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彈性材料的動(dòng)態(tài)測試
作者：
時(shí)間：2013-09-13
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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現代彈性體的動(dòng)態(tài)材料性能數據比以前任何時(shí)候更為重要。彈性組份在所有產(chǎn)品，從汽車(chē)、計算機到高爾夫球中都起著(zhù)關(guān)鍵作用。預測產(chǎn)品有效期內的防震性和負荷性能非常重要。為了保證獲得準確的模型，必須收集各種工作條件下的動(dòng)態(tài)材料性能數據，包括動(dòng)態(tài)負荷條件、溫度史和疲勞史，尤其在投資是采用非線(xiàn)性有限單元分析工具進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)更是這樣，因為材料性質(zhì)不準確會(huì )導致不準確的性能預測。
液壓伺服測試系統一直被用于測試彈性組分，其高負載能力和較長(cháng)的行程非常適用于測量各組分的行為，但這種技術(shù)用于表征基礎材料時(shí)也有缺點(diǎn)。傳統的DMA/DMTA測試系統是第二選擇，但它們缺乏表征非線(xiàn)性彈性體，如充氣輪胎用途和隔振設備所需的負荷和行程范圍。
一種新型電磁技術(shù)對于許多彈性材料的動(dòng)態(tài)表征看來(lái)都是完美的選擇，它使用一個(gè)活動(dòng)磁鐵而不是活動(dòng)線(xiàn)圈。不管需要完成的是動(dòng)態(tài)機械分析、應力松馳、蠕變、超彈性、高周疲勞還是龜裂增長(cháng)試驗，此新技術(shù)的性能范圍都可保證模型能預測真實(shí)世界的行為。
以往的觀(guān)點(diǎn)
正如上面提到的那樣，現有兩種技術(shù)用于彈性材料的動(dòng)態(tài)試驗。每種技術(shù)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此有著(zhù)各自適合的細分市場(chǎng)領(lǐng)域。包括：
◆ 液壓技術(shù)，其高壓油（200-350bar）提供能量推動(dòng)活塞；
◆ 電磁技術(shù)，通常稱(chēng)為語(yǔ)音線(xiàn)圈，它的固定磁鐵和活動(dòng)線(xiàn)圈（電磁）相互作用產(chǎn)生運動(dòng)。
液壓系統，類(lèi)似MTS系統和Instron，可提供很寬的頻率范圍（靜態(tài)到1000赫茲）和較高的負荷（10000牛頓或更高）。這些能力結合在一起使得這項技術(shù)成為動(dòng)態(tài)測試的常規選擇。
不過(guò)，液壓系統非常昂貴，而且它有許多活動(dòng)部件和密封件，維護費用高。另外，其能源成本也很高，因為泵必須連續運轉，而且油被看作有害廢料，一旦污染就必須更換。由于傳動(dòng)裝置和/或伺服閥的密封件摩擦，分辨率和保真度可能受到限制，而且傳動(dòng)裝置的活動(dòng)質(zhì)量非常高。在多軸應用時(shí)由于摩擦，傳動(dòng)裝置的側向負荷還會(huì )引起波形扭曲或密封件磨損。
與Rheometric Scientific、TA Instruments、ThermoHaake和Mettler Toledo公司電磁系統類(lèi)似的系統可以創(chuàng )造從靜態(tài)到高頻（某些超過(guò)400赫茲）的高保真運動(dòng)。它們已被廣泛用于各種測試條件下聚合物玻璃化轉變溫度的測量、模擬固化過(guò)程和聚合物的動(dòng)態(tài)性能表征。
這些系統非常節能：不過(guò)大多使用空氣軸承，會(huì )需要一個(gè)氣壓源。負荷范圍寬（從毫微牛頓到幾百牛頓），但是大多數用于材料測試的系統都限制在40牛頓或更低的最大負荷。行程范圍通常也受到限制（6mm或更?。?。雖然用于保持電磁系統校準（機械、空氣軸承或隔膜）的系統通常需要維護，以保證最佳性能，但維護成本通常很低，這也使得活動(dòng)線(xiàn)圈具有有限的疲勞壽命。線(xiàn)圈組合件的活動(dòng)質(zhì)量相當高，這限制了其動(dòng)態(tài)性能。
為什么要采用活動(dòng)電磁馬達
Bose公司在電磁、材料科學(xué)和運動(dòng)控制方面具有技術(shù)優(yōu)勢，它使用活動(dòng)線(xiàn)圈馬達設計（例如聲轉換器...）最終開(kāi)發(fā)出了高性能的線(xiàn)性傳動(dòng)裝置。最近，Bose公司又推出了一種完全不同類(lèi)型的線(xiàn)性傳動(dòng)裝置，被稱(chēng)為活動(dòng)電磁馬達，它在動(dòng)態(tài)材料性能測試時(shí)的能力要高得多，而且沒(méi)有了傳統材料測試技術(shù)的一些缺陷。
線(xiàn)性馬達設計有著(zhù)以下材料測試優(yōu)勢：
◆ 負荷范圍（從毫微牛頓到最高可達6000牛頓）和行程范圍（毫微米到25毫米）覆蓋了材料測試需要的大部分區域；
◆ 很高的馬達輸出力，加上低磁鐵質(zhì)量，意味著(zhù)加速度最高可達1500米/平方秒，頻率超過(guò)400赫茲，速度高于3米/秒；
◆ 優(yōu)異的動(dòng)態(tài)性能，加上無(wú)摩擦阻力的撓性懸掛系統，提供優(yōu)異的保真度和準確性；
◆ 線(xiàn)性馬達高度節能，因為電能是與所需負荷成正比（無(wú)需氣壓源或油壓源，而且沒(méi)有機械摩擦損失）；
◆ 沒(méi)有密封件或軸承的摩擦磨損，沒(méi)有活動(dòng)部件和浮動(dòng)磁頭，線(xiàn)性馬達已證實(shí)具有特別優(yōu)異的耐用性，運轉150億周期以上未出現故障或進(jìn)行維修。無(wú)需維護、更換油或濾清器。
活動(dòng)電磁馬達是如何工作的？
圖1是活動(dòng)電磁馬達的一個(gè)簡(jiǎn)單圖示?；顒?dòng)電磁馬達的磁性部分由三個(gè)基本元素組成：磁鐵、線(xiàn)圈和磁心。磁鐵左右移動(dòng)，而線(xiàn)圈和磁心保持靜止。 
為了滿(mǎn)足測試市場(chǎng)的需要，Bose公司在活動(dòng)磁鐵馬達上使用了最新技術(shù)的含釹鐵硼（NdFeB）磁鐵。描述此功能的一個(gè)簡(jiǎn)單方法就是把磁心和線(xiàn)圈組合看作一個(gè)隨電流產(chǎn)生北極和南極的電磁。施加電流時(shí)，磁鐵的適當極相互吸引或排斥，產(chǎn)生力。電流越強，產(chǎn)生的力就越大。
磁鐵是如何懸掛在間隙中？
為了使馬達性能保持最佳，磁鐵和磁心之間的間隙和磁鐵厚度比必須非常小。機械懸掛可實(shí)現許多重要功能。首先，懸掛允許磁鐵沿著(zhù)所需的軸向路徑移動(dòng)，且阻力最小。第二，懸掛使得磁鐵不會(huì )與磁心表面發(fā)生碰撞。和磁心接觸會(huì )產(chǎn)生不希望有的摩擦和馬達的非線(xiàn)性行為。
為了滿(mǎn)足這些要求，Bose公司創(chuàng )造了低質(zhì)量的撓性懸掛系統，無(wú)摩擦、無(wú)限壽命，橫向剛性高、而軸向剛性低。懸掛采用特殊的不銹鋼合金制成，具有優(yōu)異的疲勞性能，已證實(shí)在超過(guò)150億周期時(shí)仍然有效。
撓性設計帶來(lái)的一個(gè)額外好處是撓曲在主軸的橫向和扭矩方向可抵抗負荷，從而可以經(jīng)濟地完成樣品的多軸測試，不會(huì )損害線(xiàn)性馬達、密封件和軸承的摩擦效果。
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