基于MSP430的智能化冲击试验机的研制

　　冲击强度是材料最重要的性能参数,通过冲击试验机测定其冲击强度。按国家标准的有关规定开发研制智能化冲击试验机,可用于包括热塑性和热固性塑料、填充和纤维增强塑料在内的各种非金属材料的性能试验,是各行业和科研单位质量检测部门理想的试验设备。

　　1　工作原理[1]

　　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。即用已知能量的摆锤打击支撑成水平梁的试样,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,然后按试样原始横截面积计算其冲击强度。

　　图1所示为试验机的工作原理示意图。当摆锤以扬角α释放时,在没有安装试样的情况下,若忽略摩擦损失,摆锤在另一侧上升的角度β应该和α一样(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,这2个角度的差值α-β反映了冲击过程中试样所吸收的能量及因机械摩擦、风阻等而消耗的能量之和,在对摩擦、风阻损失进行校正后,可计算出破坏试样所吸收的冲击能量。摆锤在初始时刻的位能E为:

　　在摆锤制作完成后,为测量摆锤的位能,用一测力传感器放置在处于水平状态的摆锤下方,测得力的大小为F,力F到转轴O的距离为L。根据平面力系的平衡方程,对O点外力的合力矩应为0,因此:

　　当忽略机械摩擦、风阻等而消耗的能量,由机械能守恒定律,冲击过程中试样所吸收的能量E0为:

　　在摆锤式冲击试验机的设计过程中,摆锤和测控系统的设计是关键。设计摆锤时必须满足冲击能量、冲击速度及形状风阻等要求,其在国家标准中都有较严格的规定,因此在设计过程中首先明确摆锤的振动中心、打击中心与质心三者的关系。

　　2　摆锤设计

　　2.1　摆锤的打击中心[2,3]

　　如图2所示,当摆锤撞击到试件后,设撞击前摆锤的角速度为ω0,在O′点受到试件给摆锤的反作用力,设其大小为F,至旋转轴心的距离为L,在碰撞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:

　　式中:I0为摆锤到旋转轴心O的转动惯量。

　　根据质点系动量定理积分形式,有:

　　当旋转轴心O点不产生附加的水平约束力,即F′=0时,则式(5)可写成:

　　比较式(4)与式(6),得公式

　　则

　　即当打击点距旋转轴心的距离为L时,打击力在旋转轴心O点不产生附加的水平约束力,此时O′点的位置即为摆锤的打击中心。由式(7)可知,打击中心到O点的距离L与质心到O点的距离l并不重合。