CN108699933A - 用于确定粗纱的膨化的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于量化纤维材料的膨化程度的方法和系统，所述纤维材料例如是消声器填充材料。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年1月20日提交的美国临时申请No.62/280,796的优先权和任何权益，所述临时申请的全部内容通过引用并入本申请。
技术领域
本发明的总体构思涉及膨化纤维材料，更具体地涉及用于精确估算纤维材料的膨化程度的方法和系统。
背景技术
已知在消声器中使用膨化玻璃纤维来吸收声音。例如，美国专利No.4,569,471公开了一种利用膨化玻璃纤维填充消声器的方法和设备，所述专利的全部公开内容通过引用并入本申请。根据所述尾号471的专利，设备包括供给装置7，所述供给装置将多纤维纱线(例如，连续的玻璃纤维的粗纱2)推进到喷嘴9，压缩空气被吹到所述喷嘴中以便在吹散纤维并且纤维缠结的同时使得所述纱线移动从而形成连续的玻璃棉。将玻璃棉直接吹到消声器13中，而被吹入的空气则通过抽风机18排出。
此外，期望的是测量或以其他方式估算玻璃纤维的膨化程度，例如，期望测定材料的声学性能。确定膨化程度对于评估过程变量对材料性能的改变也是有用的。
传统上，工业上依靠测试(即“丰田测试”)来确定纤维材料的膨化程度。如图1所示，用于实施该测试的常规系统100涉及将一定量的膨化材料102放置在透明的管104中。然后，活塞106将盘108向下引导至膨化材料102上以便压缩所述膨化材料，其中压缩程度能够通过尺110或者与管104相联的其他标记来确定。管104内的膨化材料102的压缩程度越小，材料的膨化程度越大。以这种方式，该测试提供了代表着良好膨化和不良膨化的材料之间差异的一般结果。然而，该测试具有缺点，例如其依赖于执行测试的人员(例如，人员对结果进行目视测定)、材料放置在管中的方式以及活塞在没有推动或约束管中材料的情况下沿着所述管缓慢地向下移动的能力，这些方面都可能对结果的准确性产生负面影响。
发明内容
本文提出的是，提供一种更精确且更可靠的用于确定纤维材料的膨化程度的技术。纤维材料通常是膨化纤维，所述膨化纤维是通过利用压缩空气冲击粗纱以便将形成所述粗纱的单独的纤维彼此分开而形成的。所提出的技术基于测量气流阻抗，特别是测量在特定流量下跨纤维材料的压力降。该技术表明了从粗纱分离的纤维百分比例和这些纤维的缠结情况。
因此，本发明的总体构思涉及并且考虑了用于确定纤维材料的膨化的方法和系统。
根据示例性实施例，提供了一种量化纤维材料的膨化程度的方法。该方法包括：在隔室中提供一定量的纤维材料；以预定的流量将空气引入到所述隔室中；测量在该流量下跨纤维材料的压力降；使用该压力降来计算纤维材料的有效纤维直径；和使用有效纤维直径来确定纤维材料的膨化程度。
在一些示例性实施例中，膨化程度表示为纤维材料的实际纤维直径与纤维材料的有效纤维直径的比率。在一些示例性实施例中，膨化程度表示为通过所述比率乘以100计算得出的百分率。
在一些示例性实施例中，实际纤维直径处于8μm至40μm的范围内。
在一些示例性实施例中，隔室是产品消声器。在一些示例性实施例中，隔室是参考消声器。
在一些示例性实施例中，纤维材料是膨化玻璃纤维。在一些示例性实施例中，通过膨化喷嘴供给玻璃纤维粗纱来形成膨化玻璃纤维。
在一些示例性实施例中，所述方法还包括通过膨化喷嘴供给玻璃纤维粗纱以便在消声器的腔内形成纤维材料；将所述纤维材料中的至少一部分纤维材料从所述腔重新定位到所述隔室。
在一些示例性实施例中，隔室中的一定量的纤维材料具有处于80g/L至200g/L范围内的填充密度。
根据示例性实施例，提供了一种用于量化纤维材料的膨化程度的系统。该系统包括：第一装置，所述第一装置用于保持一定量的纤维材料；第二装置，所述第二装置用于以预定的流量抽吸空气通过纤维材料；第三装置，所述第三装置用于测量该流量下跨纤维材料的压力降；第四装置，所述第四装置用于使用所述压力降来计算纤维材料的有效纤维直径；和第五装置，所述第五装置用于使用所述有效纤维直径来确定纤维材料的膨化程度。
在一些示例性实施例中，第一装置是产品消声器。在一些示例性实施例中，产品消声器被修改为与系统相连接。在一些示例性实施例中，适配器允许产品消声器与系统相连接。在一些示例性实施例中，第一装置是参考消声器。
在一些示例性实施例中，第二装置包括真空泵、流量阀和流量计。
在一些示例性实施例中，第三装置包括压力计。
在一些示例性实施例中，第四装置是通用计算机，所述通用计算机被编程以求解等式：
在一些示例性实施例中，第五装置是通用计算机，所述通用计算机被编程以求解等式：
在一些示例性实施例中，通用计算机包括显示器，其中膨化程度显示在显示器上。
在一些示例性实施例中，纤维材料是膨化玻璃纤维。在一些示例性实施例中，通过膨化喷嘴供给玻璃纤维粗纱来形成膨化玻璃纤维。
从以下对示例性实施例的详细描述、权利要求以及随本文提交的附图，本发明总体构思的许多其他方面、优点和/或特征将变得更加显而易见。
附图说明
参照附图，通过示例的方式，下面将更详细地描述本发明的总体构思以及其实施例和优点，在所述附图中：
图1是用于确定纤维材料的膨化程度的常规设备的简图；
图2是根据示例性实施例的确定纤维材料的膨化程度的方法的流程图。
图3是根据示例性实施例的用于确定纤维材料的膨化程度的设备的简图。
具体实施方式
虽然允许以多种不同的形式的实施例来实施本发明的总体构思(所述实施例在附图中示出并且将在本文中详细描述)，但本发明的特定实施例应被这样理解：本公开将被视为本发明的总体构思的原理的示例。因此，本发明的总体构思不旨在限于本文所示的特定实施例。
本发明的总体构思包括用于确定纤维材料(例如膨化纤维)的膨化程度的方法和系统。如本领域中已知的那样，可以通过利用压缩空气冲击粗纱以便将形成所述粗纱的单独的纤维彼此分离来形成膨化纤维。如本文所用的那样，单词/短语“膨化纤维”定义为一股或多股线(例如，来自粗纱)，其中形成股线的纤维例如通过压缩空气而被分离成单独的纤维以便给予纤维“蓬松竖起”的外观或像羊毛一样的外观。所述纤维可以通过任何合适的方法而被“膨化”，例如通过机械处理纤维。
在一些示例性实施例中，纤维是玻璃纤维。在一些示例性实施例中，构成粗纱的纤维中的每根纤维都具有大致相同的直径。在一些示例性实施例中，构成粗纱的纤维的直径处于8μm至40μm的范围内。在玻璃纤维的情况下，纤维的直径通常至少部分地与衬套上的孔的尺寸(例如，直径)相关(纤维通过所述衬套上的孔而形成)。在一些示例性实施例中，衬套上的孔的直径处于8μm至40μm的范围内。
用于确定膨化纤维的膨化程度的方法和系统涉及测量气流阻抗，特别是测量在特定流量下跨膨化纤维的压力降。以这种方式，可以探明从粗纱分离的纤维的百分比例和那些纤维的缠结情况。
为了更好地说明本发明的总体构思的各个方面，而非为了限制本发明的总体构思的各个方面，现在将描述确定在消声器(消音器)中使用的膨化玻璃纤维的膨化程度的方法。
玻璃纤维粗纱由缠绕在落卷(筒管)上的连续纤维(纤丝)制成。通常的落纱包含长达4公里的连续纤维。这些纤维在制造过程期间被收集，并且涂覆有粘合剂，然后将所述纤维集合在一起以便形成玻璃纤维粗纱。例如，由俄亥俄州Toledo的Owens Corning公司以商标名称出售的膨化纤维是通过将玻璃纤维粗纱膨化而形成的，所述膨化纤维适用于大多数消声器应用。膨化纤维用于填充消声器中的腔。可以以任何合适的方式将膨化纤维引入到消声器中。例如，可以将膨化纤维直接注入消声器隔室、袋、盒中，或者替代地可以将膨化纤维注入到模具中以便产生预成型的半刚性部件，然后可以将所述半刚性部件插入到消声器中。一旦被装填到消声器的腔中(例如以处于120至150克每升(g/L)范围内的密度进行装填)，膨化纤维便可以作为降噪材料而良好地表现。
如本文所述，膨化是将粗纱分离成构成粗纱的单独的纤维。更大的膨化表示粗纱线更大程度地分离成单独的纤维。膨化良好的粗纱在消声器中作为吸收体表现良好，同时不会存在随着时间而从材料中被吹出的可能。膨化不良的材料表现出纤维在一起“绳拧(roping)”或“聚丛(clumping)”，这降低了材料吸收声音的能力。
多孔材料，特别是纤维材料提供对冲击材料的音波进行吸收。这种吸收的作用是将波能转换成热能。因为声波中包含的能量非常小，所以产生的热量也非常小。
材料中存在两种吸收声音的基本机制：粘性流动损失和内部摩擦损失。当在声波传播期间，与声波相关的粒子速度引起介质(空气)与周围材料(吸收体)之间的相对运动时，发生粘性流动损失。当纤维结构或多孔结构由于声波传播而挠曲时，发生内部摩擦损失。大多数玻璃纤维吸收体被认为是刚性框架吸收体，因此没有相关的内部摩擦损失。结果，在结构内发生边界层损失，这类似于飞行器的空气动力学表面上的寄生阻力。等式(1)示出了用于确定气流阻抗的公式：
其中气流阻抗R1(mks单位为瑞利/米)是对声学材料内与材料的粘性流动损失量相关的阻抗的测量。材料能够获得的最大吸声量是所述材料的特征密度ρ(kg/m3)、有效(或平均)纤维直径(deffective)和烧失量(LOI)的函数。当以微米测量纤维直径时，数值K是常数，其数值为3,180。LOI是材料经受高温后的重量损失与样品的原始重量的重量之比率再加上1。对于许多膨化玻璃纤维而言，该比率通常非常小，可以假设LOI值为1。
如果针对有效纤维直径求解等式(1)的公式，则得到以下的等式(2)。
实际纤维直径(dfilament)与有效纤维直径的比率提供了膨化的百分比例，所述膨化的百分比例表示从粗纱有效分离的纤维的平均结果部分。然后，将所述比率乘以100得到膨化的百分率，如通过以下等式(3)获得的那样。
将该公式应用于特定消声器(例如，参考消声器)的气流阻抗测试会产生可重复且准确的数值，所述数值表示膨化纤维的膨化程度。此外，该数值可以用于确认各种工艺参数的改变的影响，例如喷嘴设计、空气气压设定、化学施胶和纤丝直径对膨化纤维的性能的影响。
现在将参照图2描述根据一个示例性实施例的确定在消声器中使用的玻璃纤维粗纱的膨化的方法200。首先，在步骤202中提供一定量的待估算的膨化纤维。在一些示例性实施例中，提供的膨化纤维的量处于80g/L至200g/L(填充密度)的范围内。可以以任何合适的方式提供膨化纤维。例如，可以将膨化纤维从第一位置手动地移动到测试台的样品保持器。所述第一位置可以是测试消声器(例如，参考消声器)、实际产品消声器或纤维材料的一些其他的储存器或包装(例如，袋)。替代地，可以制备膨化纤维并将其直接填充到测试台的样品保持器中或者填充到适于在测试系统中使用的参考消声器或产品消声器。以这种方式，具有已知密度ρ(kg/m3)的一定量的膨化纤维被定位在测试台的测试隔室、腔等内以便被估算。
接下来，在步骤204中，以预定的流量将空气的源引入到测试隔室中。当空气流过测试隔室中的膨化纤维时，在步骤206中测量压力降。该压力降表示膨化纤维的气流阻抗(R1)。在已知膨化纤维的密度并且确定膨化纤维的气流阻抗的情况下，使用等式(2)在步骤208中计算有效纤维直径(deffective)。最后，基于有效纤维直径(deffective)，使用等式(3)在步骤210中计算膨化纤维的膨化程度。
因此，方法200提供了对纤维材料的膨化的可靠、可重复和准确(例如，在+/﹣7％之内)的测量。
现在将参照图3描述根据一个示例性实施例的用于确定在消声器中使用的玻璃纤维粗纱的膨化的系统300。系统300包括各种部件，其包括真空泵310、流量调节器320(例如，包括流量阀和流量计)、过滤器330、真空罐340和压力计350。所述部件中的一些部件或全部部件可以至少部分地位于整体式壳体(未示出)中，所述整体式壳体包括多个壁360。该壳体用于保护部件，并且在一些实施例中，所述壳体可以允许系统容易地从一个位置移动到另一个位置。
真空罐340包括用于样品保持器的支撑件342。在一些示例性实施例中，样品保持器是参考消声器344。与产品消声器不同，参考消声器344被创建用于系统300而不是用于实际安装在车辆上。参考消声器344是具有预定尺寸的消声器状主体。参考消声器344设计成保持一定量的纤维材料346并且与真空罐340相连接(例如，经由支撑件342)。在一些示例性实施例中，参考消声器344能够容纳填充密度处于80g/L至200g/L的范围内的纤维材料346。在一些示例性实施例中，纤维材料346是通过使玻璃纤维粗纱膨化来形成的膨化玻璃纤维。参考消声器344的至少一部分(例如，上部分348)通向大气(即，暴露于环境压力)。
真空泵310、流量调节器320、过滤器330、真空罐340和压力计350经由管道370、管等而彼此连接。例如，真空泵310通过3/8英寸的管道连接到流量调节器320。流量调节器320通过3/8英寸的管道连接到过滤器330。过滤器330通过3/8英寸的管道连接到真空罐340。真空罐340通过1/4英寸的管道连接到压力计350。此外，压力计350通过在压力计350和壳体的壁360中开口372之间延伸的1/4英寸的管道连接到大气(即，暴露于环境压力)。管道370允许空气在部件之间流动。
真空泵310与流量调节器320一起用于产生通过系统300的受控气流。过滤器330确保流动通过系统300的空气的品质/完整性。过滤器330可以是适于从流动通过系统300的空气中去除不期望的颗粒和污染物的任何类型的空气过滤器(不管是目前已知的空气过滤器类型还是未来的空气过滤器类型)。
当空气流以特定的流量被抽吸通过纤维材料346时，参考消声器344中的纤维材料346引起真空罐340中的压力降(ΔP)。压力计350(例如，数字压力传感器)针对该给定的流量测量该压力降(ΔP)，所述压力降表示纤维材料346的气流阻抗R1。使用所确定的气流阻抗数值R1以及针对纤维材料346的密度的数值ρ，可以求解方程(2)以便确定纤维材料346的有效纤维直径(deffective)，如上所述。系统300可以包括用于执行这些计算的专用的处理逻辑部分(例如，硬件和/或软件)。在一些示例性实施例中，专用的处理逻辑部分可以是被编程以便执行该计算的通用计算机。替代地，系统300可以显示或以其他方式提供关于压力降(ΔP)的信息，用户然后可以将所述信息输入到另外的系统中，例如被编程以便执行该计算的通用计算机。
此后，系统300可以确定已知的实际纤维直径(dfilament)与计算出的有效纤维直径(deffective)的比率，所述比率提供膨化的百分比例，所述膨化的百分比例表示从粗纱有效分离的纤维的平均结果部分。根据如上所述的等式(3)，系统300将该比率乘以100以便确定纤维材料346的膨化百分率。在一些示例性实施例中，系统300存储该信息(以及可能的中间计算)以用于以后的数据恢复/使用。
因此，系统300提供对纤维材料的膨化的可靠、可重复和准确(例如，在+/﹣7％之内)的测量。例如，所述测量可以用于测定纤维材料的声学性能、研究过程变量对材料性能的改变等。例如，在一个示例性实施例中，所述测量用于在消声器填充操作期间执行品质控制。在该示例性实施例中，如果确定填充到消声器中的膨化玻璃纤维具有低于期望阈值(例如，60％)的膨化程度，则确定已填充的消声器不合格。此后，系统300还可以用于调查膨化材料的不良性能的原因，例如通过一次改变一个过程变量/条件并且在每次改变之后重新估算膨化程度。
本发明总体构思的范围不旨在局限于本文示出和描述的特定的示例性实施例。从给出的公开内容，本领域技术人员不仅将理解本发明的总体构思及其伴随的优点，而且还将发现针对所公开的方法和系统的显而易见的各种变化和修改。因此，试图涵盖落入如本文所描述和要求保护的本发明的总体构思的精神和范围内的所有这些变化和修改以及其任何等效物。
Claims (18)
1.一种量化纤维材料的膨化程度的方法，所述方法包括：
在隔室中提供一定量的纤维材料；
以预定的流量将空气引入到所述隔室中；
测量在所述流量条件下跨所述纤维材料的压力降；
使用所述压力降来计算所述纤维材料的有效纤维直径；和
使用所述有效纤维直径来确定所述纤维材料的膨化程度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述膨化程度表示为所述纤维材料的实际纤维直径与所述纤维材料的所述有效纤维直径的比率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述膨化程度表示为通过将所述比率乘以100计算得出的百分比例。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述实际纤维直径处于8μm至40μm的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述隔室是产品消声器和参考消声器中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维材料是膨化玻璃纤维。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，通过膨化喷嘴供给玻璃纤维粗纱来形成所述膨化玻璃纤维。
8.根据权利要求1所述的方法，其还包括：
通过膨化喷嘴供给玻璃纤维粗纱以便在消声器的腔内形成纤维材料；和
将所述纤维材料中的至少一部分纤维材料从所述腔重新定位到所述隔室。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述隔室中的所述一定量的纤维材料具有处于80g/L至200g/L范围内的填充密度。
10.一种用于量化纤维材料的膨化程度的系统，所述系统包括：
第一装置，所述第一装置用于保持一定量纤维材料；
第二装置，所述第二装置用于以预定的流量抽吸空气通过所述纤维材料；
第三装置，所述第三装置用于测量在所述流量条件下跨所述纤维材料的压力降；
第四装置，所述第四装置用于使用所述压力降来计算所述纤维材料的有效纤维直径；和
第五装置，所述第五装置用于使用所述有效纤维直径来确定所述纤维材料的所述膨化程度。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第一装置是产品消声器和参考消声器中的一种。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第二装置包括真空泵、流量阀和流量计。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第三装置包括压力计。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第四装置是通用计算机，所述通用计算机被编程以便求解等式：
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述第五装置是通用计算机，所述通用计算机被编程以便求解等式：
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述通用计算机包括显示器，所述膨化程度显示在所述显示器上。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，所述纤维材料是膨化玻璃纤维。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，通过膨化喷嘴供给玻璃纤维粗纱来形成所述膨化玻璃纤维。
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