CN1587969A - 一种用于柔性材料的扭转性能的测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于柔性材料扭转性能测量的方法与装置，其方法是采用试样上端夹持测扭矩，下端挂重物转动至一定扭矩或转动角后，释放回转、自然往复，测试样的自振性能和扭转模量；或对下端夹持强迫转动或正反转动，测量试样一次扭转破坏或疲劳性能。实现该方法的装置是由移动梁、力、位移传感器、扭矩测量机构、上、下夹头、转动机构、显微偏光光路与摄像机构、移动与对焦机构、温度罩、驱动系统与控制电路，以及程序控制和信号处理系统等组成。能有效完成柔性材料定负荷或定伸长下的自振、扭转疲劳和松弛性能的测量，并能观测试样扭转中的捻度传递和在不同温度下的性能变化。本装置结构简单实用，安装置换方便，可测参数多、测量精确。

Description

一种用于柔性材料的扭转性能的测量方法及装置

技术领域：

本发明涉及精密测量技术，属柔性材料(纤维、纱线及线、带状材料等)领域中扭转性能的测量方法及装置。

背景技术：

在柔性材料的机械性能中，研究较多的是拉伸性能，包括拉伸疲劳、松弛和蠕变性能。柔性材料的弯曲和压缩性能也有一些较为成熟的研究方法，但相应的扭转性能(包括疲劳、自振、松弛和蠕变性能)研究却很少。主要原因是测量方法较为单一，所对应的测试中存在困难，无理想的测量装置。然而，实用中材料的扭转性能却极为重要，如纤维及绳索加工与使用等。

柔性材料的扭转性能有多种表达形式，如扭转扭矩、扭转自振性能、扭转破坏及扭转疲劳等。有关扭转疲劳方面的发明研究有Moser和Beat设计的装置，可测塑料扭转模量、阻尼，并加有温度箱(CH522217：Moser KurtDr，Beat Hoechli.Torsion fatigue testing machine for plastics，1972)。Sydney等人进行橡胶涂层织物在流体里的扭转作用评价(US3706222：SmithSydney，Hunt Jerry Donald，Esler Richard Brotherton.Aquatic Torsion-FatigueTest Apparatus，1972)。另外还有一些从其它角度进行扭转性能评价的工作(FR2595139：Atcholi Kesso，Burtheret Alain，Varchon Daniel.Flexion/torsionFatigue Test Machine，for test pieces，in particular test pieces made of acomposite material，1987；JP59019834：Sarugi Katsuji et al.Torsion FatigueTesting Device，1984；US6,732,591B2：Toby J Miles，Gerald Deshais，RobinJ Williams，Martin McElhone.Device and method for fatigue testing ofmaterials，2004)。

从上可以看出，其一，人们还是评价一些刚性或部分较粗大的柔性材料的扭转性能；其二，柔性材料的扭转性能的表征较多地在扭矩和扭转破坏上；其三，适合于纤维材料的扭转性能评价较少。尤其是综合性地研究纤维材料在扭转作用下(自振、一次性扭转破坏和重复扭转疲劳)的特征，并对扭转过程中捻度传递过程进行记录，及温度控制下柔性材料(纤维、纱线及线、带状材料等)扭转的测量方法及装置未见报道。

发明内容：

本发明的目的是提供一种用于柔性材料扭转性能测量的方法与装置，该方法可以进行扭转自振性能、强迫一次扭转破坏和扭转疲劳性能的测量。该装置可实现不同拉伸和扭转模式下，不同温度条件下的扭转性能测量，而且能对扭转过程中捻度传递进行观察记录。

本发明的另一个目的是该装置可用于纤维、纤维束、纱线及线、带状材料等柔性材料的扭转性能测量。

本发明的基本原理是：静态扭转试验时，进行材料的应力松弛和蠕变研究；动态扭转试验时，试样上端夹持测扭矩，下端夹持重物自然悬挂，转动该夹持重物至一定扭矩或转动角，释放重物产生自然回转振动，测量自振性能和扭转模量；采用下端握持，强迫转动或正反转动，测量试样一次扭转破坏或疲劳破坏性能。

本发明的柔性材料扭转性能测量方法是包括下述几个步骤与方法：

a、静态性能测量：试样上下两端夹持，一端实施扭转至一定角度测扭力或扭转至一定扭力测扭转角，得静态扭转性能；或扭转至一定扭力或角度后停止，测扭应力松弛和夹持样的蠕变，得试样的应力松弛曲线、松弛时间τ，以及蠕变曲线；或加捻至一定扭力或角度后，同速退捻至原位，测材料扭转滞后性。所述扭矩的测量是通过激光源照射在反光镜上的偏转值测定；所述的扭转角测量是通过步进电机的转动角测定。

b、自振性能测量方法：试样上端夹持测扭矩，下端夹持重物自然悬挂，转动该夹持重物至一定扭矩或转动角，释放重物产生自然回转振动，测量自振性能和扭转模量，同时得到自振的位移-时间曲线(或衰减曲线)。

c、一次扭转破坏测量方法：试样上端夹持，下端受外力扭转，且始终给试样同一方向的捻回，测试一次扭转破坏的性能，包括静态疲劳破坏的最大扭转力矩和扭转断裂角。

d、疲劳测量方法：试样上端夹持，下端在一定外力或一定扭转角下反复扭转，直至试样扭转疲劳断裂，测试指标包括扭转疲劳寿命和临界扭矩或临界扭转角。

e、捻度传递测量：试样上端握持，下端受外力扭转，通过显微偏光光路与摄像机构沿试样长度方向扫描扭转试样，测量试样在不同位置上的扭转程度和捻度的传递。

f、不同温度条件下的扭转性能测量：同上a～e项，只是温度不同，可以是常温，高温或低温，或变化温度。

本发明方法是通过如下技术方案实现的，一种用于柔性材料扭转性能的测量装置，如附图1和附图2所示。是由移动梁1、力传感器2、位移传感器3、扭矩测量机构4、夹持器5、转动机构6、显微偏光光路与摄像机构7、移动与对焦机构8、温度罩9，以及控制驱动电路、图像采集卡、数据采集卡、数据采集处理与程序操作控制模块和计算机构成。

所述的移动梁1包括可上下移动的上梁11、驱动双螺杆12、机架和驱动电机构成。该移动梁完成对试样的伸直和拉伸，该移动梁亦可以借助于其他带有移动梁的普通拉伸式强力仪。

所述的力传感器2由用于试样预加张力测量的拉力传感器21和用于悬挂试样对中的对中调节器22构成，完成夹持试样预加张力或拉伸力的测量与控制，以及悬挂试样的对中移动调节。所述的位移传感器3由测移动梁移动的位移传感器31和启动位移传感器作用的电磁夹32构成，均安装于移动梁1上，完成夹持试样的应变或长度控制。

所述的扭矩测量机构4包括反光镜41、弹性钢丝42、圆弧形或直杆形的阵列或电阻式光敏感光杆43和激光源44。扭矩测量机构4的反光镜41和弹性钢丝42固装在移动梁下方的拉力传感器21上；光敏杆43和激光源44固装在移动梁上，完成试样扭转时的扭矩或扭力的测量。

所述的夹持器5，由与弹性钢丝42固接的上夹头51、与下夹头连接杆61固接的下夹头52和用于自振测量的微弹簧片夹53所组成。所述的上、下夹头可直接完成对试样的夹持。所述的微弹簧片夹为一块弹簧钢片一次冲模成形的夹持器，重量范围在20mg～500mg，弹簧片夹力在100mg～2g，并与重量成正比，用于自振测量或给预定不变预张力时的夹持。

所述的微弹簧片夹53，在夹持试样(纤维或纱线)时，需一开夹器54，其特征在于开夹器钳口带有可放入微弹簧片并与微弹簧片形状相似的档块沟槽、常合弹簧和类似老虎钳的手柄，可方便地打开微弹簧片夹53。

所述的转动机构6由下夹头连接杆61、固定连接杆61的转动座62、离合器63、旋转微电机64、安装有转动座、离合器、旋转微电机的下移动板65、驱动下移动板的螺杆66、滑杆67、一对伞齿轮68和步进电机69构成。下移动板65可实现高精度和快速移动，当在普通拉伸式强力仪上使用该装置时，可以通过该机构完成对试样施加变形和预加张力控制。同时在自振性能测量时，可以在下夹头松开后快速下移，保证弹簧夹片的及时自振扭转运动。

所述的显微偏光光路与摄像机构7，由可移动的光源71、反光镜72、起偏器73和聚光镜74，以及可自动或手动对焦的物镜75、检偏器76、放大镜77和CCD摄像器78所构成，并整体安装在移动与对焦机构8上。通过显微偏光光路与摄像机构沿试样长度方向扫描扭转试样，测量试样在不同位置上的扭转程度和捻度的传递。

所述的移动与对焦机构8，由用于物镜对焦的手动粗调81和微调82旋钮、自动对焦机构83、变焦旋钮84、聚光机构移动旋钮85、用于聚光镜移动的旋钮86、移动架87和双转动螺杆88构成。

所述的温度罩9为可拆卸、开合式圆筒形温度罩，由一对对称半圆罩91、进出气阀92、加热电阻丝93、温度传感器94构成，完成对-100～200℃的温度控制。高温由热电阻丝加热实现；低温由液氮冷气由进气阀92进入实现，温度控制由温度传感器94测量控制。对称半圆罩位于温度罩9的侧面位，旋转90℃合拢。

计算机由数据采集与处理模块和参数设置与控制模块分别控制移动梁、力传感器、位移传感器、扭矩测量机构、夹持器、转动机构、显微偏光光路与摄像机构、移动与对焦机构和温度罩内加热器等。计算机完成驱动、控制、信号记录、摄像观察和数据处理与计算，完成试样的定负荷或定伸长扭转及其特征值的测量。并可以随设定载荷的要求自动移动上夹头，以保持载荷不变；亦可在达到设定位移值时，保持原位不动。

本发明装置功能合理，上夹头部分可完成夹持，测力和位移；下夹头的更换可改变握持扭转作用形式，如微弹簧片夹可完成自悬垂夹持；转动机构的转动对试样施加扭转作用；显微偏光光路可实时监测，获得材料扭转过程中的捻度传递；移动与对焦机构可以自动聚焦，并可移动对试样进行全程扫描监控；可拆卸温度罩进一步增强了此装置的功能，能对试验环境进行温度控制、调节；驱动、控制、计算系统，可完成承力不变的试样跟踪移动，曲线记录，自行采集以及特征值计算。

同现有技术相比，本发明的特点是：

a)能在同一装置上，有效、准确地完成柔性材料的扭转性能测量，包括扭转自振性能，强迫一次扭转和扭转疲劳试验以及应力松弛和蠕变研究。

b)能进行扭矩大小、扭矩滞后性、扭转自振频率、扭转松弛特性、扭转疲劳和破坏特征曲线和指标的原位测量。

c)能在不同温度条件下试验，能即时观察和作捻度传递分析，能对数据和曲线进行快速处理和实时显示。

d)本发明装置部件简单，结构紧凑；轻便小巧，便于安装与置换，可用于常规带有力传感器(＜100cN)的拉伸仪上。整体尺寸小于80×100×200mm。

附图说明：

图1为柔性材料扭转性能的测量装置主视示意图；

图2为柔性材料扭转性能的测量装置俯视示意图；

图3为微弹簧片夹和开夹器的示意图；

图4为数据采集及控制系统框图；

图5为自振的位移—时间曲线；

图6为回转圈数与扭矩曲线；

图7为捻度传递曲线。

其中：1—移动梁：11—上梁  12—驱动双螺杆；

      2—力传感器：21—拉力传感器 22—悬对中调节器；

      3—位移传感器：31—位移传感器 32—电磁夹；

      4—扭矩测量机构：41—反光镜 42—弹性钢丝 43—感光杆 44—激光源；

      5—夹持器：51—上夹头 52—一般弹簧夹 53—微弹簧片夹；

6—转动机构：61—连接杆 62—转动座 63—离合器 64—旋转微电机 65—下移动板 66—螺杆 67—滑杆 68—伞齿轮 69—步进电机；

7—显微偏光光路与摄像机构：71—光源 72—反光镜 73—起偏器74—聚光镜 75—物镜 76—检偏器 77—放大镜 78—CCD摄像器；

8—移动与对焦机构：81—粗调旋钮 82—微调旋钮 83—自动对焦机构 84—变焦旋钮 85—聚光机构移动旋钮 86—聚光镜移动旋钮 87—移动架 88—双转动螺杆；

9—温度罩：91—对称半圆罩 92—进气阀 93—电阻丝 94—温度传感器。

具体实施方式：

通过以下实施例将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。

本发明的装置和自振微弹簧片的开夹器结构示意图如附图1、图2和图3所示，其中数据和图像采集与处理、机构驱动控制和界面操作系统的流程框图，见附图4所示。如前所述，将试样夹于上夹头51和下夹头52间。设定预张力F₀，调节电机69的转动频率，选择测量模式(定负荷、定伸长、自振、一次扭转破坏、反复扭转疲劳破坏、松弛或蠕变)。启动程序开始测量纤维的扭转性能。通过调节移动与对焦机构8使得与此相连的显微偏光光路与摄像机构7成像最清晰，沿试样长度方向扫描观察测量试样上捻度的传递。可拆卸温度罩9安装上能进行选定温度条件下材料扭转疲劳性能的测试。

                  实施例1扭转自振试验

首先，用开夹器54将微弹簧片夹53打开，将芳纶纤维一端夹于微弹簧片夹53内，然后提起芳纶纤维的另一端，夹于上夹头51内，调节对中调节器22，使纤维轴线对准下夹头夹持中心，将微弹簧片53夹于下夹头52内，如附图1所示。此时通过与下夹头52相连的转动机构6施加一定的扭矩或转动角，然后打开弹簧夹52，同时快速下移移动板65，保证弹簧夹片的自振扭转运动。而自振扭转会使扭矩测量机构4的反光镜41产生偏转，由激光源44照射反光镜41上的反射点变化，见附图2所示，测得试样自振的扭矩—时间曲线如附图5所示。

            实施例2定负荷单纤维扭转疲劳测试结果

采用本发明装置，将纤维试样直接夹于上夹头51和下夹头弹簧夹52间，通过上夹头51或下夹头52的位移来施加预张力，通过拉力传感器21来控制预张力的大小，根据试样的细度大小确定。试样的捻回角由与下夹头52相连的转动机构6的正反转数确定。见附图1所示。为保证预加应力的大小一致可比，预张力的大小选用1.2，1.5，2cN/dtex，捻回角β＝10°，20°和25°。具体实测结果见表1。

表1芳纶(Twaron 2000)单纤维的扭转疲劳寿命测试结果为：

条件	Twaron 2000(1.68dtex)的疲劳寿命(次数)
											10°2cN	160	180	135	194	153	105	110	123	180	140
10°2.5cN20°2cN25°2cN	1014425	1253430	863529	1056029	7310034	795245	728041	707224	6514026	836912

             实施例3纤维的断裂捻角α测试结果

用实施例2的操作方法和采用装置，试样夹于上夹头51和下夹头弹簧夹52间，控制往复电机64朝某一单方向旋转，直至试样断裂，计算可得此试样的断裂捻角。

样品	断裂捻角α(°)
											Twaron2000DyneemaSK65	29.6649.59	35.3348.25	33.5646.53	31.1349.72	31.8944.8	33.0549.14	32.3842.97	32.6444.79	31.1841.56	33.0545.86

            实施例4扭转滞后性与捻度传递的试验

采用本发明的装置和静态试验方法，首先将涤纶长丝束试样夹于上夹头51和下夹头52间，由转动机构6的旋转微电机64转动，下夹头施加扭转于试样，并达一定的回转数或扭矩，本试验为回转数n。然后停止，并开始反向回转达原位。根据扭矩测量机构4，可以测得试样的回转圈数与扭矩关系，如附图6所示。图中A为正向转动时的扭矩曲线，B为反向退捻时的扭矩曲线。显然存在滞后性，如A曲线的起始段；A、B曲线的滞后圈；以及未退捻完全时，反向扭矩的发生。

在停顿时间内，移动显微偏光光路与摄像机构7和对焦机构8，对试样进行全程扫描观察测量，测得该长丝束试样从下夹持端到观测点的距离L与试样在该点捻回角β的关系，如附图7所示。

Claims (10)

1、一种用于柔性材料扭转性能测量的方法，其特征在于采用对试样的上端夹持，测转动时的扭矩；下端悬挂重物转动至一定扭矩后或某一转动角后，释放重物产生回转和自然来回转动，测试样的自振性能和扭转模量；或对下端夹持，强迫转动或正反转动，测试样的一次扭转破坏或扭转疲劳破坏性能，所述的扭矩由上夹头的偏转量测得；所述的扭转角由下夹头的转动角确定；所述的自振性能、一次扭转性能和疲劳性能的测量可在常温或不同高、低温条件下进行。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征是当被测试样一次或多次反复扭转时或扭转后，或在不同高、低温条件下扭转后，通过显微偏光光路与摄像机构沿试样长度方向扫描扭转试样，测量试样在不同位置上的扭转程度和捻度的传递。

3、一种按照权利要求1所述方法的实现装置，包括一个含有控制驱动电路、图像采集卡、数据采集卡、实测数据实时处理与计算程序软件的计算机和通过放大与滤波电路和A/D转换与该计算机相连的力、位移传感器、摄像器和步进电机，其特征在于它由分别受计算机控制的移动梁、力传感器、位移传感器、扭矩测量机构、夹持器、转动机构、显微偏光光路与摄像机构、移动与对焦机构和温度罩构成；所述的移动梁是由可上下移动的上梁、驱动双螺杆、机架和驱动电机构成；所述的移动梁可以是其他带有移动梁的普通拉伸式强力仪；所述的力传感器安装于移动梁上，由用于试样预加张力测量的拉力传感器和用于悬挂试样对中的对中调节器构成；所述的位移传感器由测移动梁移动的位移传感器和启动位移传感器作用的电磁夹构成。

4、按照权利要求3所述的装置，其特征在于所述的扭矩测量机构包括反光镜、弹性钢丝、圆弧形或直杆形的阵列或电阻式光敏感光杆和激光源；所述的反光镜和弹性钢丝固装在移动梁下方的拉力传感器上；光敏感光杆和激光源固装在移动梁上。

5、按照权利要求3所述的装置，其特征在于所述的夹持器，由与弹性钢丝固接的上夹头、与下夹头连接杆固接的下夹头和用于自振测量的微弹簧片夹所构成；所述的微弹簧片夹为一块弹簧钢片一次冲模成形的夹持器，其重量范围在20mg～500mg，弹簧片夹力在100mg～2g，并与重量成正比。

6、按照权利要求5所述的装置，其特征在于所述的微弹簧片夹在夹持试样时，需一开夹器，该开夹器钳口带有可放入微弹簧片并与微弹簧片形状相似的档块沟槽、常合弹簧和类似老虎钳的手柄。

7、按照权利要求3所述的装置，其特征在于所述的转动机构由下夹头连接杆、固定连接杆的转动座、离合器、旋转微电机和安装转动座、离合器、旋转微电机的下移动板、驱动下移动板的螺杆、滑杆、一对伞齿轮和步进电机构成。

8、按照权利要求3所述的装置，其特征在于所述的显微偏光光路与摄像机构，由可移动的光源、反光镜、起偏器和聚光镜，以及可自动或手动对焦的物镜、检偏器、放大镜和CCD摄像器所构成，并整体安装在移动与对焦机构上。

9、按照权利要求3所述的装置，其特征在于所述的移动与对焦机构，由用于物镜对焦的手动粗调和微调旋钮、自动对焦机构、变焦旋钮、聚光机构移动旋钮、聚光镜移动的旋钮、移动架和双转动螺杆构成。

10、按照权利要求3所述的装置，其特征在于所述的温度罩为可拆卸、开合式圆筒形温度罩，由一对对称半圆罩、进出气阀、加热电阻丝、温度传感器构成；所述的对称半圆罩位于温度罩的侧面位，旋转90℃合拢。

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