dòng)，積蓄起最大的勢(shì)能；擎下時(shí)擺落下，進(jìn)行工作。初始狀態(tài)將指針緊靠擋板，工作時(shí)擋板擋住指針，指針內(nèi)外套間滑動(dòng)；工作結(jié)束時(shí)指針留在某一刻度上，指示出力值。
11) 機(jī)械擺錘式撕裂儀測(cè)試精密度可達(dá)到1%（F.S），最小量程的最小刻度值一般為0.2N。
