CN109540671A - 一种束纤维拉压的杠杆式测力装置及用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种束纤维拉压的杠杆式测力装置及用途，包括用于夹持或松开束纤维的定夹持机构和动夹持机构，定夹持机构设于用于实现力传递的受力架上，动夹持机构设于移动架上，测力机构连接受力架，还包括用于驱动移动架移动并测量移动架位移的拉压机构和用于数据采集与控制机构运行的测量控制系统。通过拉压机构驱动移动架，使夹持的束纤维被拉伸或压缩，并由步进电机测得位移量；由支点轴和简支梁组成杠杆式受力机构将束纤维的拉伸或压缩力传递到测力机构，测得束纤维的受力值。该装置不仅可以对束纤维进行拉伸和压缩的同试样测量，而且适用于膜、织物和片状材料。

Description

一种束纤维拉压的杠杆式测力装置及用途

技术领域

本发明涉及一种束纤维拉压的杠杆式测力装置及用途，属于束纤维力学测量仪器技术领域。

背景技术

由于当今世界经济的飞速发展和科学技术的飞跃进步，各个行业对材料的各种力学性能要求越来越高，相应的提高了对实验仪器性能的要求。特别是对纺织行业，每年纤维总需求量为5000万吨。如何对这些纤维的力学性能进行简单、快速而准确的测量成为重要课题。之前对纤维力学性能的测量仪器大都是针对单根纤维，但对单根纤维测量不仅费时费力、比较繁琐，而且测试结果不能准确全面的反映整个纤维集合体的性能。尤其是对天然纤维，其单纤维强力的离散系数一般比较大，为了得到有意义的平均强力必须测量数百根以上。束纤维强力测试是纤维力学性质测量的一种重要方法，其制样方便，测试快速，可以满足工业化生产中的快速测量的要求，而且它比单纤维强力测试更加方便、快速，可以准确的表征纤维的力学性质。对束纤维进行力学测量，可以从束强曲线上提取相应的特征值，从而可以对纤维的整体性能进行表征，也可以用束强测试来反推单纤维的性质。所以束纤维强力在表征纤维力学性质时比单纤维强力更具优势。

1942年，Pressley发表了关于平行纤维束法强力测试仪的一篇文章标志着束纤维强力测试机构的研究和应用的开始。之后Brown研制了Clemson束强仪和Hertel研制了Stelometer来测量束纤维的断裂强力和断裂伸长，两种仪器都是等负荷拉伸型，被广泛应用在棉纤维和羊毛纤维的强力测试中，但是其缺点是手工操作。

美国农业部和棉花生产者在二十世纪六十年代研制了棉纤维大容量测试系统(HVI)，但是此系统只能应用到棉纤维上。与此同时澳大利亚联邦科学院(CSIRO)研制了一种应用到羊毛纤维的强力机构Sirolan-TENSOR，Sirolan-TENSOR比传统的测试方法更快，实现了对羊毛纤维或者一些其他纤维的束纤维强力测试，但只能用于毛纤维。最近几年，德国的Textechno公司研制了一种更先进的棉束纤维长度分布及强力测试仪FIBROTEST，其测量更快速、方便。国内也由长岭纺机研制了棉纤维大容量测试系统，但在普通束纤维强力仪方面很少有研究。而且这些测试仪器价格比较昂贵，对使用环境、操作维护人员的要求相当高，不适合一般企业的大量使用。

对于测力机构，目前测试纤维拉压性能的测试仪器的测力机构主要是摆锤式(如Y161型单纤维强力仪)、杠杆式(或秤杆式，如Pressley强力仪)和电子强力仪(如XQ-1型纤维强伸度仪)。而摆锤式和杠杆式强力仪只能进行拉伸性能的测试。电子式强力仪的测力机构是在固定梁上装有电阻应变丝，通过应变仪检测电阻应变丝微小变形产生的电阻值来显示出拉伸力的大小。应变丝可以进行拉伸、压缩、弯曲等力学性能的测试，但是只能用于单纤维强力的测量，数据代表性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能快速准确记录数据、结构简单、操作方便、造价低，而且能够测量多种纤维材料的束纤维拉伸压缩力学性能的装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：包括用于夹持或松开束纤维的定夹持机构和动夹持机构，定夹持机构设于用于实现力传递的受力架上，动夹持机构设于移动架上，测力机构连接受力架，还包括用于驱动移动架移动并测量移动架位移的拉压机构和用于数据采集与控制机构运行的测量控制系统；

所述受力架包括简支梁，简支梁中部穿设支点轴，平衡杆固接在简支梁上，平衡重锤设于平衡杆上且可在平衡杆上作水平移动调节简支梁随遇平稳；简支梁底部设有用于与测力机构相连的固定孔；

支点轴和简支梁组成杠杆将束纤维的拉伸或压缩力传递到测力机构，束纤维的受力使简支梁上端受力传递到底端的固定孔处受力，通过测力机构进行测量。

优选地，所述定夹持机构包括固定嵌装在简支梁一侧上部的由左上夹头和左下夹头组成的左夹头，所述拉伸支点位于左下夹头下方；左夹架、左气缸架均固定嵌装在简支梁另一侧上部，左滑杆穿过左夹架与左气缸架从而保持左夹头平稳，左气缸固装在左气缸架上；左下夹头固定，左气缸连接左上夹头，左上夹头在左气缸的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的。

优选地，所述移动架包括右支架，右支架底部设有可螺旋穿入拉压机构的移动螺孔。

优选地，所述动夹持机构包括固定嵌装在右支架一侧上部的由右上夹头和右下夹头组成的右夹头，右夹架、右气缸架均固定嵌装在右支架上另一侧上部，右滑杆穿过右夹架与右气缸架从而保持右夹头平稳，右气缸固装在右气缸架上；右下夹头固定，右气缸连接右上夹头，右上夹头在右气缸的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的。

优选地，所述测力机构包括力传感器，连接螺钉一端通过固定螺母与力传感器连接，连接螺钉另一端插入简支梁底部的固定孔并通过支梁固定螺母固定；力传感器的输出端与测量控制系统相连。

优选地，所述拉压机构包括用于推动移动架拉伸或复位的移动螺杆，和用于驱动移动螺杆反转拉伸或复位的步进电机，移动螺杆螺旋穿入右支架底部的移动螺孔内，移动螺杆连接步进电机，步进电机控制端与测量控制系统相连。

优选地，所述测量控制系统包括与左气缸和右气缸相连的控制气缸运动的气缸控制单元、与力传感器相连的用于力采集与分析的力信号采集单元、与步进电机相连并用于控制其运动的平移控制单元，计算机与气缸控制单元、力信号采集单元、平移控制单元连接。

优选地，将束纤维的左、右两端分别夹持在左、右夹头上，调节平衡重锤的位置，使得简支梁随遇稳态；右夹头通过步进电机驱动正转对纤维束进行拉伸，或者通过步进电机驱动反转对纤维束进行压缩，通过力传感器检测纤维束的断裂力，计算机根据力传感器和步进电机的数据进行处理给出各力学指标。

优选地，利用杠杆原理，以支点轴为支点，简支梁上部束纤维由于拉压机构的拉伸或压缩作用而受到拉伸或压缩力，简支梁下部通过测力机构的反作用力来实现总力矩的平衡，具体如公式(1)和公式(2)所示。

PL₁＝FL₂ (1)

其中，F为力传感器测量的受力值；P为束纤维的拉伸或压缩力值；L₁为束纤维与支点轴(22)的垂直距离，L₂为支点轴与连接螺钉轴线的垂直距离。

本发明还提供了上述的束纤维拉压的杠杆式测力装置的用途，其特征在于：用于片状材料的轴向拉伸或轴向压缩性质的测量，或轴向拉伸与轴向压缩对同一试样的测量；所述片状材料包括但不限于束纤维、膜、织物。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(a)不仅可以进行拉伸性能的测试，还可以进行压缩性能的测试，测试材料可以是纤维，膜材料，以及其他片状材料，测试范围更广；

(b)测试时试样受到的力通过支梁直接传递给力传感器，仪器所显示的力值直接反应试样的受力状况，减小系统误差，使测试精度大大提高，达到mN级；

(c)测力机构受力时的位移量，比试样材料受力变形小得多。因此，右夹头的位移可直接代表试样的变形，机构简化；

(d)该测试装置对实验材料进行客观、快速、原位测量，不仅能准确反映纤维平均力学性能指标，而且通过计算机数据处理可以获得单根纤维的力学性能指标。

附图说明

图1为本实施例提供的束纤维拉压的杠杆式测力装置示意图；

图2是测量控制系统示意图；

图3为右架平衡机构的支点式受力分析图；

图4为强力-伸长曲线图；

附图标记说明：

1-夹持机构，其包括11-左上夹头；12-左下夹头；13-左滑杆；14-左气缸；15-左夹架；16-左气缸架；

2-受力架，其包括21-简支梁；22-支点轴；23-平衡杆；24-平衡重锤；25-固定孔；

3-测力机构，其包括31-力传感器；32-连接螺钉；33-支梁固定螺母；34-固定螺母；

4-动夹持机构，其包括41-左上夹头；42-左下夹头；43-左滑杆；44-左气缸；45-左夹架；46-左气缸架；

5-移动架，其包括51-右支架；52-移动螺孔；

6-拉压机构，其包括61-移动螺杆；62-步进电机。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明涉及一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，如图1所示，是由定夹持机构1、受力架2、测力机构3、动夹持机构4、移动架5、拉压机构6和测量控制系统构成。受力架2和移动架5相对设置，定夹持机构1安装在受力架2上，动夹持机构4安装在移动架5上，定夹持机构1与动夹持机构4也相对设置，测力机构3连接受力架2，拉压机构6连接移动架5，测量控制系统连接测力机构3、动夹持机构4和拉压机构6。

所述的受力架2是由简支梁21、穿过简支梁21中部的支点轴22、固接在简支梁21上的平衡杆23、可在平衡杆23上作水平移动调节所述的简支梁21随遇平稳的平衡重锤24和简支梁21底部的用于与测力机构3相连的固定孔25组成，其中束纤维的受力使简支梁21上端受力传递到底端固定孔25处的受力。

所述的移动架5是由右支架51和底部可螺旋穿入拉压机构6的移动螺孔52组成。

所述的定夹持机构1包括固定嵌装在简支梁21上一侧上部的左夹头，包括：左上夹头11和左下夹头12；左夹架15、左气缸架16固定嵌装在简支梁21上另一侧上部，左滑杆13穿过左夹架15与左气缸架16从而保持左夹头夹头平稳，左气缸14固装在左气缸架16上。左下夹头12固定，左气缸14连接左上夹头11，左上夹头11可以在左气缸14的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的。

所述的动夹持机构4包括固定嵌装在右支架51上一侧上部的右夹头，包括：右上夹头41和右下夹头42，右夹架45、右气缸架46固定嵌装在右支架51上另一侧上部，右滑杆43穿过右夹架45与右气缸架46从而保持右夹头夹头平稳，右气缸44固装在右气缸架46上。右下夹头42固定，右气缸44连接右上夹头41，右上夹头41可以在右气缸44的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的。

所述的测力机构3是由力传感器31、与力传感器31固接的连接螺钉32、用于固定简支梁21位置的支梁固定螺母33和用于受力固定连接螺钉32于力传感器31上的固定螺母34，连接螺钉32一端通过固定螺母34与力传感器31连接，连接螺钉32另一端插入简支梁21底部的固定孔25并通过支梁固定螺母33固定。力传感器31的输出端与测量控制系统相连。束纤维的受力使简支梁21上端受力传递到底端的固定孔25处受力，通过力传感器31进行测量。

所述的拉压机构6是由用于推动移动架5向左拉伸或复位的移动螺杆61，和用于驱动移动螺杆61反转拉伸或复位的步进电机62所组成，移动螺杆61螺旋穿入右支架51底部的移动螺孔52内，移动螺杆61连接步进电机62，步进电机62控制端与测量控制系统相连。

结合图2，所述的测量控制系统包括与左气缸14和右气缸44相连的控制气缸运动的气缸控制单元、与力传感器31相连的用于力采集与分析的力信号采集单元、与步进电机62相连并用于控制其运动的平移控制单元，计算机与气缸控制单元、力信号采集单元、平移控制单元连接。

支点轴22位于简支梁21的中心，直径为1cm。简支梁21尺寸为：长×宽×高＝4cm×2cm×40cm。

平衡杆23固接在左下夹头12下方1cm处，平衡杆23尺寸为：长×宽×高＝10cm×2cm×2cm，上面刻有刻度。平衡重锤24为铅质，重量为10kg。

力传感器31的量程为400N，测试精度为0.01N。测力机构中所用的螺母、螺钉、螺杆的型号为M16，螺距为1mm。

右支架51尺寸为：长×宽×高＝2cm×2cm×40cm，左、右气缸最大压强为10MPa。步进电机62的默认转速为10r/min。

本发明束纤维拉压的杠杆式测力装置，可用于对束纤维轴向拉伸或压缩性质的测量，或两者对同一试样的测量；而且该装置还可用于膜，织物和片状材料的测量。

根据实验材料的实验标准来设定左、右夹头的间距和拉伸速度，其具体步骤如下：

[1]打开控制主机、电脑电源，预热30分钟，并输入将要测试样品的信息和实验条件，并复位；

[2]用夹子夹取一束纤维，用梳子梳理平行，并将纤维束放置在左下夹块上；左夹头闭合，将纤维束送到右下夹块上，拉直纤维束，并关闭右夹头，调节平衡杆的位置，使得简支梁随遇稳态；

[3]右夹头通过步进电机电机驱动，对纤维束进行拉伸，力传感器检测纤维的断裂力，可以屏显纤维逐步的断裂状态及断裂点分布状态。

[4]计算机将采集的数据曲线进行处理给出各力学指标，并分不同选定格式打印和屏显数据曲线与数据，同时按要求进行单纤维力学指标及分布的计算与显示，得到拉伸曲线、拉伸特征值等数据。

本发明的原理是利用杠杆原理来实现的，如图3所示，以支点轴22为支点，一端通过拉压机构6进行拉伸(压缩)作用，另一端通过测力机构3的反作用力来实现总力矩的平衡，具体如公式1和公式2所示。

PL₁＝FL₂ (1)

其中，F为力传感器31测量的受力值；P为束纤维的拉伸(压缩)力值；L₁为束纤维拉伸(压缩)力P的力臂，即束纤维与支点轴22的垂直距离；L₂为力传感器压缩(拉伸)力F的力臂，即支点轴22与连接螺钉32轴线的垂直距离。

实验时，在左右夹头夹紧纤维之后，通过调节平衡重锤27在平衡杆26上的位置，来对该机构进行复位，保证简支梁21两侧随遇稳态，具体力矩平衡关系式如公式3和公式4所示。

W₀A＝WB (3)

其中，W₀为支点轴22左侧机构的重力产生的作用力；W为平衡重锤27和平衡杆26的重力产生的作用力；A为支点轴22左侧机构质心到支点轴22的垂直距离；B为平衡重锤27和平衡杆26的质心到支点轴22的垂直距离。

下面通过几个具体的应用实例进行说明。

实施例1

以碳纤维(C纤维2.2K)为例，测试其拉伸性能。设定夹头隔距为10cm，拉伸速度为100mm/min，则测试结果如图4所示。

实施例2

以新疆羊毛(66s)为例，测试其拉伸性能。设定夹头隔距为10mm，拉伸速度为10mm/min，则测试结果图4所示。

实施例3

以粘胶纤维(0.67dtex)为例，测试其拉伸性能。设定夹头隔距10mm，拉伸速度为10mm/min，步进电机转速为10r/min，则测试结果如图4所示。

应当理解的是，在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：包括用于夹持或松开束纤维的定夹持机构(1)和动夹持机构(4)，定夹持机构(1)设于用于实现力传递的受力架(2)上，动夹持机构(4)设于移动架(5)上，测力机构(3)连接受力架(2)，还包括用于驱动移动架(5)移动并测量移动架(5)位移的拉压机构(6)和用于数据采集与控制机构运行的测量控制系统；

所述受力架(2)包括简支梁(21)，简支梁(21)中部穿设支点轴(22)，平衡杆(23)固接在简支梁(21)上，平衡重锤(24)设于平衡杆(23)上且可在平衡杆(23)上作水平移动调节简支梁(21)随遇平稳；简支梁(21)底部设有用于与测力机构(3)相连的固定孔(25)；

支点轴(22)和简支梁(21)组成杠杆将束纤维的拉伸或压缩力传递到测力机构(3)，束纤维的受力使简支梁(21)上端受力传递到底端的固定孔(25)处受力，通过测力机构(3)进行测量。

2.如权利要求1所述的一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：所述定夹持机构(1)包括固定嵌装在简支梁(21)一侧上部的由左上夹头(11)和左下夹头(12)组成的左夹头，所述拉伸支点(22)位于左下夹头(12)下方；左夹架(15)、左气缸架(16)均固定嵌装在简支梁(21)另一侧上部，左滑杆(13)穿过左夹架(15)与左气缸架(16)从而保持左夹头平稳，左气缸(14)固装在左气缸架(16)上；左下夹头(12)固定，左气缸(14)连接左上夹头(11)，左上夹头(11)在左气缸(14)的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的。

3.如权利要求2所述的一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：所述移动架(5)包括右支架(51)，右支架(51)底部设有可螺旋穿入拉压机构(6)的移动螺孔(52)。

4.如权利要求3所述的一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：所述动夹持机构(4)包括固定嵌装在右支架(51)一侧上部的由右上夹头(41)和右下夹头(42)组成的右夹头，右夹架(45)、右气缸架(46)均固定嵌装在右支架(51)上另一侧上部，右滑杆(43)穿过右夹架(45)与右气缸架(46)从而保持右夹头平稳，右气缸(44)固装在右气缸架(46)上；右下夹头(42)固定，右气缸(44)连接右上夹头(41)，右上夹头(41)在右气缸(44)的控制下上下移动来实现松开和夹紧束纤维的目的。

5.如权利要求4所述的一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：所述测力机构(3)包括力传感器(31)，连接螺钉(32)一端通过固定螺母(34)与力传感器(31)连接，连接螺钉(32)另一端插入简支梁(21)底部的固定孔(28)并通过支梁固定螺母(33)固定；力传感器(31)的输出端与测量控制系统相连。

6.如权利要求5所述的一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：所述拉压机构(6)包括用于推动移动架(5)拉伸或复位的移动螺杆(61)，和用于驱动移动螺杆(61)反转拉伸或复位的步进电机(62)，移动螺杆(61)螺旋穿入右支架(51)底部的移动螺孔(52)内，移动螺杆(61)连接步进电机(62)，步进电机(62)控制端与测量控制系统相连。

7.如权利要求6所述的一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：所述测量控制系统包括与左气缸(14)和右气缸(44)相连的控制气缸运动的气缸控制单元、与力传感器(31)相连的用于力采集与分析的力信号采集单元、与步进电机(62)相连并用于控制其运动的平移控制单元，计算机与气缸控制单元、力信号采集单元、平移控制单元连接。

8.如权利要求7所述的一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：所述将束纤维的左、右两端分别夹持在左、右夹头上，调节平衡重锤(27)的位置，使得简支梁(21)随遇稳态；右夹头通过步进电机(62)驱动正转对纤维束进行拉伸，或者通过步进电机(62)驱动反转对纤维束进行压缩，通过力传感器(31)检测纤维束的断裂力，计算机根据力传感器(31)和步进电机(62)的数据进行处理给出各力学指标。

9.如权利要求1所述的一种束纤维拉压的杠杆式测力装置，其特征在于：利用杠杆原理，以支点轴(22)为支点，简支梁(21)上部束纤维由于拉压机构(6)的拉伸或压缩作用而受到拉伸或压缩力，简支梁(21)下部通过测力机构(3)的反作用力来实现总力矩的平衡，具体如公式(1)和公式(2)所示。

PL₁＝FL₂ (1)

其中，F为力传感器(31)测量的受力值；P为束纤维的拉伸或压缩力值；L₁为束纤维与支点轴(22)的垂直距离，L₂为支点轴(22)与连接螺钉(32)轴线的垂直距离。

10.一种如权利要求1～9任一项所述的束纤维拉压的杠杆式测力装置的用途，其特征在于：用于片状材料的轴向拉伸或轴向压缩性质的测量，或轴向拉伸与轴向压缩对同一试样的测量；所述片状材料包括但不限于束纤维、膜、织物。