CN1317561C - 用于测量板状产品性能的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量、监测和/或表示板状产品的材料“损坏程度”的方法和设备，特别是加工方向(MD)剪切。在这点上，本发明披露将预定的作用力施加到板状产品上以使板状产品的挠曲不超出其弹性区域。用于施加所述作用力的设备的尺寸或结构最好适于具体限制板状产品的挠度。通过将板状产品保持在其弹性区域内，能够降低板状产品受到永久性损坏的可能性。因此，所披露的方法和设备能够显示在被测试的纸板产品上的非破坏MD剪切，其适用于纸板产品的在线测试/监测。

Description

用于测量板状产品性能的设备和方法

技术领域

本发明涉及关于用于测量板状产品性能的方法和设备的改进，板状产品性能包括结构性能和强度性能，诸如与剪切刚度相关的“损坏程度”，特别是加工方向(MD)剪切。本发明还适用于纸板性能的“生产中”测量。

背景技术

在板状产品的制造中，特别是纸板产品，诸如波纹状纸板，需要测量各种参数以限定纸板的结构性能，特别是为了达到质量控制的目的。一个需要测量的性能是材料“损坏程度”，材料“损坏程度”表示的是纸板上的介质损坏情况，特别是在制造过程中。例如，在波纹状纸板产品的制造过程中，在制造过程的各个阶段中纸板可能会受到损坏，特别是在将带波纹的介质粘到衬板上的步骤中和在对纸板的一个或多个表面进行印刷的阶段。这些阶段会使带波纹的介质受到“损坏”，可能会使带波纹的介质被挤压、剪切或者使它们相对于与一个或多个衬粘接的位置横移。这样的损坏通常不能被观察到，因此需要一个检测工序来评估所出现的剪切程度。

目前，由于难以在制造过程中精确地且方便地评估纸板产品的受损程度，因此许多波纹状介质产品(诸如箱)是利用较厚重的板生产的，如果波纹状介质的受损程度能够被监测并且达到最低，那么就不必利用较厚重的板生产波纹状介质产品。

如上所述，一个根据纸板的“损坏”程度表示纸板强度的性能是剪切刚度，特别是加工方向(MD)剪切。一种用于测量该剪切刚度的方法是利用扭转试验。在这点上，已经建立了板芯的剪切刚度与其扭转刚度之间的基本关系。尽管这种方法能够获得比较精确的结果，但是存在这样一个问题，即，该方法需要进行繁琐的试样预备过程，包括切割箱或者坯料。该试样预备过程是特别麻烦的，由于该扭转试验设备容易受到所用试样的宽度影响，因此宽度上的很小误差将会对扭转试验设备所得到的结果造成很大的影响。因此，还需要一种特定的切割装置以精确地控制试样的宽度并且使试样在切割部位附近受到的损坏程度达到最小。另外，实施扭转运动的设备是比较复杂的并且是很昂贵的。另外，由于试验本身会使纸板受到“损坏”，因此该方法不适用于“生产中”，诸如用于一种在线试验方法中，或者用于在完成的纸板产品上。因此，这种试验方法属于“破坏性”试验，因而对于同样的试样进行反复试验不能提供可靠的结果。

因此，本发明的一个目的在于，提供一种更有效和/或节省成本的用于测量板状产品中的材料“损坏程度”的装置，并且该方法能够克服或者减轻现有技术中所存在的至少一个问题。

人们希望得到一种适用于已完成的或者接近完成的板状产品上能够显示产品受到“损坏”程度的测量方法和设备，并且该测量方法和设备还不会对产品造成永久性损坏。

人们希望得到一种适于在线使用的测量方法和设备，从而能够在制造过程中对波纹状介质受到“损坏”程度进行连续监测和显示并且能够避免对被测量的纸板造成永久性损坏。在这点上，为了使产品的易变性达到最小以及使产品的强度和质量达到最佳，还需要实时反馈以使设备操作者能够进行实时准确地判断。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种用于提供板状产品的剪切刚度指示的设备，所述设备包括：相互面对的两部分，测量时板状产品抵靠在这两部分之间，其中的一部分具有用来施加作用力的作用力施加装置，与其相对的另一部分具有至少两个分隔开的表面以形成一个测量区域；所述作用力施加装置，所述作用力施加装置用于将作用力施加到邻近所述测量区域的板试样上，所述作用力施加装置的尺寸是这样设定的，即，所施加的作用力不会使板试样的挠曲超过预定的弹性区域；以及一个挠曲测量装置，该挠曲测量装置测量由所施加的作用力产生的板式样的挠曲；其中，所述测量的挠曲被转换成板状产品的剪切刚度指示。

所述至少两个被分隔开的测量表面之间的距离最好相当于板状产品的3个至10个波纹之间的间隔。

在这个方面，本发明提供了一种方法，利用该方法能够使板状产品，诸如波纹状纸板产品被测试，同时能够使产品受损程度达到最小，并且无需切割试样。因此，该方面避免了预备试样所需的时间。另外，本发明可就地应用，提供质量反馈。

根据另一个方面，本发明提供一种制造纸板的设备，所述设备包括一个用于测量纸板产品的强度特性的装置，所述测量装置包括：相互面对的两部分，测量时纸板的移动腹板抵靠在这两部分之间，其中的一部分具有用来施加作用力的作用力施加装置，与其相对的另一部分具有至少两个分隔开的表面以形成一个接收挠曲纸板的区域；加载装置，所述加载装置适于将一种被选择的挠曲作用力施加到在与位于至少两个表面之间的区域相邻的纸板产品上；控制装置，所述控制装置适于使纸板的挠曲保持在其弹性挠曲区域内；至少一个传感器，所述传感器用于测量施加在纸板产品上的作用力以及测量纸板产品的挠曲；能够利用所测量的施加在纸板产品上的作用力和所测量的纸板产品的位移量计算所述纸板产品的强度特性的装置。

在本发明该方面中，所施加的预定作用力的大小能够确保板状产品的挠曲不会超出其弹性区域，现已发现，这样能够大大地减小产品受到永久性损坏的可能性。

对于该方面，本发明能够以非破坏性地表示正被生产的纸板产品的方式在线地表示纸制造设备的性能，诸如压制波纹设备。本发明能够选择性地确定/控制纸板的挠度，并且特别适用于在线测量。

根据另一个方面，本发明提供一种对利用一种纸板制造设备制造的纸板进行监测的设备，所述设备包括：

用于将MD剪切测试方法直接施加到正被制造的纸板上的装置；以及

用于使MD剪切测试的施加保持在弹性挠曲区域内的装置。

本发明还提供一种在加工纸板产品中作为辅助手段的测试板状产品的方法，所述方法包括下列步骤：

在一个纸板产品上施加一种被测量的挠曲作用力，所述作用力被测量以使纸板产品在弹性挠曲范围内挠曲；

测量纸板产品在所施加的作用力的作用下而产生的位移；

利用所测量的位移来表示板状产品的一种性能。

所表示的板状产品的性能最好是板状产品的剪切刚度。

因此，在另一个方面，本发明提供，在一种用于测量纸板的在线过程中，一种用于确定纸板产品的强度特性的方法，所述方法包括下列步骤：

在纸板产品的移动腹板上施加一个挠曲作用力；

选择性地调节所述挠曲作用力以使纸板产品的挠曲保持在其弹性挠曲区域内；以及

测量所施加的作用力和相应的纸板产品的位移。

在本发明的一个优选实施例中，在一种用于生产纸板的在线过程中，上述方法还包括相对于位移数据提供所施加的作用力数据的步骤。

在另一个方面，本发明提供一种对利用一种纸板制造设备制造的纸板进行监测的方法，所述方法包括以下步骤：

利用直接施加到纸板上的根据本发明的MD剪切测试方法对被制造的纸板的剪切强度进行测试，其中MD剪切测试方法使纸板的挠曲保持在一个弹性挠曲区域内。

所述纸板产品最好是波纹状纸板，在长度为3个至10个波纹之间的区域中对所述纸板进行测试。本发明还提供一种实施该方法的设备。

本质上，本发明基于认识到，通过提供控制MD剪切测量能够使在测试过程中所施加的作用力不超出被测试的纸板的弹性挠曲区域，从而可提供一种非破坏性的测试装置和方法，包括一种纸板产品的“在线”测试/监测。在一种形式中，本发明是这样实施的，即，通过在任何时间得知被制造的特定纸板应该表现的特征(诸如一种挠曲特征)，并且利用一种MD剪切测试设备通过施加作用力以根据已知的特征产生挠曲，从而测试/监测纸板的质量。换言之，本发明可被认为是一种验证被制造的纸板是否符合所需的标准的方法，诸如在MD剪切测试中表现的，诸如一种挠曲测试。

特别对于本发明的在线实施例，可使用附加的设备反馈生产信息/或调节生产参数和/或有MD剪切试验设备所施加的挠曲。

在一种特别的优选实施例中，该设备包括用于提供施加到纸板产品上的MD剪切测试指示的装置，该装置在纸板产品的弹性挠曲区域内或区域外产生挠曲。还应该理解的是，所述MD剪切试验设备最好是一种三点施压设备。但是，并不是仅可使用这种类型的设备。权利要求限定了本发明的保护范围。

附图说明

现将参照附图对本发明的实施例进行描述，在附图中：

图1示出了一种静态MD剪切试验设备的第一实施例。

图2示出了图1中所示冲杆在两个表面之间的一个透视图。

图3是表示压力与利用图1中所示的设备进行试验所得到的位移之间关系的图表。

图4是表示在弹性区域内在一个纸板试样上多次进行反复试验的测试结果的一个图表。

图5是表示弹性区域之外在一个纸板试样上多次进行反复试验的测试结果的一个图表。

图6示出了根据本发明的一个实施例的带有突脊的板。

图7是表示利用图6中所示的带有突脊的板所达到的预期的作用力与位移之间的关系的一个图表。

图8示出了根据本发明的一个特定实施例的三点压缩试验设备。

图9示出了根据本发明的另一个实施例的带有突脊的轮。

图11是表示对于不同克重的各个试样的模拟的MD剪切值与已知MD剪切数值之间关系的一个图表。

图12是表示一个衬克重比例因子的图表，所示线性克重比例因子能够被用于由三点测量设备所获得的抗压模量数据中以根据所测量的纸板衬特定的克重计算该数据。

图13是表示在线MD剪切测量数据与波纹板轧机的速度之间关系的一个图表。

图14表示了压制波纹的速度与在线MD剪切测量数据之间的对数在线关系。

图15是表示真实MD剪切数据与利用图11的对数关系进行校正的在线MD剪切测量数据之间关系的一个图表。

图16示出了表示不同类型的板的MD剪切测量值与气动操作的冲杆的空气压力之间关系的一个图表。

具体实施方式

图1中示出了一种静态MD剪切三点施压试验设备的第一实施例。在本发明的该实施例中，第一表面(标注为“施压试验装置上部”)设有一个突出元件(诸如冲杆)。两个分隔开的第二表面与所述第一表面相邻，在所述两个分隔开的第二表面之间形成一个区域(标注为“间隔”)。这两个平台之间的间距是重要的，如果该间距太宽，那么该试验接近于一个弯曲试验并且该纸板将不一定表现剪切。这两个表面之间的距离相当于3个至10个波纹较好，该距离最好相当于5个波纹。

该设备的结构是这样的，即，能够防止一个被测试的板状产品的挠度超过该产品的弹性区域。“弹性区域”是作用力可以非破坏性的方式被施加在板状产品上的区域。换言之，如果板状产品的挠曲超过其弹性区域，那么它将受到一定程度的永久性损坏并且会相应地降低强度。

还应该理解的是，第一和第二表面的表面积对于本试验的有效性也起到了一定的作用，由于它们都用于限制纸板的挠度，因此有助于将挠度限制在所述弹性区域内。

另外，最好通过一个气动撞锤驱动所述冲杆。在本发明的该实施例中，空气压力以及第一和第二表面的表面积会对施加在试样上的最大压力产生影响。如果压力太大，那么会增大施加在板上的作用力，从而会使板受损，此时应该调节气动撞锤的空气压力。在这点上，图16示出了不同等级的波纹状板在同一试验设备中的MD剪切结果。该图表示MD剪切会随着所施加的压力增大而减小，这表示该板将会受到损坏。空气压力在1.5巴(约为100kPa)以上会使MD剪切减小，因此施加在板状产品上压力应该保持在该压力值下以使板状产品受损的可能性达到最小。

图2示出了图1中所示冲杆在两个表面之间的一个透视图。在该实施例中，冲杆的尺寸为20×10毫米并且两个表面之间的间隔为38毫米。对于“C”波纹，38毫米的间隔相当于几乎5个波纹。利用本发明的这个实施例，并且对C-波纹进行测试，可以发现，施加在板上的作用力会产生MD剪切，但是不会使板的挠曲超过其弹性区域。

为了说明所述弹性区域，图3示出了一个由三点施压设备所施加的压力与由所施加的压力产生的位移之间关系的图表。为了获得这些结果，报告单位为mV，并且施压试验装置速度为12.5毫米/分钟并且mV输出与作用力成比例(约为1mV/N)。用于试验的板等级为C-波纹-210-210-140，并且它始终是一致的以使附加变量的影响达到最小并且处于ISO条件下。用于该试验中的夹具结构为5个波纹(对于C波纹大约为38毫米)的间隙，并且冲杆的尺寸为1个波纹(对于C波纹大约为8毫米)宽和20毫米长。

图3中的这些试验结果清楚地表示了一个“弹性区域”10，纸板在该弹性区域中能够弹性地移动并且不会对板造成任何永久性损坏。该图表中的峰值表示板状产品受到损坏的位置。在该试验中，可以发现，弹性区域的上限约为1毫米。

为了说明仅在弹性区域中操作该测量设备的必要性，图4提供了在弹性区域内在一个纸板试样上多次进行反复试验的测试结果。由于所获得的结果基本上是一致的，因此从该图中可以明显地看出，没有对该纸板试样造成明显的永久性损坏。

另一方面，图5提供了超过弹性区域在一个纸板试样上多次进行反复试验的测试结果。该图表示，当试样中的挠曲增大时，不是产生如图4中的比较一致的结果，在超过弹性区域后试样的特性发生一些永久性变化。因此，这证实了，如果将挠度限制在弹性区域内，则能够进行非破坏性的试验。

图6中示出了一个具有突脊的平板。该板是如图1中所示的第一表面和冲杆的另一个实施例。该突脊的尺寸被设定在这样一个范围，即，在利用该板使纸板产生最大的挠度时也不会使纸板超出弹性区域。换言之，在操作中，在板状产品上施加作用力/压力的突脊能够以已知的量使试样挠曲，其中所述已知的量不超过弹性区域。图7中示出了利用图6中所示的带有突脊的板所达到的预期的作用力与位移之间的关系的一个图表。

本发明的该实施例所特有的一个优点是，利用精心设计该设备的尺寸能够使该设备实现自限制，从而能够避免所施加的作用力达到对板造成损坏的作用力/面积(压力)的数值。

图8中示出了适于使板状产品移动到不超过弹性区域的程度的一个在线设备的第一实施例。在该实施例中，轮的圆周是恒定比例的并且与一个负载传感器(load cell)相连。可以发现，负载传感器/轮组件的挠曲性能是本发明设备的该实施例的一个重要特征，这是因为它能够控制施加到板上的挠度，从而确保不对该板造成永久性损坏。

图8中所示组件的另一个特征是该机构对于板厚度差的自动补偿能力，其中该系统使用所述板的一个表面作为被比的零基准。换言之，如果波纹状板的厚度增大或者减小，那么负载传感器/轮组件能够进行一致性移动。这可利用一种设置在波纹状纸板表面上的滑板或滑架式覆盖区(足迹)来实现，并且不与下面的结构机械连接。实际测量轮穿过能够使板挠曲的滑架的底部。这样一种轮组件特别适用于诸如在压制波纹设备中的一个连续腹板输送的过程中。作为该滑架的另一种选择，可使用一个或者多个轮。

应该理解的是，测量轮的直径尺寸最好不是太小，否则会使被施加到板上的压力受到局限，从而使板容易受到永久性损坏。因此，需要一种相当宽的机构。已经发现，对于上述的C-波纹纸板，可采用的宽度为25毫米。

尽管图8中所示实施例包括了控制设备，但是它具有的另一个优点是，能够根据所施加的作用力的大小进行调节。因此，其测量不取决于纸板的厚度，因此可通过测量施加在负载传感器上的压力大小将其用于质量不同的纸板上。

在本发明的在线测量设备的另一个可选择的实施例中，可使用一种带有突脊的转动轮代替图8中所示的圆周一致的轮。如图9中所示，该轮可仅在围绕轮圆周的半个表面中具有突脊/沟槽。本发明的该实施例特有的一个优点是，无需一个作用力零基准即可以差动测量的方式进行测量。

应该理解的是，这些各种设备结构中各个部件的位置调换也不脱离本发明的保护范围。例如，所述轮可位于被测试的板的下方，和/或负载组件可与平台组件相连，以使平台组件能够移动。接着可测量位移量以及所施加的作用力的大小。

这些作用力/位移测量接着可用于获得表示MD剪切的数据结果。在这点上，通过画出所施加的作用力与位移量之间的关系，诸如在图3中所示的，接着计算在弹性区域中的曲线梯度，可获得抗压模量数据。该抗压模量数据与MD剪切存在一个线性关系。由图3所获得的抗压模量数据图表与利用对相同的纸板试样进行扭转试验所计算的MD剪切数据相关。该图表证实，该三点测量设备的试验结果与MD剪切之间存在良好的关系。

在使用本发明的在线测量设备时所遇到的差异是关于利用不同板等级所获得的MD剪切和三点施压之间的不同关系。

为了解决这个问题，已经发现该差异与波纹状板的克重相关。在这点上，通过将等级的细节分离，并且获得一个最佳拟合线(见图11)，能够获得衬(liner)克重与每一个等级“最佳拟合线”的斜度之间的关系。图12中示出了这种关系，并且可利用这种关系按照所用的板等级获得MD剪切结果。

使用在线测量所带来的另一个问题是，这些结果被证实与腹板速度是非常相关的，如图13中所示。开始，这个问题被认为是由于测量头会随着速度增大而“抬高”所造成的，从而使输出信号强度减弱。

但是，已经发现，这些结果是不正确的，MD剪切不是随着速度的增大而减小的。相反，发现MD剪切测量结果确实与速度相关，并且遵循一个对数关系。图14和图15中示出了这样的关系。

因此，为了获得真实的测量数据，按照对数关系对数据进行调整，其中调整因子取决于被测量的腹板速度。因此，在本发明的一种优选实施例中，一种制造纸板的设备包括用于根据移动腹板的速度以对数的方式换算所绘制的作用力/位移量数据。在另一种实施例中，制造纸板的设备包括用于根据纸板产品的克重换算所绘制的作用力/位移量数据。优选地，上述两种实施例所使用的方法包括根据腹板的速度进行对数调整的步骤和根据相应的纸板产品的克重对绘制的数据进行换算的步骤。

所述方法还包括根据纸板产品的克重对绘制的数据进行换算的步骤。

所述设备还包括：用于提供加工方向剪切在弹性挠曲区域内或区域外的指示的装置。

本领域普通技术人员显然能够在本发明的保护范围内进行各种变型和补充。

例如，应该理解的是，以平行于板状产品加工方向设置作用力施加装置对本发明来说不是实质性的。可以在不对MD剪切测量结果产生很大影响的前提下是作用力施加装置偏离一定程度。另外，可以在不使测量结果产生重大变化的前提下使作用力被施加或者没有施加在波纹状板状产品的波纹尖端上。

Claims (21)

1.一种在加工纸板产品中作为辅助手段的测试板状产品的方法，所述方法包括下列步骤：

在纸板产品上施加一挠曲作用力，所述作用力使纸板产品在弹性挠曲区域内挠曲；

测量纸板产品在所施加作用力的作用下而产生的位移；以及

利用所测量的位移来获得纸板产品的剪切刚度的指示。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，施加挠曲力的步骤被应用到纸板产品的移动腹板上。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，施加挠曲力的步骤包括有选择地调整被测量的挠曲力以便保持在弹性挠曲区域内纸板的挠曲。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，测量位移的步骤包括测量所施加的力和纸板产品的相应位移。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括绘出所施加的作用力数据相对于位移数据的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对绘制的数据进行对数校正的步骤，所述对数校正的数值取决于在测量过程中移动纸板产品的速度。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据纸板产品的克重对绘制的数据进行换算的步骤。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据纸板产品成分和材料类型的克重对绘制的数据进行换算的步骤。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括对被施加的挠曲力进行测试的步骤，以确保纸板产品只在其弹性挠曲区域内受到挠曲。

10.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述纸板产品是波纹状纸板，在长度为3个至10个波纹的区域中对所述纸板进行测试。

11.一种用于提供纸板产品的剪切刚度指示的设备，所述设备包括：

相互面对的两部分，测量时板状产品抵靠在这两部分之间，其中在一部分中具有用来施加挠曲力的作用力施加装置，且在与其相对的另一部分中具有至少两个分隔开的表面以形成一个测量区域；

所述作用力施加装置用于将挠曲力施加到邻近所述测量区域的纸板产品上，所述作用力施加装置的尺寸是这样设定的，即，所施加的作用力不会使纸板产品的挠曲超过预定的弹性区域；以及一个挠曲测量装置，该挠曲测量装置测量由所施加的作用力产生的板状产品的位移以提供纸板产品的剪切刚度指示。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备包括在造纸设备中，使两个面对的部分分隔开以将纸板产品的移动腹板在测量过程中抵靠在该两部分之间。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述设备包括：

加载装置，所述加载装置适于将一种已选择的挠曲作用力施加到靠近位于至少两个表面之间的区域的纸板产品上；

控制装置，所述控制装置适于使纸板的挠曲保持在其弹性挠曲区域内；

至少一个传感器装置，所述传感器装置用于测量施加在纸板产品上的力以及测量纸板产品的挠曲；以及

利用所测量的施加在纸板产品上的力和所测量的纸板产品的位移计算所述纸板产品的强度特性的装置。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，所述加载装置是下列装置中的一种：

圆周恒定的转动轮，所述转动轮具有负载传感器，所述负载传感器适于选择性地调节施加在纸板产品上的挠曲作用力以使纸板产品的挠曲保持在其弹性挠曲区域内；

转动轮，所述转动轮具有围绕该轮圆周的至少一个部分的突脊，形成所述突脊能够使纸板的挠曲保持在其弹性区域内；或者

可收缩的带有突脊的压板，形成所述突脊能够使纸板的挠曲保持在其弹性区域内。

15.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述施加作用力的装置是一个矩形板。

16.如权利要求11所述的设备，其特征在于，所述纸板产品为波纹状板，所述测量区域的宽度相当于所述波纹状板的3个至10个波纹之间的间隔。

17.如权利要求11至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于根据纸板产品移动腹板的速度以对数的方式换算所绘制的数据的装置。

18.如权利要求11至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于根据纸板产品的克重换算所绘制的数据的装置。

19.如权利要求11至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括用于根据纸板产品成分和材料类型的克重对绘制的数据进行换算的装置。

20.如权利要求11至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括：用于提供挠曲在弹性挠曲区域内或区域外的指示的装置。

21.如权利要求11至16中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括利用施加在纸板产品上的挠曲力和所测量的纸板产品的位移计算所述纸板产品的强度特性的装置。

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