彈性材料的動(dòng)態(tài)測(cè)試
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時(shí)間：2013-09-13
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液壓伺服測(cè)試系統(tǒng)一直被用于測(cè)試彈性組分，其高負(fù)載能力和較長(zhǎng)的行程非常適用于測(cè)量各組分的行為，但這種技術(shù)用于表征基礎(chǔ)材料時(shí)也有缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的DMA/DMTA測(cè)試系統(tǒng)是第二選擇，但它們?nèi)狈Ρ碚鞣蔷€(xiàn)性彈性體，如充氣輪胎用途和隔振設(shè)備所需的負(fù)荷和行程范圍。
一種新型電磁技術(shù)對(duì)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(jī)械分析、應(yīng)力松馳、蠕變、超彈性、高周疲勞還是龜裂增長(zhǎng)試驗(yàn)，此新技術(shù)的性能范圍都可保證模型能預(yù)測(cè)真實(shí)世界的行為。
以往的觀點(diǎn)
正如上面提到的那樣，現(xiàn)有兩種技術(shù)用于彈性材料的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。每種技術(shù)都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，因此有著各自適合的細(xì)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(yùn)動(dòng)。
液壓系統(tǒng)，類(lèi)似MTS系統(tǒng)和Instron，可提供很寬的頻率范圍（靜態(tài)到1000赫茲）和較高的負(fù)荷（10000牛頓或更高）。這些能力結(jié)合在一起使得這項(xiàng)技術(shù)成為動(dòng)態(tài)測(cè)試的常規(guī)選擇。
不過(guò)，液壓系統(tǒng)非常昂貴，而且它有許多活動(dòng)部件和密封件，維護(hù)費(fèi)用高。另外，其能源成本也很高，因?yàn)楸帽仨氝B續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，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(yīng)用時(shí)由于摩擦，傳動(dòng)裝置的側(cè)向負(fù)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(tǒng)類(lèi)似的系統(tǒng)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(yùn)動(dòng)。它們已被廣泛用于各種測(cè)試條件下聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的測(cè)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(tǒng)非常節(jié)能：不過(guò)大多使用空氣軸承，會(huì)需要一個(gè)氣壓源。負(fù)荷范圍寬（從毫微牛頓到幾百牛頓），但是大多數(shù)用于材料測(cè)試的系統(tǒng)都限制在40牛頓或更低的最大負(fù)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(tǒng)校準(zhǔn)（機(jī)械、空氣軸承或隔膜）的系統(tǒng)通常需要維護(hù)，以保證最佳性能，但維護(hù)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(dāng)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(dá)
Bose公司在電磁、材料科學(xué)和運(yùn)動(dòng)控制方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，它使用活動(dòng)線(xiàn)圈馬達(dá)設(shè)計(jì)（例如聲轉(zhuǎn)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(dá)，它在動(dòng)態(tài)材料性能測(cè)試時(shí)的能力要高得多，而且沒(méi)有了傳統(tǒng)材料測(cè)試技術(shù)的一些缺陷。
線(xiàn)性馬達(dá)設(shè)計(jì)有著以下材料測(cè)試優(yōu)勢(shì)：
◆ 負(fù)荷范圍（從毫微牛頓到最高可達(dá)6000牛頓）和行程范圍（毫微米到25毫米）覆蓋了材料測(cè)試需要的大部分區(qū)域；
◆ 很高的馬達(dá)輸出力，加上低磁鐵質(zhì)量，意味著加速度最高可達(dá)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(tǒng)，提供優(yōu)異的保真度和準(zhǔn)確性；
◆ 線(xiàn)性馬達(dá)高度節(jié)能，因?yàn)殡娔苁桥c所需負(fù)荷成正比（無(wú)需氣壓源或油壓源，而且沒(méi)有機(jī)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(dá)已證實(shí)具有特別優(yōu)異的耐用性，運(yùn)轉(zhuǎn)150億周期以上未出現(xiàn)故障或進(jìn)行維修。無(wú)需維護(hù)、更換油或?yàn)V清器。
活動(dòng)電磁馬達(dá)是如何工作的？
圖1是活動(dòng)電磁馬達(dá)的一個(gè)簡(jiǎn)單圖示?；顒?dòng)電磁馬達(dá)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。
磁鐵是如何懸掛在間隙中？
為了使馬達(dá)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(jī)械懸掛可實(shí)現(xiàn)許多重要功能。首先，懸掛允許磁鐵沿著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(dá)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(tǒng)，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(shè)計(jì)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(fù)荷，從而可以經(jīng)濟(jì)地完成樣品的多軸測(cè)試，不會(huì)損害線(xiàn)性馬達(dá)、密封件和軸承的摩擦效果。
評(píng)論