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

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，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，很適合網紅舉重拍照。

這家工廠生產的啞鈴片產量很大，且據老板說，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倍，因為價廉物美，所以產品暢銷歐美，現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三個等級的產品，A比B貴20%，B比C貴20%，讓我們猜猜ABC。

我們仔細端詳研究，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，顯然這是商業秘密，不方便為外人道爾。

幸運的是，筆者當天正帶著一個便攜式回彈儀，于是便用拿出回彈儀，在樣品上當著大家的面，測量了一下啞鈴片的回彈性。結果發現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量等級。

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

不過由于擺錘式回彈儀的結構簡單，在測試過程中干擾比較少，單臺儀器的數據穩定性較好。因此可以用擺錘式做基準測量，標定橡膠試樣，然后拿橡膠試樣校準便攜式回彈儀，就可以統一標準。如同用天平校準砝碼，再拿校準砝碼校準臺秤一樣，進行標準數值的傳遞。

但是實際使用中發現，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據，卻有比較大的差異。

我們使用了三種膠料在幾種儀器上進行了測試，結果誤差很大：

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到了12%，這是一個相當高的差異。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象，看起來回彈儀結構簡單，數據應該比較相近才對，其實回彈性的結果受到很多看起來不起眼的細小因素的干擾，疊加起來，在不同的儀器之間所產生的誤差很大。

直到現在，橡膠回彈性的測試數值，一直不能達成共識，沒有一套橡膠邵爾硬度一樣的，*的標準膠，缺乏確定的校準數值，使得各家儀器之間缺乏對比性。所以統一各種差異性，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構樣式

1. 指針式擺錘回彈性：左為中國臺灣某廠家的儀器，右為國產某廠家的儀器，近些年中國臺灣產的擺錘式回彈儀已經基本見不到指針式的，國產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. 數顯式回彈儀：左為中國臺灣某廠家產品，右為國產某廠家產品。

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，是以2號膠料60%為基準，然后做其他實驗得到的結果。

指針式和數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：

國產指針式或數顯式用的彈簧壓板的加力方式，而中國臺灣產回彈儀用了氣壓式加力方式。從壓力大小講，GB-1681規定試片的壓緊力是200±20N，國產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，可以達到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%。這是一個相當大的影響因素。

其實GB-1681的本質意思是希望壓緊約束力能達到這樣一種效果：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，彈簧壓力下變形達到了1毫米，氣壓下變形硬是達到了更大的3毫米！可以想象，試片已經被壓成了扁形鼓狀，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標準還提出個一個方法，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。筆者試驗發現，在國產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節的摩擦力來控制的，太緊則摩擦力太大，導致數值偏小；太松則摩擦力偏小，指針不易停止，導致數據偏大，試驗調整發現，指針彈簧松緊引起的偏差有1-2%。

數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，具體要看如何調整修正，而各個數顯式回彈儀卻都沒有提供一個校準方案，到底數據準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值，可以事后測量角度確定。

數顯式應該留一個角度校準塊的安裝位置，可以加一個角度固定器，例如回彈的擺桿撞擊到60°固定器，則應該讀數也是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：

擺錘的結構應該是對稱的，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，導致結果也差這個角度。中國臺灣的儀器擺錘就不豎直，有1-2度的誤差，造成的結果肯定有差異。這是因為撞擊錘的結構重量不對稱，撞擊錘一側的重量大一些，左重右輕，導致擺桿自由下垂停止時向右傾斜，垂直零度數值其實是1-2°，測試結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，所以沖頭應該比較偏上一些，實際上，國產儀器雖然意識到問題，沖頭偏上一些，但尺度遠遠不夠。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，遠超過標準要求，其實際沖擊能量也比標準大得多。

由于擺桿質量太大太重，撞擊受力不均衡，導致撞擊瞬間軸承受力比較大（可能瞬間超過數百牛，遠超軸承的理論徑向受力極限），軸承阻力瞬間變大，所以導致回彈性的數值偏低。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，數值逐漸下降，更換軸承后，數據又上升，使得新老機器之間，出現明顯的測試偏差。

所以擺錘式回彈儀的擺臂，建議應該用空心鋁合金管制作，盡量減輕擺桿的質量。或者在擺桿軸心另一側加延長桿，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，才能保證數據的穩定。

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要求底座的重量應該超過沖頭質量的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，實際上國產指針式的儀器底座重量一般在20公斤左右，遠遠達不到要求。中國臺灣的數顯式回彈儀，看起來重量比較重，其實也不能達到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志與試片相同直徑，把試片放置標志中，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。當然氣動方式比較好一些，彈簧壓緊不容易操作。

總結：擺臂式回彈儀想做到真正的穩定可靠，相當困難。

即使回彈儀的設計很理想了，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，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系，因為回彈性的復雜，回彈性標準試樣的測定，并不能決定成品的回彈性。

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

標準試樣的回彈性測試已經很困難了，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，對性能研究非常重要，所以便攜式回彈儀的應用勢在必行。

便攜式回彈性儀器的數據是否正確，一般需要驗證以下三個內容：

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，數據是否一致？

2、重現性：單臺便攜式回彈儀，做一種材料的數據穩定性如何？

3、再現性：兩臺不同的便攜式回彈性，做一種材料數據對比如何？

從實驗數據看，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，測試數據是有一些差異的，大多數材料G型的數據稍高一些，但有一些阻尼材料的回彈性，D型的回彈值高一些。并不是呈現線性關系。

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型的數據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。

便攜式回彈儀做標準試片時，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，越是大回彈性的數據，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，擺錘式沖擊能量大，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生，線性就會打破，回彈性有很大變化。

從實驗的重復性看，便攜式回彈性的數據穩定性比較好，需要注意的是約束壓力要穩定，沖擊瞬間筆桿不傾斜，只要保證這兩項，基本就可以獲得穩定的數值。