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塑料力學(xué)性能檢測用上海湘杰材料試驗(yàn)機(jī)的分析及選型

發(fā)布時(shí)間：2015/7/18 16:17:51 閱讀次數(shù)：1007下載資料

概要：簡述了塑料力學(xué)性能檢測用材料試驗(yàn)機(jī)和功能附件的選型方法，以及目前先進(jìn)電子萬能試驗(yàn)機(jī)的主要性能特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：塑料試驗(yàn)機(jī) 特點(diǎn) 選型控制
隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新型材料層出不窮，尤其是高分子材料在近幾年有了飛速的發(fā)展。塑料作為其重要部分，各種性能有了顯著的提高，在某些領(lǐng)域已經(jīng)有了取代木材、金屬材料的趨勢。為了使塑料材料及其制品能夠安全可靠的使用，對其進(jìn)行性能檢驗(yàn)是非常有必要的，其中力學(xué)性能檢驗(yàn)是最重要的檢驗(yàn)之一。
一、塑料的特點(diǎn)
1、種類多、性能差異大塑料的化學(xué)成分復(fù)雜且種類多，生產(chǎn)過程、加工工藝各不相同，除了其理化生物指標(biāo)不同外，力學(xué)性能差異也很大，例如電木類樹脂質(zhì)地堅(jiān)硬，泡沫塑料柔軟，玻璃鋼強(qiáng)度很大，塑料薄膜強(qiáng)度很小，硬質(zhì)塑料延展性很差，軟質(zhì)塑料延展性很好等等。
2、用途廣、要求不同目前塑料是用途最廣泛的材料之一，應(yīng)用領(lǐng)域幾乎伸展到各行各業(yè)，從日常生活用品到航空航天各類尖端技術(shù)領(lǐng)域都有它的用武之地。由于用途與工作環(huán)境的不同，塑料制品在使用中所需的力學(xué)性能也會有不同的要求。
二、塑料力學(xué)性能檢測的特點(diǎn)
1、檢驗(yàn)內(nèi)容多
由于塑料的種類繁多，應(yīng)用的場合千差萬別，所關(guān)注的力學(xué)性能指標(biāo)也不盡相同，常見的有拉伸、彎曲、壓縮、剪切、剝離、沖擊、爆破、撕裂、摩擦系數(shù)、維卡軟化溫度、熔體流動速率、扭轉(zhuǎn)等性能指標(biāo)的檢驗(yàn)，其中每一種性能檢驗(yàn)都包含了許多規(guī)定的檢驗(yàn)項(xiàng)目。 2、涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多
與金屬材料相比，塑料的力學(xué)性能檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)非常多，據(jù)粗略的統(tǒng)計(jì)，大約不下幾十種。除了不同性能指標(biāo)具有不同的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)外，對于不同類型的塑料，同一種力學(xué)性能的檢驗(yàn)亦有不同的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如：拉伸試驗(yàn)就有GB 1040塑料拉伸試驗(yàn)方法；GB 13022塑料薄膜拉伸試驗(yàn)方法；GB 8804.1、GB 8804.2熱塑性管材拉伸性能試驗(yàn)方法；GB/T6344軟質(zhì)泡沫聚合物材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的測定；GB 1447玻璃纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法等眾多的標(biāo)準(zhǔn)。
3、材料性能檢測所需的試驗(yàn)設(shè)備
綜合目前試驗(yàn)機(jī)的功能，實(shí)現(xiàn)塑料常見力學(xué)性能的檢驗(yàn)，約需如下種類的材料試驗(yàn)機(jī)：（1）、萬能材料試驗(yàn)機(jī)；（2）、擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)；（3）落錘沖擊試驗(yàn)機(jī)；（4）、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)；（5）維卡軟化點(diǎn)溫度試驗(yàn)機(jī)；（6）熔體流動速率儀；（7）管材耐壓爆破實(shí)驗(yàn)機(jī)；（8）高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱等。由于（2）－－-（8）類試驗(yàn)機(jī)的功能單一，目標(biāo)明確，基本不可擴(kuò)展使用，選型都很簡單。而（1）類試驗(yàn)機(jī)功能強(qiáng)大，種類繁多，性能差異很大，擴(kuò)展配置又很多，通過增配不同的附件，可滿足材料絕大多數(shù)不同標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求。因此下面就這一類材料試驗(yàn)機(jī)的性能特點(diǎn)做一個分析，以方便應(yīng)用選型。
4、材料試驗(yàn)機(jī)的基本要求
對于最常用的萬能材料試驗(yàn)機(jī)，塑料力學(xué)性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求控制方式基本為速度控制，且針對不同性能的塑料，與不同的試驗(yàn)方法要求的試驗(yàn)速度差別很大。如GB 1447《玻璃纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》規(guī)定的速度低至2mm/min，而GB 13022《塑料薄膜拉伸試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)速度高至500mm/min。就目前我們所接觸到的實(shí)際情況比這還寬，最低達(dá)到了0.01mm/min，最高達(dá)到了1000mm/min。對于拉伸行程，由于塑料延展性的差異很大，如電木類樹脂延伸率只有百分之幾，而對于一些軟塑料可達(dá)百分之幾千，為了兼容多種材料的需求，一般要求試驗(yàn)機(jī)的行程應(yīng)在800mm以上。對于試驗(yàn)機(jī)的力值，除特殊情況（如玻璃鋼）以外，一般不會超過10KN。
三、常見電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)
1、常規(guī)電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)
該類試驗(yàn)機(jī)是當(dāng)今萬能材料試驗(yàn)機(jī)的主流產(chǎn)品，它以伺服電機(jī)作為動力源，絲杠、絲母作為執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)移動橫梁的速度控制，它操作簡單，對試驗(yàn)員的要求不高，試驗(yàn)行程可按需要任意定制，雖然控制方式較為單一，只有速度一種控制方式，但其控制精度和控制范圍很高很寬。以我公司XJ830電子萬能試驗(yàn)機(jī)為例，其速度調(diào)整范圍可達(dá)0.001mm/min～1000mm/min，無級調(diào)速，控制精度可達(dá)0.5級，小噸位機(jī)型很容易實(shí)現(xiàn)。如做摩擦系數(shù)時(shí)，滿值負(fù)載只有5N。它具有極大的配置靈活性，可按需要增配不同噸位的傳感器、夾具、附件實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，完成拉、壓、彎、剪、剝離、撕裂、摩擦系數(shù)等功能�？v觀塑料力學(xué)性能檢驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對試驗(yàn)機(jī)的控制方式的要求幾乎都為速度控制，因此無論從控制方式還是速度范圍、試驗(yàn)行程及試驗(yàn)機(jī)的噸位看，該類機(jī)型都是塑料力學(xué)性能檢驗(yàn)的首選。
2、三閉環(huán)電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)
該類試驗(yàn)機(jī)具有常規(guī)電子萬能類試驗(yàn)機(jī)的速度范圍寬，試驗(yàn)行程大，配置靈活的特點(diǎn)，又具有電液伺服類試驗(yàn)機(jī)對力、位移、變形控制的優(yōu)點(diǎn)。因而是性能較好的一種試驗(yàn)機(jī)。但由于做力控制與變形控制時(shí)機(jī)器穩(wěn)定性與主機(jī)的剛性、試樣的剛性有密切的關(guān)系。一般塑料用試驗(yàn)機(jī)噸位較小，因此主機(jī)剛性較低，且試樣本身的剛性也不會太大，所以該類試驗(yàn)機(jī)很少有10KN以下的機(jī)型，而10KN以下機(jī)型卻是塑料類最常用的。前面說了該類機(jī)型的穩(wěn)定性與試樣有關(guān)，若試樣單一；試驗(yàn)方法也較為單一；還可選用，否則就需要隨時(shí)調(diào)整試驗(yàn)機(jī)的控制參數(shù)（亦即常規(guī)的P、I、D參數(shù)），這對非自動控制專業(yè)的試驗(yàn)員來說，幾乎是很難想象的事。因此從整體看，除對控制方式有特定的要求，還不易選擇做塑料材料的試驗(yàn)。
3、簡易電動拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)
由于塑料拉伸強(qiáng)度是塑料力學(xué)性能檢驗(yàn)的一個非常重要的指標(biāo)，在前些年，塑料種類還不是很多，應(yīng)用也不是非常廣的時(shí)期，塑料的力學(xué)性能檢驗(yàn)項(xiàng)目還較為單一，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)也不是很完善。這時(shí)期一種結(jié)構(gòu)非常簡單，用途非常單一，性能指標(biāo)非常欠缺，但價(jià)格很低廉的單一用途以電機(jī)作為動力源的拉伸試驗(yàn)機(jī)俗稱“電拉”被廣為使用。顧名思義它只能用來做單一的拉伸試驗(yàn)，并且所能處理的數(shù)據(jù)非常有限，控制測量精度也相對較低，現(xiàn)在雖然在某些場合依然有所使用，但因其功能比較單一，已經(jīng)逐漸為市場所淘汰。
4、電液伺服萬能材料試驗(yàn)機(jī)
該類試驗(yàn)機(jī)是目前性能比較好的一種試驗(yàn)機(jī)，由于它采用電液伺服控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)力、位移、變形閉環(huán)控制，具有良好的控制性能。目前在金屬、建筑材料等需要恒應(yīng)力、恒應(yīng)變及需要進(jìn)行蠕變試驗(yàn)場合使用較多，但由于受油源流量的限制，他的試驗(yàn)速度較低。為了增大系統(tǒng)剛度，確保閉環(huán)控制的穩(wěn)定運(yùn)行，該類試驗(yàn)機(jī)的行程較小，且操作復(fù)雜，擴(kuò)展配置較為困難，10KN以下機(jī)型很少，因此不太適合塑料橡膠類材料的試驗(yàn)。
5、手動液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)
該類試驗(yàn)機(jī)是試驗(yàn)機(jī)家族的“始祖”，它有著悠久的歷史，使用簡單，價(jià)格低廉，噸位較大。顧名思義，手動液壓表明了它為開環(huán)控制，性能不好，操作過程完全依賴于操作者的操作水平。另外，由于它的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓加載原理決定了它的加載速度，試驗(yàn)行程較小。目前該類試驗(yàn)機(jī)的最小機(jī)型為50KN，因此它的小載荷測量精度很低，擴(kuò)展配置能力很差，一般只在進(jìn)行結(jié)構(gòu)部件試驗(yàn)或簡單的材料性能試驗(yàn)時(shí)使用，如連接部件的拔脫，鋼筋的拉伸強(qiáng)度等場合。
四、常用的電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)
1、主機(jī)方面
1）、多種外形結(jié)構(gòu)，可供不同需求的用戶靈活選擇；
2）、性能優(yōu)異的機(jī)械傳遞系統(tǒng)，采用同步圓弧齒型帶減速機(jī)構(gòu)，高精度的滾珠絲杠作為力的傳遞環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了長壽命、低噪音、高效率的平穩(wěn)運(yùn)行；
3）、驅(qū)動系統(tǒng)，采用日本松下交流伺服電機(jī)及其配套的伺服控制器作為動力源，具有無碳刷、壽命長、免維護(hù)防爆的特點(diǎn)；
4）、極其靈活的外圍配置，除主傳感器以外，還可擴(kuò)展數(shù)只不同量程的傳感器，并有大變形、小變形、扭轉(zhuǎn)、摩擦等附件及上百種不同類型的夾具可供選擇，以滿足不同類型的試驗(yàn)需求。
2、控制器方面
1）、完善的操作控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自主操作控制完成試驗(yàn)，也可與計(jì)算機(jī)配套操作，增強(qiáng)其功能。自主操作時(shí)界面為漢字界面，簡單易懂，并可顯示各類參數(shù)及結(jié)果曲線，且能夠打印漢字報(bào)告及曲線報(bào)告；
2）、極寬的速度控制范圍，由于采用鎖相環(huán)數(shù)字脈沖控制技術(shù)，其速度可達(dá) 0.001mm/min～1000mm/min（高速與主機(jī)噸位有關(guān)）；
3）、目前國內(nèi)單一配置測量范圍最寬，其有效的使用范圍可達(dá)0.2%～100%，最小分辨率五十萬分之一，真正實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用；
4）、模擬放大器采用多通道方案，為擴(kuò)展配置提供了先決條件；
5）、方便、實(shí)用功能強(qiáng)大的可移動操作盒，不但能實(shí)現(xiàn)多種速度的橫梁移動控制，還可隨時(shí)切換控制方式，使其在常動與點(diǎn)動方式間自由切換。當(dāng)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)使用時(shí)，可直接啟動計(jì)算機(jī)完成試驗(yàn)。
3、應(yīng)用軟件
1）、簡單明了的操作界面，無論操作員計(jì)算機(jī)水平如何，都可很方便的使用；
2）、試驗(yàn)結(jié)果的自主選取與自主添加功能；
3）、用戶自定義功能，可滿足不同情況下的試驗(yàn)要求，如定義彈性區(qū)間，定義壓縮比，定義試驗(yàn)結(jié)束條件，定義修約規(guī)則，定義定伸長應(yīng)力，定義定應(yīng)力伸長等等；
4）、手動計(jì)算結(jié)束參數(shù)，對于一些自動計(jì)算較為困難的參數(shù)，如不明顯直線段試樣的彈性模量的計(jì)算，可采取人工處理的方式；
5）、原始參數(shù)的開放性，這對于新材料的研究與教學(xué)是非常有用的； 6）、試驗(yàn)報(bào)告具有用戶自編輯功能；
7）、曲線的任意縮放、讀點(diǎn)功能；
8）、配合操作盒可實(shí)現(xiàn)一鍵式試驗(yàn)功能，極大的降低了試驗(yàn)人員的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。
4、性能參數(shù)的求取
由于近年廣泛采用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，及液晶顯示技術(shù)使得電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)無論單獨(dú)使用還是與計(jì)算機(jī)配套使用，都具有強(qiáng)大性能參數(shù)處理能力。當(dāng)與計(jì)算機(jī)配套使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)要求的參數(shù)處理能力。對于特定的用戶，通過編制專用試驗(yàn)軟件，還可實(shí)現(xiàn)常規(guī)靜力學(xué)性能以外的力學(xué)性能要求，如往復(fù)性能試驗(yàn)、高速拉伸、高速壓縮、高低溫松弛、高低溫蠕變等的試驗(yàn)要求。即使不配計(jì)算機(jī)，單獨(dú)使用自身的控制器亦具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，如求取最大力、強(qiáng)度極限、屈服力、屈服強(qiáng)度、非比例變形應(yīng)力、斷裂力、斷裂強(qiáng)度、斷裂變形、1～5點(diǎn)的定載荷變形、1～5點(diǎn)的定變形載荷、平均力值（用來求取剝離、撕裂、動摩擦系數(shù)）等參數(shù)，還可通過自身液晶顯示器顯示試驗(yàn)曲線，進(jìn)行性能的趨勢分析等。五、試驗(yàn)機(jī)的配置前面說了塑料的種類千差萬別，性能差異很大，因此很難有一個標(biāo)準(zhǔn)配置，但就一個特定的試驗(yàn)機(jī)用戶而言他所接觸到的材料類型總是有限的，但還是有一些基本規(guī)律可尋。
1、主機(jī)噸位選擇
1）如果試驗(yàn)材料全部為塑料薄膜，則可選5KN以下機(jī)型；
2）如果試驗(yàn)材料為板材、棒材，一般可選20KN以下機(jī)型；
3）如果試驗(yàn)材料為玻璃鋼等高強(qiáng)度材料，一般可選50KN或100KN機(jī)型；
4）如果以上各種材料都有，建議選用50KN或100KN機(jī)型，并增配一到兩只小噸位傳感器即可滿足試驗(yàn)要求。
2、試驗(yàn)夾具
夾具是電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)的一個非常重要的部分，各種不同類型的試驗(yàn)都是通過它來實(shí)現(xiàn)的，它的性能的好壞直接決定了試驗(yàn)的結(jié)果的優(yōu)劣。一般每個試驗(yàn)機(jī)廠家都備有大量的各種專用夾具可供選用，常見的用于塑料力學(xué)性能試驗(yàn)的有：
（1）穿孔法塑料剪切夾具
（2）表面結(jié)合強(qiáng)度測量夾具
（3）彎曲夾具
（4）塑料編織物拉伸夾具
（5）薄膜類拉伸夾具
（6）頂破夾具
（7）繩類拉伸夾具
（8）線材類拉伸夾具;
（9）壓縮類夾具；
（10）板材、棒材類拉伸夾具；
（11）氣動類拉伸夾具等多種不同用途的夾具，而每一種用途的夾具都具有多種型號和種類，它們結(jié)構(gòu)原理差異很大，各自具有不同的特點(diǎn)。如果自己不能確定可將各種試樣提交廠家，由其試驗(yàn)決定或?qū)ｉT設(shè)計(jì)。
3、變形測量
變形測量是塑料力學(xué)性能檢測的一個非常重要的項(xiàng)目，它與許多非常重要的指標(biāo)有關(guān)，如彈性模量、彈性區(qū)間、延伸率、定伸長應(yīng)力、定應(yīng)力伸長、彎曲撓度、壓縮比等等。目前電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)有三種手段測量變形：位移、引伸計(jì)、大變形，它們各有特點(diǎn)，使用范圍和使用目的都各不相同，簡單來說：
1）位移：主要用來測試壓縮、彎曲類試驗(yàn)及薄膜類的變形。
2）引伸測量計(jì)：主要用來測試材料的拉伸彈性模量，及延伸率很小的硬質(zhì)塑料的延伸率等。
3）大變形：主要用來測試軟質(zhì)塑料延伸率、定伸應(yīng)力、定應(yīng)力伸長等。
4、摩擦裝置：主要用來測試塑料的摩擦系數(shù)，一般塑料薄膜使用較多。
5、扭轉(zhuǎn)裝置：主要用來測量硬質(zhì)塑料的扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能，一般扭矩不大于100NM，若扭矩大于100NM，應(yīng)使用專用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)。
6、高強(qiáng)度塑料泊松比的測定
由于泊松比測量最少需同時(shí)處理三個參數(shù)：力、橫向變形、縱向變形（位移等參數(shù)可能與控制有關(guān)，但與求泊松比無關(guān)）。
因此，在定購這類試驗(yàn)機(jī)時(shí)要注意：橫向變形與縱向變形引伸計(jì)結(jié)構(gòu)不同；大部分試驗(yàn)機(jī)廠家無法同時(shí)處理這三種參數(shù)。總之，采用上述方法可有效的對塑料力學(xué)性能檢測用材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行分析和選型。

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