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弹性材料的动态测试
作者:Kirk Biegler, Ric Carreras    来源:PT现代塑料
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地质仪器, 煤质/石油分析, 塑胶测试, 振动噪音测试仪器, ...
现代弹性体的动态材料性能数据比以前任何时候更为重要。弹性组份在所有产品,从汽车、计算机到高尔夫球中都起着关键作用。预测产品有效期内的防震性和负荷性能非常重要。为了保证获得准确的模型,必须收集各种工作条件下的动态材料性能数据,包括动态负荷条件、温度史和疲劳史,尤其在投资是采用非线性有限单元分析工具进行新产品开发时更是这样,因为材料性质不准确会导致不准确的性能预测。

液压伺服测试系统一直被用于测试弹性组分,其高负载能力和较长的行程非常适用于测量各组分的行为,但这种技术用于表征基础材料时也有缺点。传统的DMA/DMTA测试系统是第二选择,但它们缺乏表征非线性弹性体,如充气轮胎用途和隔振设备所需的负荷和行程范围。

一种新型电磁技术对于许多弹性材料的动态表征看来都是完美的选择,它使用一个活动磁铁而不是活动线圈。不管需要完成的是动态机械分析、应力松驰、蠕变、超弹性、高周疲劳还是龟裂增长试验,此新技术的性能范围都可保证模型能预测真实世界的行为。

以往的观点

正如上面提到的那样,现有两种技术用于弹性材料的动态试验。每种技术都有其各自的优点和缺点,因此有着各自适合的细分市场领域。包括:

◆ 液压技术,其高压油(200-350bar)提供能量推动活塞;
◆ 电磁技术,通常称为语音线圈,它的固定磁铁和活动线圈(电磁)相互作用产生运动。

液压系统,类似MTS系统和Instron,可提供很宽的频率范围(静态到1000赫兹)和较高的负荷(10000牛顿或更高)。这些能力结合在一起使得这项技术成为动态测试的常规选择。

不过,液压系统非常昂贵,而且它有许多活动部件和密封件,维护费用高。另外,其能源成本也很高,因为泵必须连续运转,而且油被看作有害废料,一旦污染就必须更换。由于传动装置和/或伺服阀的密封件摩擦,分辨率和保真度可能受到限制,而且传动装置的活动质量非常高。在多轴应用时由于摩擦,传动装置的侧向负荷还会引起波形扭曲或密封件磨损。

与Rheometric Scientific、TA Instruments、ThermoHaake和Mettler Toledo公司电磁系统类似的系统可以创造从静态到高频(某些超过400赫兹)的高保真运动。它们已被广泛用于各种测试条件下聚合物玻璃化转变温度的测量、模拟固化过程和聚合物的动态性能表征。

这些系统非常节能:不过大多使用空气轴承,会需要一个气压源。负荷范围宽(从毫微牛顿到几百牛顿),但是大多数用于材料测试的系统都限制在40牛顿或更低的最大负荷。行程范围通常也受到限制(6mm或更小)。虽然用于保持电磁系统校准(机械、空气轴承或隔膜)的系统通常需要维护,以保证最佳性能,但维护成本通常很低,这也使得活动线圈具有有限的疲劳寿命。线圈组合件的活动质量相当高,这限制了其动态性能。

为什么要采用活动电磁马达

Bose公司在电磁、材料科学和运动控制方面具有技术优势,它使用活动线圈马达设计(例如声转换器...)最终开发出了高性能的线性传动装置。最近,Bose公司又推出了一种完全不同类型的线性传动装置,被称为活动电磁马达,它在动态材料性能测试时的能力要高得多,而且没有了传统材料测试技术的一些缺陷。

线性马达设计有着以下材料测试优势:

◆ 负荷范围(从毫微牛顿到最高可达6000牛顿)和行程范围(毫微米到25毫米)覆盖了材料测试需要的大部分区域;
◆ 很高的马达输出力,加上低磁铁质量,意味着加速度最高可达1500米/平方秒,频率超过400赫兹,速度高于3米/秒;
◆ 优异的动态性能,加上无摩擦阻力的挠性悬挂系统,提供优异的保真度和准确性;
◆ 线性马达高度节能,因为电能是与所需负荷成正比(无需气压源或油压源,而且没有机械摩擦损失);
◆ 没有密封件或轴承的摩擦磨损,没有活动部件和浮动磁头,线性马达已证实具有特别优异的耐用性,运转150亿周期以上未出现故障或进行维修。无需维护、更换油或滤清器。

活动电磁马达是如何工作的?

图1是活动电磁马达的一个简单图示。活动电磁马达的磁性部分由三个基本元素组成:磁铁、线圈和磁心。磁铁左右移动,而线圈和磁心保持静止。

为了满足测试市场的需要,Bose公司在活动磁铁马达上使用了最新技术的含钕铁硼(NdFeB)磁铁。描述此功能的一个简单方法就是把磁心和线圈组合看作一个随电流产生北极和南极的电磁。施加电流时,磁铁的适当极相互吸引或排斥,产生力。电流越强,产生的力就越大。

磁铁是如何悬挂在间隙中?

为了使马达性能保持最佳,磁铁和磁心之间的间隙和磁铁厚度比必须非常小。机械悬挂可实现许多重要功能。首先,悬挂允许磁铁沿着所需的轴向路径移动,且阻力最小。第二,悬挂使得磁铁不会与磁心表面发生碰撞。和磁心接触会产生不希望有的摩擦和马达的非线性行为。

为了满足这些要求,Bose公司创造了低质量的挠性悬挂系统,无摩擦、无限寿命,横向刚性高、而轴向刚性低。悬挂采用特殊的不锈钢合金制成,具有优异的疲劳性能,已证实在超过150亿周期时仍然有效。

挠性设计带来的一个额外好处是挠曲在主轴的横向和扭矩方向可抵抗负荷,从而可以经济地完成样品的多轴测试,不会损害线性马达、密封件和轴承的摩擦效果。

把线性马达并入测试仪器

EnduraTEC Systems公司和Bose公司组成了技术联盟,将Bose公司的活动电磁线性马达技术与EnduraTEC的材料测试系统相结合,以充分利用线性马达优异的性能范围。联合的结果是ElectroForce(ELF)系列测试仪。测试仪包括台式,负载能力最高可达4500牛顿(试验台,ELF3200和3300)和立式,(ELF3400)负载能力最高可达6000牛顿。他们全部由标准电源插座提供动力,不需要其他额外的基础设施。其结构紧凑,节约空间,空气冷却,符合无尘室的要求,运行时噪音低,多种线性和扭矩马达可同时安装在同一台仪器上,用于多轴应用程序。

利用传统的电磁技术,负荷和行程范围作为频率的函数也会受到限制。伺服液压系统允许较高的负荷和行程,但运转和维护成本高,而且密封件摩擦和活动质量还会限制了其较小的振幅激励。而由活动电磁线性马达驱动的测试系统提供了开发者比其他测试系统更宽的正弦激励,且范围正好叠加了弹性材料动态测试的需要。

ELF3230的正弦性能是行程和频率的函数,这表明在远远超过50赫兹时,即使显著施加负载,仍可达到12.5毫米的全动态行程。线性马达的精确性允许测试在低至0.00001赫兹(约为一天一转)的频率下进行。Bose线性马达的性能已在实际情况下通过测试数据获得证实,包括夹具质量和样品刚性。

动态机械分析

动态机械分析(DMA),有时也被称作动态机械热分析(DMTA),是用于分析和表征材料通常是聚合物性能的技术。将一个正弦激励应用于材料样品,可测量负荷的动态振幅、相位和行程,然后将材料的动态性能表示为频率、温度、应变振幅、平均含量和预处理的函数。

ELF测试系统可以测量动态性能,如一种情况下以频率对加速参数作图。这个测试设计用于再造扭矩DMA系统的常规能力,一个例子就是在线性剪切、5%动态应变下测试四种不同分支程度的未固化橡胶化合物,温度控制在120℃。

非线性材料模拟数据

大多数有限元素材料模型要求在不同情况下测量材料的负荷和偏转行为。传统技术集中于线性(小应变)范围的粘弹性测量,而新型马达设计用于测量更真实(大应变)情况下弹性材料的周期和时间依赖性能。马达可以测试的应变水平超过100%,频率从每天一转到每秒400转,以模拟模型化特定组份的关键情况。其大范围的动态性能允许所有的所需测试可在同一系统中完成。

一个常规的拉伸夹具构造可以最佳化来进行动态测试。样品可以测试简单的拉力、压力、剪切力和纯剪切(平面拉力),单轴或多轴负荷结构中三或四点弯曲构造,以测量弹性材料的所有关键反应。

应力松驰/蠕变

线性马达测试技术的低活动质量和高加速能力提供了最好的条件去测量材料的蠕变和应力松驰性能。测试可以以毫秒计,并非常准确。例如,10微秒内样品行程15毫米。相比而言,以前使用的伺服液压系统获得的最快时间是35微秒。

疲劳和断裂力学分析

线性马达提供了很宽的动态性能范围和耐用性,使其非常适合研究材料的疲劳和断裂性能。Bose线性马达较高的频率使材料迅速龟裂增长,或在短时间内进行几百万周期有疲劳运转。线性马达先进的挠性设计意味着损害是施加于样品,而不是标准测试系统的密封件或轴承,降低了维护成本,提高了每个系统的产品测试时间。

高保真度保证测试条件是准确而且可重复的,因此使测试中数据的散射最小化。测试可以覆盖决定材料疲劳限制或断裂韧性所需的所有情况。

结论

尽管表征弹性体动态性能的测试可以结合传统的伺服液压系统和电磁技术完成,现代经济情况推动各公司去找到新的方法以降低成本 — 包括操作成本和资金成本。由于活动电磁线性马达优异的性能,研究者可以用一个测试系统完成所有的测试需要。建立一个新实验室所需的资金也降低到一半或三分之一。如果再考虑到操作上的优势,如减少维护和能量成本,降低实验室噪音,降低由于油和冷却水处理带来的环保费用,是非常值得以这种新型线性马达技术来取代现有设备。

现在一个测试系统就可以提供所有的所需材料性能,增加了先进非线性有限元素分析的材料模型。系统特别适用于完成动态机械分析、应力松驰、蠕变、超弹性测试、高周疲劳和龟裂增长测试。同样的系统还能用于测量轮胎帘布、尼龙纤维、固化/未固化橡胶化合物的动态性质。静止线圈和活动磁铁的专利优势,加上无摩擦阻力挠性悬挂系统,实现了语音线圈和液压测试系统所无可比拟的性能。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (11/17/2004)
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