先來講一個真實故事：年初一天，我陪著一個做外貿(mào)的朋友，去青島城陽的一家健身器材廠家談生意，這個廠家生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是健身用的新型啞鈴片和橡膠杠鈴這類產(chǎn)品。

如圖，新型彩色杠鈴片，其實只有中間部分是鋼材，其余大部分體積是橡膠材質(zhì)，主要是天然膠，這樣的杠鈴沒有異味，兼具鮮艷的色彩，而且比油漆的耐用壽命長得多，橡膠的好處是不傷害健身房的地板，而且看起來杠鈴的體積很大，重量其實并不是很大，很適合網(wǎng)紅舉重拍照。

這家工廠生產(chǎn)的啞鈴片產(chǎn)量很大，且據(jù)老板說，疫情期間，外國人不能出門浪，都呆在房中擼鐵，各種健身器材熱銷，杠鈴片銷量更比往年高了數(shù)倍，因為價廉物美，所以產(chǎn)品暢銷歐美，現(xiàn)在每周要出口五六個集裝箱，只是集裝箱貨運費漲價實在太可怕了....

大家交談一番，參觀樣品后，朋友詢問價格，老板拿出三個啞鈴片，它們的顏色、重量、文字、樣式一模一樣的，說這里有A,B,C三個等級的產(chǎn)品，A比B貴20%，B比C貴20%，讓我們猜猜ABC。

我們仔細(xì)端詳研究，肉眼看上去的確是一模一樣，連邵爾硬度都大體相同。老板最后公布答案說這是A，這是B，這是C，只是手感略微有些不同，老板說如果很多啞鈴片混放在一起，自己也不一定可以分清哪一片到底是什么等級！

朋友問是不是高等級的啞鈴片更耐用一些？老板說它們都很耐用，至少摔個三五年不會有問題，朋友追問到底差異在什么地方，價格相差如此之大，老板微笑而不答，顯然這是商業(yè)秘密，不方便為外人道爾。

幸運的是，筆者當(dāng)天正帶著一個便攜式回彈儀，于是便用拿出回彈儀，在樣品上當(dāng)著大家的面，測量了一下啞鈴片的回彈性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)回彈性差異非常明顯：A50%，B45%，C40%左右。

其實也很好理解，等級的差異，一定是成本的差異造成的，天然膠含量越高，回彈性就越好，但天然膠的價格要兩三萬元一噸，便宜的填充劑或補強劑替代，價格只有幾千元一噸，減少天然膠增加填充劑，成本自然大大下降。但含膠量的下降，引起回彈性的改變。

不僅僅是填充劑的改變，其實隨著天然膠的老化，或者使用疲勞的老化，或者溫度的變化，橡膠材料的回彈性都會有很大的改變，測量橡膠元件的回彈性，其實也可以快速檢測其老化程度或質(zhì)量等級。

從這一點來說，便攜式回彈儀可以方便的現(xiàn)場快速測量回彈性，比起GB-1681擺錘式回彈儀要好很多，擺錘式只能測標(biāo)準(zhǔn)的試片，無法測量成品，而且也沒法現(xiàn)場測量。

不過由于擺錘式回彈儀的結(jié)構(gòu)簡單，在測試過程中干擾比較少，單臺儀器的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好。因此可以用擺錘式做基準(zhǔn)測量，標(biāo)定橡膠試樣，然后拿橡膠試樣校準(zhǔn)便攜式回彈儀，就可以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。如同用天平校準(zhǔn)砝碼，再拿校準(zhǔn)砝碼校準(zhǔn)臺秤一樣，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的傳遞。

但是實際使用中發(fā)現(xiàn)，不同的擺錘回彈儀之間，特別是不同廠牌擺錘回彈儀的測試數(shù)據(jù)，卻有比較大的差異。

我們使用了三種膠料在幾種儀器上進(jìn)行了測試，結(jié)果誤差很大：

可以看到，三種回彈性的測試差別很大，最大的回彈性差異達(dá)到了12%，這是一個相當(dāng)高的差異。越是回彈性高的材料，回彈性相差也就越大。

可以說這是一個普遍的現(xiàn)象，看起來回彈儀結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)應(yīng)該比較相近才對，其實回彈性的結(jié)果受到很多看起來不起眼的細(xì)小因素的干擾，疊加起來，在不同的儀器之間所產(chǎn)生的誤差很大。

直到現(xiàn)在，橡膠回彈性的測試數(shù)值，一直不能達(dá)成共識，沒有一套橡膠邵爾硬度一樣的，*的標(biāo)準(zhǔn)膠，缺乏確定的校準(zhǔn)數(shù)值，使得各家儀器之間缺乏對比性。所以統(tǒng)一各種差異性，取得測試的一致性還是很有必要的。

我們先看一下三種儀器的結(jié)構(gòu)樣式

1. 指針式擺錘回彈性：左為中國臺灣某廠家的儀器，右為國產(chǎn)某廠家的儀器，近些年中國臺灣產(chǎn)的擺錘式回彈儀已經(jīng)基本見不到指針式的，國產(chǎn)廠家的指針式回彈儀因為成本低價格便宜，在市場上仍然有很大銷量。

2. 數(shù)顯式回彈儀：左為中國臺灣某廠家產(chǎn)品，右為國產(chǎn)某廠家產(chǎn)品。

3. 便攜式回彈儀：左為D沖頭（11毫焦耳），右為G沖頭（90毫焦耳）。便攜式回彈儀的校準(zhǔn)，是以2號膠料60%為基準(zhǔn)，然后做其他實驗得到的結(jié)果。

指針式和數(shù)顯式擺錘回彈儀的測試誤差很大，原因分析主要有以下幾個方面：

1. 壓緊約束力：

國產(chǎn)指針式或數(shù)顯式用的彈簧壓板的加力方式，而中國臺灣產(chǎn)回彈儀用了氣壓式加力方式。從壓力大小講，GB-1681規(guī)定試片的壓緊力是200±20N，國產(chǎn)回彈儀的彈簧壓板手感只有大約20-30N的壓力，其實這也好理解，畢竟200N的壓力不是手工可以拉開的。中國臺灣回彈儀的氣壓方式力量比較準(zhǔn)，可以達(dá)到200N，而且氣壓開合方式也非常方便，不過壓力的不同，對回彈性回造成很大的影響，特別是高回彈的柔軟的膠料，壓力的影響會特別明顯，估計影響回彈性3-5%。這是一個相當(dāng)大的影響因素。

其實GB-1681的本質(zhì)意思是希望壓緊約束力能達(dá)到這樣一種效果：與試樣緊固黏貼到背板上的回彈值一樣！

但是壓緊和黏貼有很大的不同：壓緊會導(dǎo)致試樣變形。以上述三種試樣為例，最大的變形就是3#膠料，彈簧壓力下變形達(dá)到了1毫米，氣壓下變形硬是達(dá)到了更大的3毫米！可以想象，試片已經(jīng)被壓成了扁形鼓狀，而且中間孔處凸起的奇怪形狀，這對回彈性的影響是非常大的。

200N的壓緊力，對于回彈性試片而言的確是太大了，而且操作的時候有夾到手指的可能性，具有一定安全隱患。所以GB-1681標(biāo)準(zhǔn)還提出個一個方法，就是用真空吸附的方式吸住試片，然而其提出的夾持力還是有150N這么大，僅僅減少了50N而已！

改善的方式其實還有一種可以考慮：黏貼耦合劑方案。用凡士林把試片黏貼到背板上，用完后擦掉就可以。筆者試驗發(fā)現(xiàn)，在國產(chǎn)儀器上使用凡士林黏貼后，同樣的彈簧壓力下，2#試樣的回彈性提高了大約2-3%，的確有一定效果。

2. 指針的松緊度與回彈性：

指針式回彈儀的指針，是靠軸心的彈簧壓力調(diào)節(jié)的摩擦力來控制的，太緊則摩擦力太大，導(dǎo)致數(shù)值偏小；太松則摩擦力偏小，指針不易停止，導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏大，試驗調(diào)整發(fā)現(xiàn)，指針彈簧松緊引起的偏差有1-2%。

數(shù)顯式看起來沒有指針的問題，但其實問題也不少，編碼器一般采用的增量式編碼器，其實在碰撞瞬間，運動方向改變時，是有一定測量誤差的，具體要看如何調(diào)整修正，而各個數(shù)顯式回彈儀卻都沒有提供一個校準(zhǔn)方案，到底數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否無法用其他方式確定，不象指針式那樣明確留下指示數(shù)值，可以事后測量角度確定。

數(shù)顯式應(yīng)該留一個角度校準(zhǔn)塊的安裝位置，可以加一個角度固定器，例如回彈的擺桿撞擊到60°固定器，則應(yīng)該讀數(shù)也是60°或50%。

3. 擺錘自由下垂時是否垂直，重心是否合理，擺桿是否足夠輕：

擺錘的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是對稱的，保證在自由下垂時，擺桿是豎直的。如果不能豎直，則零度的位置就會差一些角度，導(dǎo)致結(jié)果也差這個角度。中國臺灣的儀器擺錘就不豎直，有1-2度的誤差，造成的結(jié)果肯定有差異。這是因為撞擊錘的結(jié)構(gòu)重量不對稱，撞擊錘一側(cè)的重量大一些，左重右輕，導(dǎo)致擺桿自由下垂停止時向右傾斜，垂直零度數(shù)值其實是1-2°，測試結(jié)果回彈值就會比較大一些，而且回彈性越大，誤差就會越大，到了70%以上，每一度擺角變化對應(yīng)的回彈值變化都很大。

撞擊錘的位置也有影響，如果位置合適，撞擊瞬間擺臂軸承的受力最小，按照碰撞理論，擺臂應(yīng)該重量越輕越好，撞擊頭的撞擊位置在沖頭中心。而兩種儀器的擺桿都是是用實心鋼桿制作，比較粗重量比較大，所以沖頭應(yīng)該比較偏上一些，實際上，國產(chǎn)儀器雖然意識到問題，沖頭偏上一些，但尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而中國臺灣儀器沒有意識到這個問題，沖頭在中間位置，問題其實更大一些。

GB-1681要求沖擊能量0.5焦耳，擺臂的長度決定了沖擊速度為2米/秒，而沖頭重量應(yīng)控制在0.25Kg，實際上兩種儀器的沖擊頭加上擺桿，重量至少超過0.5Kg，遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求，其實際沖擊能量也比標(biāo)準(zhǔn)大得多。

由于擺桿質(zhì)量太大太重，撞擊受力不均衡，導(dǎo)致撞擊瞬間軸承受力比較大（可能瞬間超過數(shù)百牛，遠(yuǎn)超軸承的理論徑向受力極限），軸承阻力瞬間變大，所以導(dǎo)致回彈性的數(shù)值偏低。而且長時間使用后軸承容易損壞，回彈性會更低。使得長時間的測試之后，軸承磨損，數(shù)值逐漸下降，更換軸承后，數(shù)據(jù)又上升，使得新老機器之間，出現(xiàn)明顯的測試偏差。

所以擺錘式回彈儀的擺臂，建議應(yīng)該用空心鋁合金管制作，盡量減輕擺桿的質(zhì)量。或者在擺桿軸心另一側(cè)加延長桿，平衡掉擺桿的重量也是不錯的方案。盡可能減少軸承的受力，保證軸承的低摩擦性，才能保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

4. 底座的重量影響：

撞擊瞬間的力量其實是很大的，理論上說，瞬間碰撞力量可以超過上千牛頓，所以GB-1681要求底座的重量應(yīng)該超過沖頭質(zhì)量的200倍，或與混凝土臺座固定連接。以沖頭重量0.25公斤計算，底座重量要50公斤，實際上國產(chǎn)指針式的儀器底座重量一般在20公斤左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。中國臺灣的數(shù)顯式回彈儀，看起來重量比較重，其實也不能達(dá)到50公斤，難以滿足重量的要求。

5. 試片的放置位置：

GB-1681要求撞擊位置在試片的中心位置，實際放置的時候，國產(chǎn)儀器是靠手感，中國臺灣儀器有兩個支撐桿，然而一旦壓緊約束力，試片變形之后，就會偏離中心，都沒有保證沖擊位置在圓心處。

建議的方案是在背板處有一個圓形標(biāo)志與試片相同直徑，把試片放置標(biāo)志中，用一個桿壓住，再壓緊約束力壓板，然后松開桿，開始試驗。這樣能保證位置在中間了。當(dāng)然氣動方式比較好一些，彈簧壓緊不容易操作。

總結(jié)：擺臂式回彈儀想做到真正的穩(wěn)定可靠，相當(dāng)困難。

即使回彈儀的設(shè)計很理想了，但是試片即使配方不變，僅僅尺寸有一點點改變，或者溫度有一點不同，回彈性都可能會有很大的變化，這一點在輪胎中特別明顯，花紋對回彈性的影響是很大的變數(shù)，胎壓與溫度也是一個重要因素，老化程度的影響也很大。

不同于拉伸試驗的線性關(guān)系，因為回彈性的復(fù)雜，回彈性標(biāo)準(zhǔn)試樣的測定，并不能決定成品的回彈性。

擺錘式回彈儀只能測量標(biāo)準(zhǔn)試樣，卻對橡膠零件的性能無法做出準(zhǔn)確的反應(yīng)，這就使得GB-1681擺錘式回彈儀的測試在很多行業(yè)顯得多余。

標(biāo)準(zhǔn)試樣的回彈性測試已經(jīng)很困難了，成品的測試豈不是更困難？

然而，雖然困難，卻又不得不做，只因為回彈性是一項很重要的參數(shù)，對性能研究非常重要，所以便攜式回彈儀的應(yīng)用勢在必行。

便攜式回彈性儀器的數(shù)據(jù)是否正確，一般需要驗證以下三個內(nèi)容：

1、驗證性：一臺便攜式回彈儀與一臺擺錘式回彈儀，做同一種材料回彈性，數(shù)據(jù)是否一致？

2、重現(xiàn)性：單臺便攜式回彈儀，做一種材料的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性如何？

3、再現(xiàn)性：兩臺不同的便攜式回彈性，做一種材料數(shù)據(jù)對比如何？

從實驗數(shù)據(jù)看，一臺便攜式回彈儀，配備有兩種沖擊裝置，D型和G型，沖擊能量分別是11毫焦耳和90毫焦耳，測試數(shù)據(jù)是有一些差異的，大多數(shù)材料G型的數(shù)據(jù)稍高一些，但有一些阻尼材料的回彈性，D型的回彈值高一些。并不是呈現(xiàn)線性關(guān)系。

另外沖擊能量的高低不同，對回彈性還是有一定的影響。擺錘式回彈儀沖擊能量是500毫焦耳，與便攜式回彈儀沖擊能量相比差異很大，回彈值也是有一定差異的，相比之下，高能量的G型比低能量的D型，G型的數(shù)據(jù)更接近擺錘式回彈儀。

便攜式回彈儀之所以不采用500毫焦耳的沖擊裝置，是因為達(dá)到這個能量的沖擊裝置重量會太大，失去了便攜性，且成本太高；另外對一些試樣的破壞性會比較大，例如一些比較薄和脆弱的材料，如橡膠膜，密封圈，太陽能板等，G型沖擊裝置都會造成一些破壞，只能用能量較低的D型裝置，更大的沖擊能量更不能用。

便攜式回彈儀做標(biāo)準(zhǔn)試片時，底座最好是堅固的金屬底座。金屬表面要平整，試片最好是用雙面膠貼合在金屬表面上。

約束壓力不要太大，特別是D型沖擊裝置，在做比較軟的，回彈性比較高的膠料時，約束力的大小對結(jié)果有明顯的影響，需要更小的約束力，僅僅需要回彈裝置的自重即可。

大部分的測試，便攜式回彈性與擺錘式回彈性的數(shù)值對比還是比較好的，差異主要來自高回彈型（大于75%以上）和部分低回彈性阻尼（小于10%）。從測量原理看，越是大回彈性的數(shù)據(jù)，在75%-100%范圍，分布間隔很密集，回彈高度的稍稍變化影響就會很大。而比較小的回彈性測試，其誤差來源于沖擊能量對材料的破壞性，擺錘式?jīng)_擊能量大，破壞性強，沖擊能量損耗在破壞中越多，所以回彈性越小。

以水晶玻璃塊為例，用D型沖擊裝置測試，回彈性98-99%，接近100%，而G型沖擊裝置只有75-78%，而且測試的玻璃表面出現(xiàn)裂紋等損傷。回彈性試驗在不造成破壞的情況下，比較接近線性，沖擊能量影響不大；一旦有試樣破壞情況發(fā)生，線性就會打破，回彈性有很大變化。

從實驗的重復(fù)性看，便攜式回彈性的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性比較好，需要注意的是約束壓力要穩(wěn)定，沖擊瞬間筆桿不傾斜，只要保證這兩項，基本就可以獲得穩(wěn)定的數(shù)值。