一种摆锤式回弹仪的制作方法

1.本发明涉及一种用于混凝土强度测量的摆锤式回弹仪。


背景技术：

2.混凝土回弹仪式一种用弹簧驱动弹击锤，弹击锤通过弹击杆撞击混凝土表面，混凝土表面产生顺势弹性变形吸收能量，弹击锤回弹，根据能量损失来表征混凝土的硬度。利用的原理是，混凝土越硬，混凝土产生弹性形变吸收的能量就越少，那么弹击锤撞击过程中损失的能量就越少。
3.混凝土回弹仪的工作过程如图1所示，为了清楚的表明问题，第1状态、第2状态、第3状态、第4状态和第5状态是按时间顺序发生的，工作时，首先提升弹击锤16的高度，如第1状态所示，弹击锤弹簧15储能，弹击杆2远离弹击锤的一端与混凝土表面接触。随后松开弹击锤16，弹击锤在导杆19导向作用下，朝弹击杆运动，如第2状态所示；再随后，弹击锤的下端面18撞击到弹击杆2，弹击杆对混凝土撞击，如第3状态所示；紧接着，如第4状态，弹击锤开始朝远离弹击杆方向回弹；最后，如第5状态所示，弹击锤到达回弹最高位置。
4.现有技术中，基本有两种测量方式来表征弹击锤的能量损失，第1种方式，测量第1状态和第5状态下弹击锤的高度差，通过两个状态下能量的变化来计算回弹值，第1状态下弹击锤的重力势能、第1状态下弹簧的弹性势能之和与第5状态下弹击锤的重力势能、第5状态下弹簧的弹性势能之和的差值即为两个状态下能量的变化。该方式明显具有以下缺点：1），由第1状态到第5状态的变化，并不仅仅是重力势能和弹性势能的变化，弹击锤与导杆之间有滑动摩擦力，该摩擦力也会带来能量的损失，这个摩擦力不可忽略，会影响会回弹值表征的精度；2），由于要考虑弹击锤的重力势能，因此弹击杆撞击混凝土表面的弹击角度就非常关键，对整个操作过程要求较为严格。
5.第2种方式，测量弹击锤撞击弹击杆时刻的撞击速度v0，测量弹击锤刚脱离撞击杆时刻的回弹速度v
r
，通过撞击前后，弹击冲的动能损失来表征弹击锤的能量损失，进而计算回弹值。该方式具有以下缺点，1）、由于弹簧的存在，导致在两个状态下，并非是完全的动能损失，只有撞击时刻，弹簧的弹性势能正好是势能零点时，动能损失才能精准的表征弹击锤的能量损失，而如何保证在撞击时刻，弹簧正好处于势能零点比较困难；2）、弹击锤与弹击杆之间的摩擦力，仍然是能量计算过程中一个不能忽略的能量损失因素；3）、动态的速度测量，也并非那么容易和稳定。
6.当然无论是第1种方式还是第2种方式，还存在着一个问题就是：弹击锤的下端面为一个平面，理想状态下，弹击锤的下端面直接与弹击杆上端面面接触一次撞击，完成对混凝土的硬度测量，但是由于弹击锤与导向杆之间存在导向配合公差，弹击锤在运动过程中，不能保证其下端面完全垂直于导向杆的轴线，当弹击锤的下端面与弹击杆的轴线不垂直时，会出现弹击锤的尖部首先撞击弹击杆一次，随后再撞击弹击杆第二次的情况，如果发生两次撞击的话，部分能量就会被弹击杆吸收，整个测量过程就会不准确。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种可以降低撞击锤撞击弹击杆过程中，撞击锤摩擦力对测量影响的摆锤式回弹仪。
8.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种摆锤式回弹仪，回弹仪架，回弹仪架上还通过转动连接结构转动装配有摆锤，摆锤具有撞击部，摆锤式回弹仪还包括用于带动所述摆锤朝向所述弹击杆撞击的摆锤驱动结构，摆锤式回弹仪还包括用于测量摆锤撞击弹击杆前后的摆动速度变化和/或摆动角度变化的测量装置。
9.进一步的，转动连接结构的转动轴线经过摆锤的重心。
10.进一步的，所述摆锤整体为中心对称结构。
11.进一步的，摆锤驱动结构为与所述摆锤相连的摆锤弹簧，测量装置测量摆锤撞击弹击杆前后的摆动角度变化。
12.进一步的，摆锤弹簧为扭簧或盘簧。
13.进一步的，摆锤驱动结构包括弹击锤和与弹击锤相连的弹击锤弹簧，摆锤被所述弹击锤撞击而撞击弹击杆，转动连接结构包括与回弹仪架转动配合的转轴，摆锤与转轴固定在一起，测量装置通过测量所述转轴的转速获得摆锤的摆动速度。
14.进一步的，撞击部为球头结构。
15.进一步的，转动连接结构包括安装于所述回弹仪架上的轴承和与轴承转动配合的转轴，摆锤与转轴固定在一起。
16.进一步的，撞击部距离转动连接结构的转动轴线之间的距离为转轴半径的至少两倍以上。
17.进一步的，测量装置为检测所述转轴转动角度和转动速度的绝对值编码器。
18.本发明的有益效果为：本发明中摆锤驱动结构带动摆锤直接或间接撞击混凝土，测量装置测量摆锤撞击前后的速度变化和/或摆动角度变化，如果测量装置测量摆锤撞击前后的速度变化，则可以通过动能损失得到摆锤撞击过程中的能量损失，如果测量装置测量摆锤撞击前后的摆动角度变化，则可以通过势能损失得到摆锤撞击过程中的能量损失，摆锤通过摆动输出撞击力，而不是通过直线移动输出撞击力，转动连接结构处的摩擦力对整个撞击过程的影响，受撞击部距离转动连接结构的转动轴线之间的间距大小影响，受撞击部距离转动连接结构的转动轴线之间的间距越大，转动连接结构处的摩擦力影响就越小，从而可以尽可能的降低撞击锤撞击过程中，撞击锤摩擦力对测量的影响。
19.进一步的，转动连接结构的转动轴线经过摆锤的重心，也就是说摆锤摆动过程中，其重力势能不发生变化，因此测量装置测量摆锤撞击弹击杆前后的摆动角度变化，通过弹性势能变化就能得到摆锤撞击前后的能量损失，跟弹击杆撞击混凝土的撞击角度无关，降低操作难度。
附图说明
20.图1是本发明背景技术的结构示意图；图2是本发明中摆锤式回弹仪的实施例1的结构示意图；图3是图2中的摆锤、转轴和摆锤弹簧的配合示意图；
图4是图1的俯视图；图5是实施例1中摆锤蓄能状态时的结构示意图；图6是本发明中摆锤式回弹仪的实施例2的原理示意图；图7是实施例2中摆锤被弹击锤撞击而撞击弹击杆的过程示意图；图中：1、垂直器导向套；2、弹击杆；3、垂直器浮动弹簧；4、弹击杆导向套；5、调节套；6、回弹仪架；7、撞击部；8、摆锤；9、摆锤弹簧；10、转轴；11、弹击杆垂直器；12、轴承；13、绝对值编码器；14、摆锤限位块；15、弹击锤弹簧；16、弹击锤、17、弹击锤撞击头；18、弹击锤的下端面；19、导杆；20、限位外翻沿；21、调节套内翻沿。
具体实施方式
21.为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
22.需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。
23.下面结合附图，对本发明的各实施例进行详细说明。
24.本发明一种摆锤式回弹仪的实施例1如图2~5所示：包括设置有弹击杆2的回弹仪架6，回弹仪架6上还通过转动连接结构转动装配有摆锤8，摆锤整体为中心对称结构，摆锤的一端为用于撞击弹击杆的撞击部7，撞击部为用于与弹击杆点接触配合的球头结构，由于摆锤整体为中心对称结构，因此摆锤8的另外一端也为同样的球头结构，摆锤整体采用中心对称结构，这样更容易确定摆锤的重心，转动连接结构的转动轴线经过摆锤8的重心。在本实施例中，转动连接结构包括转轴10，转轴通过轴承12与回弹仪架6转动配合，摆锤8与转轴10固定连接，转轴的轴线构成转动连接结构的轴线，因此转轴10的轴线经过摆锤的重心。
25.摆锤式回弹仪还包括用于带动所述摆锤朝向所述弹击杆撞击的摆锤驱动结构，在本实施例中，摆锤驱动结构为与摆锤相连的摆锤弹簧9，摆锤弹簧9为一个扭簧，摆锤弹簧的一端与摆锤相连，摆锤弹簧的另外一端与回弹仪架6相连。
26.摆锤式回弹仪还包括用于测量摆锤撞击弹击杆前后摆动速度变化和摆动角度变化的测量装置，本实施例中，测量装置为检测转轴转动角度和转动速度的绝对值编码器13，绝对值编码器13可以检测转轴10的转动角度，也可以检测转轴的转动角速度。
27.回弹仪架包括回弹仪架本体和与回弹仪架本体相连的调节套5，调节套5与回弹仪架螺纹连接，调节套5的内侧固定有弹击杆导向套4，弹击杆2与弹击杆导向套4的内孔导向移动配合，弹击杆2上设置有限位外翻沿20，调节套5上设置有用于与限位外翻沿20挡止配合以限制弹击杆相对调节套朝上移动极限的调节套内翻沿21。弹击杆导向套4的上端面用于与限位外翻沿下端挡止配合以限制弹击杆朝下移动极限。
28.调节套5用于调整摆锤撞击弹击杆的时刻为摆锤弹簧零弹性势能时刻，其具体使用过程为，轻轻拨动摆锤弹簧，摆锤自动复位时，就是摆锤弹簧的零弹性势能位置，此时用手朝上按压弹击杆，使弹击杆的限位外翻沿与调节套内翻沿始终接触，调节套相对回弹仪
架本体旋转，调整调节套的高度，使得弹击杆上端与摆锤的撞击部接触，然后停止对调节套的调节，此时，当向上转动摆锤，摆锤弹簧蓄能，摆锤弹簧带着摆锤朝弹击杆撞击时，撞击部与弹击杆接触的时刻，摆锤弹簧的弹性势能为零。在本实施例中，回弹仪架上与弹击杆上端的对应位置可以开设观察窗口，观察窗口由透明材料封堵，通过该观察窗口观察弹击杆上端是否与撞击部接触。
29.调节套5上安装有弹击杆垂直器11，弹击杆垂直器11用于保证弹击杆垂直于混凝土表面，弹击杆垂直器包括垂直器浮动弹簧3和垂直器导向套1，垂直器导向套与调节套导向移动配合，垂直器浮动弹簧3设置于垂直器导向套1与调节套5之间，垂直器导向套的下端面为垂直弹击杆轴线的平面。使用时垂直器导向套的下端面与待测试的混凝土表面接触配合，按压调节套，直至弹击杆的下端面也与混凝土表面接触配合，此时弹击杆上的限位外翻沿与调节套上的调节套内翻沿挡止。即可进行回弹值测试，朝上转动摆锤，摆锤弹簧蓄能，然后释放摆锤，摆锤在摆锤弹簧的驱动下，摆锤的撞击部朝弹击杆撞击，撞击后，混凝土吸能，摆锤出现能量损失。图中摆锤限位块14用于限制摆锤的顺时针转动极限。
30.本发明中的绝对值编码器即可测量转轴的转动角度，也可以测量转轴的转动角速度，当选取转轴转动角度作为测量数据时，可以通过势能损失来计算摆锤撞击前后的能量损失，而且简单方便，因为在整个撞击过程中，摆锤的重力势能不发生变化，只有摆锤弹簧的弹性势能在发生变化，因此不局限于弹击杆的冲击角度，与弹击角度无关，操作方便，可以轻松获得摆锤撞击前后的能量损失，进而获得回弹值。
31.当选取转轴转动角速度作为测量数据时，可以通过动能损失来计算摆锤撞击前后的能量损失，撞击部撞击弹击杆前后的速度通过转轴的角速度可以换算得到，由于撞击部撞击弹击杆时刻，摆锤弹簧的弹性势能为零，没有摆锤弹簧力介入时，摆锤匀速运动，因此可以轻松获得摆锤撞击前后的能量损失，进而获得回弹值。本发明既可以使用势能来计算摆锤的能量损失，也可以通过动能来计算摆锤的能量损失。
32.由于通过转动连接结构导向，因此导向结构不需贯穿摆锤，因此撞击部可以为用于与弹击杆点接触配合的球头结构，撞击部与弹击杆一次撞击完成测试，保证测试的准确性。
33.使用转动的摆锤对弹击杆进行撞击后，与摆锤固定在一起的转轴与摆锤有相同的角速度，相比现有技术中的直线速度测量而言，转轴转速的测量简单方便。
34.而且无论是势能计算摆锤撞击前后的能量损失还是动能计算摆锤撞击前后的能量损失，由于采用摆锤结构，转轴处的摩擦力做功几乎可以不计，其原理是，轴承的摩擦系数为0.001~0.003，在此次假设本实施例中轴承的滚动摩擦系数为0.002，摩擦系数用μ代表，转轴的半径为r，撞击部距离转轴轴线的距离为d，摆锤的质量为m，摆锤弹簧的刚度为d，摆锤弹簧自储能状态到零弹性势能状态的冲击角位移为s。则摆锤重力产生的摩擦力f=mg*μ，该摩擦力产生的摩擦扭矩w= mg*μ*r，这个摩擦扭矩在碰撞点处对应产生一个反作用力f，该反作用力f= mg*μ*r/d，这个力产生一个弹簧拉伸长度的偏差，该偏差=f/d，这个偏差对摆锤整个能量损失影响是比较小的，而且该偏差取决于r/d值，也就是说撞击部距离转动轴线与转轴的半径比越大，该偏差就越小。
35.下面假设，d=785 n/m，s=75mm，m=0.37kg，μ=0.002，r=5mm，d=86mm，摆锤重力产生的摩擦力f=0.37*10*0.002=0.0074n，产生的摩擦扭矩w=0.0074n*0.005=0.000037 nm。这
个摩擦扭矩在碰撞点处对应产生一个反作用力f=0.000037 nm/0.086=0.00043 n。这个力产生一个弹簧拉伸长度的偏差：0.00043 n/785 n/m=0.00000055 m=0. 00055 m m。这个长度的偏差对摆锤撞击产生的能量损失影响是比较小的，产生最大不到2/10000的偏差。
36.在本发明的其它实施例中，根据需要可以选择r/d的合适值，撞击部距离转动连接结构的转动轴线之间的距离为转轴半径的至少两倍以上，均能起到减小摩擦力影响的效果；当仅需要使用势能来计算摆锤能量损失值时，测量装置仅需测量摆锤撞击过程前后的摆动角度；当仅需要使用动能来计算摆锤的能量损失值时，测量装置仅需测量摆锤撞击弹击杆前后的速度变化；摆动弹簧还可是扭簧或者柱形弹簧等；弹击杆还可以不设，调节套和弹击杆垂直器均可以不设，此时摆锤可以直接对混凝土进行接触撞击。
37.本发明一种摆锤式回弹仪的实施例2如图6~7所示：实施例2与实施例1不同的是，在摆锤8上没有连接摆锤弹簧，摆锤驱动结构包括弹击锤16和与弹击锤相连的弹击锤弹簧15，弹击锤16具有用于撞击摆锤的弹击锤撞击头17，摆锤8被弹击锤16撞击而撞击弹击杆2，测量装置可以测量摆锤撞击弹击杆前后的速度变化。使用时，提升弹击锤16的高度，弹击锤弹簧15储能，然后释放弹击锤弹簧15，弹击锤16撞击摆锤8，进而，摆锤8的撞击部7去撞击弹击杆2，弹击杆冲击混凝土。图7中自左至右，第一幅图表示弹击锤撞击倒摆锤的时刻，第二幅图表示，摆锤撞击到弹击杆的时刻。
38.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。