电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及测量塑料材料动态拉伸力学性能领域，特别是涉及一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统和方法。
【背景技术】
[0002]电磁式塑料材料高速动态拉伸机是测量塑料材料动态拉伸力学性能的重要测试测量设备。目前，国际上对于应变率在0.0ls 1以下和100s 1以上的材料的试验技术已经相当成熟，但是测量应变率在0.1-1OOs 1范围内的材料的动态拉伸力学特性仍然相当困难。导致该难题的原因主要有二:其一是由于超出了霍普金森杆适用的范围(1000s 1Wl);其二是因为当前的静态拉伸机存在能量激发和横梁保持等一系列困难，无法满足此范围的测量要求。但是对于塑料材料而言，应变率在0.1-100S 1范围内的动态力学性能尤其受到工业应用领域的关注，常常被作为塑料材料产品开发的重要参考依据，例如在车辆内饰件、安全气囊等方面的应用。
【发明内容】
[0003]针对现有技术的不足，本发明提供了一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统和方法，能够真实反映塑料材料在0.1-1OOs-1范围内的动态力学性能。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统，包括机械结构子系统，夹持子系统，拉伸子系统，动力控制子系统，动力子系统，保护子系统以及测量子系统，以所述机械结构子系统为结构框架，其他子系统固设于机械结构子系统之上，通过夹持子系统夹持固定试样后，由动力控制子系统控制动力子系统驱动拉伸子系统工作，实现试样的拉伸，再由测量子系统实现拉伸过程中试样的应力应变动态采集，保护子系统主要用来加快直线电机减速过程和吸收动子动能，避免试样拉断后动子做自由落体运动与下面机构发生碰撞，损坏动子。
[0005]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，机械结构子系统包括底座，固设于底座部件之上的型材框架和正面开口的铝制外框架，对称竖直固设于直线电机定子外框架部件内腔中的磁轴，竖直固设于直线电机定子外框架部件内腔中并与内腔背面贴合的滑轨，以及横向对称固设于型材外框架顶端的横梁，横跨固设于横梁中心的顶梁。
[0006]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，动力子系统包括贯穿于磁轴与其形成移动副并且背部与滑轨相配合形成移动副的直线电机动子框架部件，以及嵌入其型体空腔内的磁轴式直线电机。
[0007]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，拉伸子系统包括固设于直线电机动子框架部件上端面中心的拉杆，与拉杆同轴固连于拉杆上部的碰撞块。
[0008]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，夹持子系统包括与拉杆同轴相连于碰撞块的下夹头部件，以及固设于顶梁下部中心的上夹头部件。
[0009]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，动力控制子系统包括与动力子系统通过电线连接的外设的电源，伺服驱动器，测控平台机箱，显示器以及开关。
[0010]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，测量子系统包括固设于铝制外框架上的高速相机和固设于夹持子系统上的力传感器和力放大器。
[0011]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，保护子系统包括固设于直线电机定子外框架部件底部中心的缓冲装置。
[0012]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，下夹头部件下端与碰撞杆通过螺纹连接。
[0013]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，碰撞杆包括圆柱形的上杆和从所述上杆的底部轴向延伸且直径逐渐增大的圆台形的下杆。
[0014]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验系统中，拉杆和碰撞块具有容置所述碰撞杆的半封闭的空腔，空腔包括位于碰撞块中的同轴设置的圆柱形的上部空腔和圆台形的中部空腔以及位于拉杆中的圆柱形的下部空腔，其中，上部空腔的直径略大于碰撞杆的上杆的直径，所述中部空腔的形状与所述碰撞杆的下杆配合，而下部空腔的直径略大于碰撞杆的下杆的直径。
[0015]一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法，包括如下步骤:
1)准备样板，铣制样条；
2)喷涂样条的标距标示点；
3)采用高速相机拍摄装在夹具位置的标定板；
4)取下标定板，装夹样条；
5)执行拉伸机控制程序的操作，完成样条拉伸的操作，获得力值对时间的曲线数据，同时执行高速相机外部触发拍摄的操作，完成样条拉伸的高速摄像，获得拉伸过程的高速摄像；
6)获得拉伸过程力值对应变的曲线；
7)取下样条，试验结束。
[0016]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法中，步骤I)中试验样条采用塑料材料，如型号为PP-EPDM-T15的polo，形状为哑铃状，试件尺寸厚度X宽度为2.98X4.02mm。
[0017]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法中，步骤2)中喷涂样条的标距标示点，具体为在样条中部喷涂两个轴向标距为1mm的圆形小点。
[0018]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法中，步骤3)中高速相机拍摄装在夹具位置的标定板，通过拍摄标定点之间的距离，将位移转换为像素值，计算后得到应变值。
[0019]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法中，步骤4)中利用动力控制子系统控制动力子系统以驱动拉伸子系统，从而带动下夹头从铝制外框架的底部开始向上运动至指定位置后，夹持子系统通过两个夹头夹持试件两头实现夹持。
[0020]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法中，步骤5)中样条拉伸的步骤为:利用动力控制子系统中的伺服驱动控制器；设定设计速度与设计高度；启动拉伸，动力子系统中的直线电机开始工作，进入拉伸状态；根据拉伸子系统的结构特点，开始为加速阶段，拉伸速度V〈300mm/s为低速加速模式，而拉伸速度V ^ 300mm/s为高速加速模式，此段动力子系统带动拉杆做空行程运动；当拉伸速度达到设计速度后进入匀速阶段，动力子系统与拉杆带动下夹头部件一起运动，拉断试件；当直线电机距离试验机底座高度H〈设计高度时，进入一级减速阶段；当H〈30mm或V〈300mm/s时，进入二级减速阶段；当H〈15mm时，拉伸结束。
[0021]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法中，步骤5)中测试子系统通过试件拉伸时传感器石英晶体之间的距离变化来引起电荷偏移，经过滤波放大后，根据电荷偏移量与电压之间关系，得到输出电压，经A/D转换得到应力实现步骤5)过程中的力值实时采集。
[0022]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法中，步骤5)中样条拉伸高速摄像的步骤为:当人工启动拉伸机时触发高速相机快门；相机对样条进行高速摄像，其采样频率为5000帧/秒；当直线电机距离试验机底座高度H〈15mm时触发拉伸结束开关，高速相机停止摄像。
[0023]进一步地，在本发明提供的一种电磁式塑料材料高速动态拉伸机的试验方法中，步骤5)中应变采集通过图像处理技术完成标距点位移提取和拟合功能，首先对采集到的图像进行灰度化和噪音处理，确定图像处理区域；然后经过边缘检测、二值化处理、形态