CN108195702B - 一种纤维耐磨性测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维耐磨性测试装置及方法，装置包括张力施加机构、纱架、张力测试机构、摩擦辊、展纱机构、毛丝收集机构、纤维卷绕机构，本装置可有效控制纤维牵伸张力和速率，且具有较大调节范围，提高了测试的稳定性和适用性；通过可调节夹持力的毛丝收集机构，实现了毛丝的快速高效收集，得到的耐磨性数据为毛丝质量，精确可靠；测试效率高、操作简单，成本低，通过设定牵伸长度可获得不同长度纤维试样的耐磨性数据；通过调节摩擦辊的数量和相对位置，可以适用于不同纤维的不同应用情况。
Description
技术领域
本发明属于纤维复合材料技术领域，具体涉及一种纤维耐磨性测试装置及方法。
背景技术
纤维复合材料因具有较好的力学强度与稳定性、可长期贮存等优点，近年来得到了迅速发展，尤其在航空航天、医疗、电子、机械等领域得到了越来越广泛的应用。其中，纤维的耐磨性对于纤维的应用有着相当重要的意义，它的准确表征有助于复合材料制品在设计过程中获得更准确的设计参数，得到性能优异的产品。目前针对纤维耐磨性，并没有普遍适用且简单有效的测试装置。中国专利CN 105445131 A中公开了一种纤维丝束耐磨性能的测试方法及装置，该方法通过使纤维丝束通过夹角为60度的镀铬不锈钢细棒，在细棒前后都设置CCD相机测量毛丝量的变化值。纤维在该装置中通过镀铬不锈钢棒摩擦，比较贴近纤维应用的实际情况，但仍存在几点问题：(1)该装置在牵引纤维时无法实现张力测量与控制；(2)该装置牵引纤维的速度慢，仅为0.1～10转/分钟，导致测得毛丝量与实际应用时不符；(3)该装置的展纱辊不能充分展纱，使得CCD相机只能观察到纤维束外表面的毛丝，无法检测到纤维束中的毛丝，且当纤维牵引速度较快时，CCD相机不能清晰观察到毛丝，从而导致测得的毛丝量不准确；(4)该装置测试得到的耐磨性数据为毛丝个数，有很大局限性，且肉眼清点个数的过程效率低下、易出错，同时该装置测量的纤维长度仅为2m，可靠性较低；(5)该装置采用多个CCD相机，成本高、维护要求高。因此，急需开发一种适用范围广、毛丝量准确、操作简单、成本低的纤维耐磨性测试方法及装置，为纤维的性能测试提供更准确的数据。
发明内容
本发明为解决纤维耐磨性测试装置的牵伸速度慢、张力波动大，高速相机成本高、测试效率低、毛丝量测试范围小，毛丝量数据不准确等问题，在纤维纱架上安装张力施加和控制机构，并在纤维卷绕机构前安装展纱机构和毛丝收集机构，最终测量毛丝收集机构处的毛丝重量，从而提供了一种纤维耐磨性测试装置及方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种纤维耐磨性测试装置，包括张力施加机构、纱架、张力测试机构、摩擦辊、展纱机构、毛丝收集机构、纤维卷绕机构，张力施加机构与纱架连接，在纱架与纤维卷绕机构之间依次设置有张力测试机构、摩擦辊、展纱机构和毛丝收集机构，所述张力施加机构、张力测试机构和纤维卷绕机构通过电路与控制终端连接，以使控制终端完成对张力施加机构、张力测试机构和纤维卷绕机构的数据监控与控制参数的设定。
在上述技术方案中，所述张力施加机构与纱架的转动轴连接通过驱动纱架转动对纤维施加张力。
在上述技术方案中，所述张力施加机构为磁粉制动器、伺服电机、力矩电机，或其组合，可为纤维提供在5N～200N之间任意稳定的牵引张力值，精度为0.1N。
在上述技术方案中，所述张力测试机构为张力传感器、扭矩传感器，或其组合，监测纤维在测试牵引过程中受到的牵引张力值，牵引张力值的范围为0N～200N，精度为0.1N。
在上述技术方案中，所述摩擦辊，能够转动或固定，数量为3～20，相对位置可调节，相邻摩擦辊之间所形成的夹角相同，且为60～120度之间任意值。
在上述技术方案中，所述毛丝收集机构，包括相互接触的2片海绵片，海绵片之间夹持纤维用以收集毛丝。
在上述技术方案中，在所述毛丝收集机构上设置有用于调节夹持力的施力机构，所述施力机构包括铁片、调节螺钉、螺栓和力矩扳手，铁片设置于海绵片上端面，通过调节螺钉的转动调节铁片的位置，对海绵片施予作用力。
在上述技术方案中，所述纤维卷绕机构，能够卷绕1m～500m之间任意长度的纤维，精度为0.1m，卷绕纤维的线速度可稳定在0～100m/min之间任意值，精度为0.1m/min。
在上述技术方案中，所述展纱机构为接触纤维一面具有凹陷弧面的纺锤体结构，纤维通过展纱机构使毛丝分散，使毛丝在毛丝收集机构内得到更充分的收集。
在上述技术方案中，所述控制终端能够设定张力施加机构、张力测试机构和纤维卷绕机构的控制参数，存储、调阅和拷贝测试过程参数。
在上述技术方案中，在所述纱架与张力测试机构之间设置纤维限位机构，纤维限位机构由相互平行的两根横杆组成，所述纤维限位机构能够限制纤维在水平方向上的左右摆动。
在上述技术方案中，在所述摩擦辊与展纱机构之间设置张力缓冲机构，所述张力缓冲机构能够控制纤维牵伸张力的波动。
一种纤维耐磨性测试方法：将待测试的纤维固定在纤维纱架上，通过纤维卷绕机构牵引，张力施加机构提供张力，张力测试机构测试并控制张力，纤维在摩擦辊上摩擦后依次通过展纱机构和由海绵片组成的毛丝收集机构，称量海绵片测试前后的重量变化可得毛丝重量。
上述方法的测试过程中，可通过在海绵片上方放置砝码的方式调节海绵片之间的夹持力，使夹持力稳定控制在0.1～10N之间任意值，精度为0.1N。
上述方法的测试过程中，可通过在海绵片上方设置施力机构的方式调节海绵片之间的夹持力，所述施力机构包括铁片、调节螺钉、螺栓和力矩扳手，铁片设置于海绵片上端面，通过调节螺钉的转动调节铁片的位置，对海绵片施予作用力，使夹持力稳定控制在0.1～10N之间任意值，精度为0.1N。
本发明的优点和有益效果为：
本发明提出的纤维耐磨性测试方法及装置，其中装置包括：纤维纱架、张力施加机构、摩擦辊、张力测试机构、展纱机构、毛丝收集机构、纤维卷绕机构。测试方法为：将纤维固定在纤维纱架上，通过纤维卷绕机构牵引，张力施加机构提供张力，张力测试机构测试并控制张力，纤维在摩擦辊上摩擦后通过毛丝收集机构收集毛丝，称量重量。本发明的装置与现有技术相比具有以下优点：1、有效控制纤维牵伸张力和速率，且具有较大调节范围，提高了测试的稳定性和适用性；2、通过可调节夹持力的毛丝收集机构，实现了毛丝的快速高效收集，得到的耐磨性数据为毛丝质量，精确可靠；3、测试效率高、操作简单，成本低，通过设定牵伸长度可获得不同长度纤维试样的耐磨性数据；通过调节摩擦辊的数量和相对位置，可以适用于不同纤维的不同应用情况。综上所述，本发明测试方法及装置操作简单、运行灵活、测试结果精确高效，能有效解决现有测试装置稳定性差和精度低、测试耗时、成本高、适用性低等问题。
附图说明
图1为实施例1的纤维耐磨性测试装置示意图；
图2为实施例2的纤维耐磨性测试装置示意图；
图3为实施例3的纤维耐磨性测试装置示意图。
其中，1为张力施加机构，2为纱架，3为纤维，4为张力测试机构，5为摩擦辊，6为展纱机构，7为毛丝收集机构，8为纤维卷绕机构，9为控制终端，10为纤维限位机构，11为张力控制机构。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
如图1所示，为纤维耐磨性测试装置结构示意图，所述的纤维耐磨性测试装置包括张力施加机构1，纱架2，纤维3，张力测试机构4，摩擦辊5，展纱机构6，毛丝收集机构7，纤维卷绕机构8。所述张力施加机构与纤维纱架内腔相配合，相互间不发生相对位移或转动。所述张力施加机构为磁粉制动器，能够施加5N～200N之间任意稳定的牵伸张力值，精度为0.1N。所述摩擦辊数量为3，在垂直于水平面的方向设置竖板作为摩擦辊的支撑架，在竖板上开相互之间成互成60°角的3个孔，将3根摩擦辊分别放置其中，使摩擦辊保持固定。所述毛丝收集机构通过海绵片夹持纤维，通过在海绵片上方放置砝码，将夹持力稳定控制在0.1～10N之间任意值，精度为0.1N。所述纤维卷绕机构，可卷绕1m～500m之间任意长度的纤维，精度为0.1m，卷绕纤维的线速度可稳定在0～100m/min之间任意值，精度为0.1m/min。
纤维为玻璃纤维；张力设置为100N；摩擦辊数量为10个，相互间形成夹角为60度；毛丝收集装置的夹持力大小为5N；牵引速率为100m/min；牵引长度为50m。牵引结束后，取出毛丝收集装置中的海绵片进行称重，得到其测试前后的重量变化值，精确到0.1mg，得到数据为耐磨性数据。
实施例2
如图2所示，为纤维耐磨性测试装置结构示意图，所述的纤维耐磨性测试装置包括张力施加机构1，纱架2，纤维3，张力测试机构4，摩擦辊5，展纱机构6，毛丝收集机构7，纤维卷绕机构8，控制终端9。所述张力施加机构与纤维纱架内腔相配合，相互间不发生相对位移或转动。所述张力施加机构为伺服电机，能够施加5N～200N之间任意稳定的牵伸张力值，精度为0.1N。所述摩擦辊数量为7，在垂直于水平面的方向设置竖板作为摩擦辊的支撑架，在竖板上开相互之间成互成90°角的7个孔，将7根摩擦辊分别放置其中，使摩擦辊在孔内自由转动。所述毛丝收集机构通过海绵片夹持纤维，通过在海绵片上方放置砝码，将夹持力稳定控制在0.1～10N之间任意值，精度为0.1N。所述纤维卷绕机构能够卷绕1m～500m之间任意长度的纤维，精度为0.1m，卷绕纤维的线速度可稳定在0～100m/min之间任意值，精度为0.1m/min，且在进行转动的同时能在垂直于纤维牵引的方向进行均匀位移，位移速度可调节。所述控制终端可记录包括张力设定值与实测值、纤维牵引速度和纤维运行总长度，且能够存储、查阅或拷贝上述参数。
纤维为芳纶纤维；张力设置为50N；摩擦辊数量为4个，相互间形成夹角为90度；毛丝收集装置的夹持力大小为0.5N；牵伸速率为1m/min；牵伸长度为100m。牵伸结束后，取出毛丝收集装置中的海绵片进行称重，得到其测试前后的重量变化值，精确到0.1mg，得到数据为耐磨性数据。
实施例3
如图3所示，为纤维耐磨性测试装置结构示意图，所述的纤维耐磨性测试装置包括纱架2，张力施加机构1，摩擦辊5，毛丝收集机构7，展纱机构6，张力测试机构4，纤维卷绕机构8，纤维限位机构10，张力控制机构11。所述张力施加机构与纤维纱架内腔相配合，相互间不发生相对位移或转动。所述张力施加机构为磁粉制动器与力矩电机的组合，能够施加5N～200N之间任意稳定的牵伸张力值，精度为0.1N。所述纤维限位机构包括能够转动的水平或竖直辊型结构或圆环形结构，可置于纤维纱架与张力测试机构之间或毛丝收集机构与张力测试机构之间。所述摩擦辊数量为10，在垂直于水平面的方向设置竖板作为摩擦辊的支撑架，在竖板上设置供摩擦辊沿垂直方向移动的滑槽，在滑槽边缘配有刻度，通过调节10根摩擦辊在滑槽内的位置，使摩擦辊相互之间成120°角，并保持固定。所述毛丝收集机构通过海绵片夹持纤维，在海绵片上方设置施力机构的方式调节海绵片之间的夹持力，所述施力机构包括铁片、调节螺钉、螺栓和力矩扳手，铁片设置于海绵片上端面，通过调节螺钉的转动调节铁片的位置，对海绵片施予的作用力，使夹持力稳定控制在0.1～10N之间任意值，精度为0.1N。所述张力缓冲机构包括滚轮，上述滚轮通过弹簧与测试装置面板相连接。所述纤维卷绕机构，可卷绕1m～500m之间任意长度的纤维，精度为0.1m，卷绕纤维的线速度可稳定在0～100m/min之间任意值，精度为0.1m/min。
纤维为碳纤维；张力设置为200N；摩擦辊数量为6个，相互间形成夹角为120度；毛丝收集装置的夹持力大小为1N；牵伸速率为50m/min；牵伸长度为200m。牵伸结束后，取出毛丝收集装置中的海绵片进行称重，得到其测试前后的重量变化值，精确到0.1mg，得到数据为耐磨性数据。
实施例4
纤维耐磨性测试装置结构与实施例1相同。纤维为石墨纤维；张力设置为5N；摩擦辊数量为3个，相互间形成夹角为60度；毛丝收集装置的夹持力大小为0.1N；牵伸速率为5m/min；牵伸长度为10m。牵伸结束后，取出毛丝收集装置中的海绵片进行称重，得到其测试前后的重量变化值，精确到0.1mg，得到数据为耐磨性数据。
实施例5
纤维耐磨性测试装置结构与实施例3相同。纤维为石英纤维与玻璃纤维的混杂纤维；张力设置为80N；摩擦辊数量为10个，相互间形成夹角为120度；毛丝收集装置的夹持力大小为10N；牵伸速率为30m/min；牵伸长度为30m。牵伸结束后，取出毛丝收集装置中的海绵片进行称重，得到其测试前后的重量变化值，精确到0.1mg，得到数据为耐磨性数据。
对比例1
纤维耐磨性测试装置无张力施加机构，纤维为玻璃纤维，其他机构和测试方法参数与实施例1相同。由于纤维受到的牵伸张力波动很大，从而使得该条件下每次的测试结果相差很大，稳定性差。
对比例2
纤维耐磨性测试装置的毛丝收集装置内未放置海绵片，纤维为石墨纤维，其他机构和测试方法参数与实施例4相同。由于毛丝收集装置对纤维磨损严重，从而使得纤维断裂，测试无法进行。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种纤维耐磨性测试装置，其特征在于：包括张力施加机构、纱架、张力测试机构、摩擦辊、展纱机构、毛丝收集机构、纤维卷绕机构，张力施加机构与纱架连接，在纱架与纤维卷绕机构之间依次设置有张力测试机构、摩擦辊、展纱机构和毛丝收集机构，所述张力施加机构、张力测试机构和纤维卷绕机构通过电路与控制终端连接，以使控制终端完成对张力施加机构、张力测试机构和纤维卷绕机构的数据监控与控制参数的设定；
在所述毛丝收集机构上设置有用于调节夹持力的施力机构，所述施力机构包括铁片、调节螺钉、螺栓和力矩扳手，铁片设置于海绵片上端面，通过调节螺钉的转动调节铁片的位置，对海绵片施予作用力；
在所述纱架与张力测试机构之间设置纤维限位机构，纤维限位机构由相互平行的两根横杆组成，所述纤维限位机构能够限制纤维在水平方向上的左右摆动；
在所述摩擦辊与展纱机构之间设置张力缓冲机构，所述张力缓冲机构能够控制纤维牵伸张力的波动；
所述毛丝收集机构，包括相互接触的2片海绵片，海绵片之间夹持纤维用以收集毛丝。
2.根据权利要求1所述的一种纤维耐磨性测试装置，其特征在于：所述张力施加机构与纱架的转动轴连接通过驱动纱架转动对纤维施加张力。
3.根据权利要求1所述的一种纤维耐磨性测试装置，其特征在于：所述张力施加机构为磁粉制动器、伺服电机、力矩电机，或其组合，可为纤维提供在5N～200N之间任意稳定的牵引张力值，精度为0 .1N。
4.根据权利要求1所述的一种纤维耐磨性测试装置，其特征在于：所述张力测试机构为张力传感器、扭矩传感器，或其组合，监测纤维在测试牵引过程中受到的牵引张力值，牵引张力值的范围为0N～200N，精度为0 .1N。
5.根据权利要求1所述的一种纤维耐磨性测试装置，其特征在于：所述摩擦辊，能够转动或固定，数量为3～20，相对位置可调节，相邻摩擦辊之间所形成的夹角相同，且为60～120度之间任意值。
6.根据权利要求1所述的一种纤维耐磨性测试装置，其特征在于：所述纤维卷绕机构，能够卷绕1m～500m之间任意长度的纤维，精度为0 .1m，卷绕纤维的线速度在0～100m/min之间，精度为0 .1m/min。
7.根据权利要求1所述的一种纤维耐磨性测试装置，其特征在于：所述展纱机构为接触纤维一面具有凹陷弧面的纺锤体结构。
8.根据权利要求1所述的一种纤维耐磨性测试装置，其特征在于：所述控制终端能够设定张力施加机构、张力测试机构和纤维卷绕机构的控制参数，存储、调阅和拷贝测试过程参数。
9.如权利要求1所述的纤维耐磨性测试装置的一种纤维耐磨性测试方法，其特征在于：将待测试的纤维固定在纤维纱架上，通过纤维卷绕机构牵引，张力施加机构提供张力，张力测试机构测试并控制张力，纤维在摩擦辊上摩擦后依次通过展纱机构和由海绵片组成的毛丝收集机构，称量海绵片测试前后的重量变化可得毛丝重量。
10.根据权利要求9所述的一种纤维耐磨性测试方法，其特征在于：可通过在海绵片上方放置砝码的方式调节海绵片之间的夹持力，使夹持力稳定控制在0 .1～10N之间任意值，精度为0 .1N。
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