《落锤式冲击试验机仪器校准规范》解读
落锤式冲击试验机包括非金属落锤式冲击试验机、金属落锤式冲击试验机两种。落锤式冲击试验机广泛应用于公路、铁路、水利、建筑、建材、化工、冶炼、钢铁等行业，是检验产品抗冲击性能的重要仪器之一。我国在
2008
年以前虽相继出台了多个国家行业标准，如
JB/T9389-2008
《非金属材料落锤式冲击试验机技术条件》、
GB/T5137.1-2002
《汽车安全玻璃试验方法》、
GB/T8363-2007
《铁素体钢落锤撕裂试验方法》、
GB/T11548-1989
《硬质塑料板材耐冲击性能试验方法
(
落锤法
)
》，但一直没有专门针对落锤式冲击试验机性能检测方面的计量相关技术规范。
随着箱包落锤冲击试验机的广泛使用以及技术标准的建立，
仪器计量
校准规范的编制变得越来越迫切。
2009
年，河南省计量科学研究院联合上海市计量测试技术研究院、承德市金建检测仪器有限公司等单位共同成立了校准规范编制小组，并向全国力值硬度计量委员会提出了校准规范编制申请。该校准规范编制项目于
2011
年列入编制计划，
2012
年通过了全国力值硬度计量委员会的审定
,2014
年
1
月
23
发布
,2014
年
4
月
23
日开始实施。
1.
仪器计量特性
在校准规范制定过程中，为了准确表达各个国家标准对落锤式冲击试验机的具体要求，同时为了方便仪器计量工作人员容易了解各种落锤式冲击试验机的
仪器校准
项目及具体指标，在仪器校准规范中编制了计量特性表，如表
1
所示。
2.
仪器校准项目和仪器校准方法
根据物理知识
,
为了保证每一台落锤式冲击试验机检测试样时的一致性，就需要保证试样放置的一致性，落锤冲击速度大小、方向、路径的一致性，落锤锤头的几何参数、硬度和质量的一致性。这些指标主要体现在工作台、落锤运动导向装置、落锤冲击速度和冲击位置、落锤锤头曲率半径、锤头粗糙度、锤头硬度和落锤质量，所以本校准规范将这些必需的物理指标作为仪器校准项目。
(1)
工作台
为了保证工作台的正常工作状
态
,
需要校准工作台的水平度和摆动量。水平度主要是为了保证落锤垂直冲击试样。仪器校准方法是使用框式水平仪在工作台的工作面相互垂直的两个方向上进行测量，取最大值作为工作台的水平度。工作台摆动量仅仅适用于非固定式工作台
,
该项目主要是为了保证冲击位置的一致性。具体仪器校准方法是，将工作台调至顶端，在稳固的基础上分别安装两块百分表，百分表的量杆垂直地靠在工作台相互垂直的两个侧面上，在水平方向上向两侧推动工作台，取两个百分表的最大变动量作为工作台在水平方向上的摆动量。固定式工作台一般不会有摆动量，如果仪器校准人员发现工作台松动要及时进行加固。
(2)
导向装置垂直度
导向装置垂直度仅适用于有相互作用力的导向装置
,
对于没有相互作用力的导向装置该项不用测量
,
主要目的是为了保证落锤在竖直方向上运动，从而保证落锤竖直向下冲击试样。具体仪器校准方法是
,
使用框式水平仪和塞尺在导向装置相互垂直的两个方向上分别测量
,
取最大值作为落锤导向装置的垂直度。
(3)
落锤冲击点偏差
当被冲击试样准确放置在工作台上时，为保证冲击试验的位置一致性，必须保证落锤在工作台上的冲击点位置一致。具体仪器校准方法是，在工作台上
(
或夹具上
)
水平放置一块
10mm
厚的金属平板，使其与工作台保持平行
,
金属平板的中心与夹具中心重合。在金属平板上放置一块约
5mm
厚的橡胶板
,
在其上再放置表面较光滑的约
10mm
厚的夹布胶木板。将复写纸夹于两张白纸之间，放在胶木板或钢板之上，在白纸上绘制出金属平板的中心坐标，用适当的装置加以固定，以防止冲击时发生移动。对于非金属冲击试验机，提升落锤至适当高度，冲击
3
次；对于金属冲击试验机
,
提升落锤至适当高度，控制落锤缓慢下降至轻轻接触白纸
,
在白纸上印出清晰印痕，重复
3
次。然后使用游标卡尺测量复写纸下面白纸上的每个冲击印痕的中心与中心坐标的距离，测量数据的最大值作为落锤冲击点偏差的校准数据。
(4)
落锤锤头
落锤锤头曲率半径直接决定了冲击试验时试样受冲击的面积，表面粗糙度决定着试样被冲击时摩擦力的大小，硬度则对冲击时落锤锤头的弹性变形大小及冲击作用时间都有影响。
3
个参数的具体仪器校准方法是，使用半径测量规在落锤两个垂直的轴向方向上测量落锤锤头曲率半径；使用表面粗糙度比较样块目测比较测量锤头的表面粗糙度，采用表面粗糙度最大的数据作为测量结果；使用硬度计测量落锤锤头的硬度。
(5)
落锤冲击能量
冲击试验的重要指标是承受多少能量的冲击，所以落锤冲击时的能量必须校准。落锤冲击能量的最直接的测量方法是测量落锤质量和落锤冲击时的速度，
按照动能公式：
计算出冲击能量。由于速度直接决定了冲击碰撞时的时间，并能得到冲击时有无摩擦力的影响，对冲击试验的效果有非常大的影响，所以部分冲击试验机有冲击速度的要求。设定落锤高度其实就是控制落锤冲击的速度，在速度一定时落锤质量大小直接影响冲击的能量，所以落锤质量、跌落高度、能量损失等
3
个参数都需要准确校准。落锤质量校准直接使用衡器分别测量即可，并计算示值误差。跌落髙度的校准方法是选取最小跌落高度、最大跌落高度和中间跌落高度附近
3
个位置，使落锤逐一停留在设定高度的位置，使用钢卷尺对落锤的高度进行测量。连续进行
3
遍，每遍开始时都需要重新调准零位。
能量损失的校准方法分为以下两种：
第一种方法适用于设定高度的落锤式冲击试验机，将最大锤头半径的落锤提升至最大高度，释放落锤
.
使其自由落下，使用速度测量装置测量其下落速度。重复测量
3
次
,
按公式计算能量损失：
η
(
式中：
v
——速度测量装置的
3
次测量平均值；
g
——当地重力加速度；
h
——落锤锤头顶端到速度测量点的距离）。
第二种方法适用于设定能量的落锤式冲击试验机，将最大锤头半径的落锤提升至最大设定能量处，释放落锤，使用速度测量装置测量其下落速度。重复测量
3
次，按公式计算能量损失：
η
(
式中：
v
——速度测量装置的
3
次测量平均值；
m
——落锤质量；
E
——落锤式冲击试验机设定的能量
)
。
在仪器校准中应该注意的事项
1.
适用范围
本校准规范适用于非金属落锤冲击试验机、金属落锤冲击试验机、落球冲击试验机、落镖冲击试验机、箱包冲击试验机等各种试验机的校准。
此外的很多其他类型冲击试验的仪器，如土工击实仪、陶瓷砖冲击试验机等，由于这类仪器不仅有冲击的功能，还有其他技术参数
,
如冲击次数、落锤位置的变化、回跳高度测量等要求，本校准规范不能包含，但可以参照某些相同的校准项目和方法进行仪器校准。
2.
工作台的刚度
在国家机械行业标准
JB/T9389-2008
中表述为工作台的挠度，编写组认为使用“挠度”不能准确表述工作台的刚度性能，使用“弹性变形”可以准确描述工作台的刚度；但由于工作台的弹性变形可以认为在试验机制作好后是一个不会改变的量，并且仪器校准比较复杂、危险
,
故在审定会议中，专家一致认为本校准规范不包含该校准项目。
3.
落锤组装方式
根据碰撞的物理理论，在冲击试验中，如果相同质量的落锤组装方式不同，冲击效果会有很大的不同。原因是多个部件组装在一起的落锤在碰撞时，各个组成部分也会相互碰撞，而各个组成部分之间的碰撞不仅会消耗冲击时作用到试样上的能量，同时会严重影响冲击时冲击力的波形和作用效果。由于冲击锤的组装方式不是量值
,
并且在各个相关标准中没有提及该问题，所以在本校准规范中没有包含，但是试验人员在做试验时一定要重视这个问题。
4.
试样的装夹方式
由于试样的放置
(
装夹
)
方式，包括倾斜角度、
V
型装夹、简支梁放置等方式多种多样，并且这些可以由试验人员直接查看并验证
,
所以在本校准规范中没有包含。
5.
落锤冲击点偏差校准在落锤冲击点偏差校准中，由于复写纸放置的方法问题，当落锤冲击能量较大时，复写纸及胶木板会被冲击破坏
,
所以仪器校准人员要总结经验、充分观察，既保证充分表征冲击点偏差，又能使复写纸及胶木板等不被冲坏。
6.
空气阻力对冲击能量的影响根据我们使用速度测量仪对落锤速度的测量，实验结果证实空气阻力在跌落高度小于
2m
时，对能量的影响小于
0.3%
，所以如果没有接触式的落锤导向装置，可以认为使用跌落高度计算的能量即为冲击时的冲击动能。
7.
落锤锤头硬度校准
由于锤头硬度是长期稳定性较好的量
,
出厂时如果硬度在要求范围内，在随后多年内，该锤头的硬度一般不会变化太大，所以仪器校准人员尽量在对锤头硬度测量过一次后，尽量不要做多次硬度校准，以防止多次洛氏硬度试验而影响锤头表面的几何参数。
8.
速度测量
测量落锤冲击速度时，由于落锤会在冲击试样后反弹，损伤安放在旁边的速度测量仪，所以在仪器校准之前，一定要使用合适的方法确保速度校准时仪器不被损伤。编写组在试验时的具体做法是，在较大的气球内放置—定量的橡皮泥，之后上下各放置橡胶板，落锤冲击到橡胶板上，落锤几乎不反弹，希望该方案能对仪器校准人员有所帮助。
