弹性材料的动态测试

2013-09-13 09:47:19来源: 21ic 关键字:弹性材料  动态测试  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。
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关键字:弹性材料  动态测试  测试仪器

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0913/article_7826.html
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