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包装冲击试验机及专用虚拟仪器研究 摘要 目前在国外，缓冲材料的性能测试早已形成了一系列标准化，而我国这 方面起步较晚，虽然现在也形成了一定的规模和标准化，但是与之相配套的 软件和完善的测试平台很少，试验机的自动化程度比较低。市场上出现最多 的冲击跌落试验机都主要是针对产品测试的，即用于测试运输包装件所能承 受的冲击力和对内装物的保护能力。因此开发研制缓冲材料冲击试验机不仅 可以填补国内材料动态压缩试验机的空白，且增加了产品脆值测试功能，拥 有很高的性价比。 本课题针对缓冲材料测试和脆值测试要求，对包装冲击试验机做详细的 研究，并对机械结构部分、控制部分、虚拟仪器部分进行了详细的研究分析 和设计。 首先研究了缓冲材料动态压缩试验、脆值试验原理和试验方法，对试验 机整体机械结构进行整体设计，改进跌落滑台和增压缸，增加了测速功能， 减少试验误差，通过采集卡和电气控制设计提高试验自动化程度和实现自动 跌落及制动，最后采用l a b v i e w 开发的数据处理软件对试验数据进行后处 理。 缓冲材料的动态压缩试验和产品的脆值试验主要是在一套测试系统中 完成的，它由缓冲材料冲击试验机、电气控制系统、数据采集系统和数据处 理系统组成。通过使用位移传感器测量试验跌落高度，使用直流牵引电磁铁 推动机械钩脱钩，重新设计的滑台外形美观重量轻便，可以快速装卸砝码或 固定小型产品以适应不同实验用途。采用内置增压缸实现气液制动，防止滑 台二次跌落。采用关电开关和u s b 2 0 1 0 数据采集卡实现测速和电气控制。 开发了与试验机配套的交互友好界面的虚拟测试仪器，由软件控制自定义跌 落高度减少了试验中人工干预，可以显示动态压缩过程中冲击加速度一时间 曲线，速度变化一时间曲线，动态压缩过程中材料压缩位移一时间曲线的计 算、显示功能。根据需要可显示各次试验冲击脉冲的冲击谱。采用广义最小 二乘法拟合最大加速度一静应力曲线、缓冲系数一最大静应力曲线，提高了 试验数据拟合精度。 冲击试验机设计能够满足目前试验要求，操作更简便，性能优越，测量 准确，提高了缓冲材料的动态压缩试验和产品脆值试验的效率和精度，确保 采样后绘制的最大加速度一静应力曲线的准确性和可靠性。开发了与冲击试 验机相配套的测试分析系统，实现了数据处理自动化，自动完成试验结果分 析计算和曲线拟合，免去以往复杂的数据处理过程，达到了设计目的。 关键词：冲击试验机，动态压缩，脆值，制动，采集卡，传感器，数据处理， l a b v i e w l l p a c k a g ei m p a c tt e s t i n gm a c h i n e & e s p e c i a l l y r t u a li n s t r u m e n tf o r i 江s e a r c h a b s t r a c t c u r r e n t l ya b r o a d ，t h eb u f f e rm a t e r i a lp r o p e r t i e st e s t i n gh a sb e e nf o r m e da s e r i e so fs t a n d a r d s ，b u ti nc h i n ai ts t a r t e dl a t e ri nt h i sa r e a ，a l t h o u g hi tn o wa l s o h a sf o r m e dac e r t a i ns c a l ea n ds t a n d a r d i z a t i o n , t h ec o r r e s p o n d i n gs u p p o r t i n g s o f t w a r ea n dw e l l t e s t e dp l a t f o r ma r ev e r yf e w ，a n dt h et e s t i n gm a c h i n eh a sl o w d e g r e eo fa u t o m a t i o n p p e a r i n go nt h em a r k e tt h em o s ti m p a c td r o pt e s tm a c h i n e s m a i n l yf o rp r o d u c tt e s t i n g ，w h i c ha r eu s e d t ot e s tt h ei m p a c to f t r a n s p o r tp a c k a g e c a nb e a ra n dt h ea b i l i t yo fp r o t e c t i n gt h ec o n t e n t s t h e r e f o r ed e v e l o p e dt h e b u f f e rm a t e r i a li m p a c tt e s t i n gm a c h i n ec a nn o to n l yf i l lt h ed y n a m i cc o m p r e s s i o n t e s t i n gm a c h i n eo ft h eg a p s ，a d dt h ef u n c t i o no ft h ep r o d u c tf r a g i l i t ya n dh a v ea h i g hp r i c ea d v a n t a g e t h i ss u b je c tf o rb u f f e rm a t e r i a lt e s t i n ga n df r a g i l i t yt e s t i n gr e q u i r e m e n t si n o r d e rt om a k ead e t a i l e ds t u d ya b o u tt h ep a c k a g ei m p a c tt e s t i n gm a c h i n e ，s o m e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，c o n t r o ld e v i c e ，t h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa l s oh a sad e t a i l e d s t u d y ，d e s i g na n dd e e pa n a l y s i s f i r s t l yh a v i n gs t u d i e dt h ec u s h i o n i n gm a t e r i a ld y n a m i cc o m p r e s s i o nt e s t ， f r a g i l i t y t e s t p r i n c i p l e sa n di t s t e s tm e t h o d s ，c o m p r e h e n s i v e l yd e s i g n i n gt h e m e c h a n i c a lt e s t i n gm a c h i n eo v e r a l ls t r u c t u r e ，i m p r o v i n gt h ed r o ps l i d e ra n d p r e s s u r i z e dc y l i n d e r ，a d d e ds p e e dt e s tf u n c t i o n ，r e d u c i n gt e s te r r o r ，a n dt h r o u g h t h ea c q u i s i t i o nc a r da n dt h ee l e c t r i c a lc o n t r o ld e s i g ni m p r o v et h ed e g r e eo f a u t o m a t i o na n di m p l e m e n ta u t o m a t i c a l l yb r a k i n ga n df a l l i n g f i n a l l yu s et h e l a b v i e wd e v e l o p m e n to ft h ed a t a p r o c e s s i n gs o f t w a r eo nt h et e s td a t a t h eb u f f e rm a t e r i a l sd y n a m i cc o m p r e s s i o nt e s ta n dp r o d u c t sf r a g i l i t yt e s ti n i i i t h et r i a li sc o m p l e t e di nat e s ts y s t e m , w h i c hm a k e su pw i t ht h ec u s h i o n i n g m a t e r i a li m p a c tt e s tm a c h i n e s ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m , d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m s a n dd a t a p r o c e s s i n gs y s t e m m e a s u r et h et e s t i n gd r o ph e i g h tb yd i s p l a c e m e n t s e n s o r sa n du s et h ed ct r a c t i o nm a g n e tt om a k et h em e c h a n i c a lh o o kr e l e a s e t l l er e - d e s i g n e ds l i d e rh a sal i g h tb e a u t i f u ls h a p ea n di sc o n v e n i e n t ，w h i c hc a n q u i c k l yh a n d l ep r o d u c t sa n df i xs m a l le x p e r i m e n t a lp r o d u c t st oa d a p tt od i f f e r e n t u s e s t oa d a p tt oab u i l t - i ng a s l i q u i db r a k ec y l i n d e rp r e s s u r et op r e v e n tt h e s l i d e rs e c o n dd r o p t oa d a p tt os w i t c h e sa n du s b 2 010d a t aa c q u i s i t i o nc a r d a c h i e v e ss p e e dt e s ta n de l e c t r i c a lp r o c e s s i n g h a v i n gd e v e l o p e dv i r t u a lt e s t i n g e q u i p m e n tw i t hf r i e n d l yi n t e r a c t i v ei n t e r f a c ew h i c ha d a p t st ot h et e s t i n gm a c h i n e ， t h ea r t i f i c i a ls e t t i n gd r o ph e i g h tc o n t r o l l e db ys o f t w a r er e d u c e st h eh i g hd r o pt e s t m a n u a li n t e r v e n t i o n ，a n dc a ns h o wt h ep r o c e s so fd y n a m i cc o m p r e s s i o ns h o c k a c c e l e r a t i o n - t i m ec u r v e ，t h es p e e do fc h a n g e - t i m ec u r v e s ，d y n a m i cc o m p r e s s i o n i nt h e d i s p l a c e m e n to fc o m p r e s s i o n t h et i m eo fc a l c u l a t i o n 。t h ed i s p l a y f e a t u r e s i fy o uw a n t ，i tc a ns h o wt h a tt h ei m p a c to fp u l s et e s t st h ei m p a c to f s p e c t r u m ag e n e r a l i z e dl e a s ts q u a r e sf i tw i t ht h ea c c e l e r a t i o n s t a t i cs t r e s so ft h e b u f f e rf a c t o r - t h eb i g g e s tc u r v eo fs t a t i cs t r e s sa n di m p r o v et h ea c c u r a c yo ft e s t d a t af i t t i n g i m p a c tt e s t i n gm a c h i n ed e s i g n e dt om e e tc u r r e n tt e s t i n gr e q u i r e m e n t s ， o p e r a t i o nm o r ec o n v e n i e n t ，s u p e r i o rp e r f o r m a n c ea n da c c u r a t em e a s u r e m e n t s ， r a i s i n gt h eb u f f e rd y n a m i cc o m p r e s s i o nt e s tm a t e r i a l sa n dp r o d u c t sf r a g i l i t yt e s t t h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yt oe n s u r et h a tt h es a m p l ed r a w na f t e rt h eg r e a t e s t a c c e l e r a t i o n - s t a t i cs t r e s sc u r v ea c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t y a n dh a v i n gd e v e l o p e d t h et e s t a n a l y s i ss y s t e mw h i c ha d a p t st ot h et e s t i n gm a c h i n ea c h i e v e st h e a u t o m a t e dd a t ap r o c e s s i n g ，a u t o c o m p l e t er e s u l t so ft h ec a l c u l a t i o na n dc u r v e f i t t i n g t oa c h i e v et h eo b j e c t i v eo ft h ed e s i g n k e yw o r d s ：i m p a c tt e s t i n gm a c h i n e ，d y n a m i cc o m p r e s s i o n ，f r a g i l i t y ，t h eb r a k e ， c o l l e c t i n gc a r d s ，s e n s o r s ，d a t ap r o c e s s i n g , l a b v i e w i v 陕西科技大学硕士学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期2 q q 丛扬 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：。嫂导师签名：监日期：2 q q 经旦 包装冲击试验机及专用虚拟仪器研究 1 前言 1 1 国内外冲击试验机的研究现状及趋势 现今产品都在注重包装防护，产品在运输过程中的包装材料的防护性能是人们关注 的问题。为了能选择合适的包装材料，包装材料的性能测试就显得重要，特别是缓冲包 装材料的性能测试尤为重要i 】。 冲击试验机是用于对产品或非金属材料( 如塑料板材、管材、异型材、玻璃、陶瓷 以及各种复合材料等) 进行冲击试验，以评价产品或材料抗冲击性能的一种试验设备1 2 】。 1 9 4 6 年英斯特朗公司成功研制出世界上第一台闭环控制的电子万能材料试验机。五 十多年以来，随着科学技术的发展，不断有功能更完善的材料冲击试验机研制出来。微 机技术的发展促使数字化技术不断应用到试验机的研制中。到目前为止，美国、德国、 日本等国家的一些试验机制造公司不断推出一些数字化冲击试验机，数字化冲击试验机 具有准确数据采集和高速数据处理功能。与老式的非金属材料冲击试验机相比，它的优 点是把试验结果数字化，能够自动把测试数据存储在数据库里，测试的数据结果不仅可 供研究者定量分析材质优劣，还可以被设计者作为设计依据。因此从长远的发展角度来 看，数字化冲击试验机取代现在使用的老式试验机是必然趋势。 迄今为止，国外已经陆续推出一些数字化冲击试验机。国内的生产厂家也研制出一 系列的冲击试验机，但是绝大多数厂家只生产台体，只有很少的几个研制单位有相配套 的数据采集和处理系统软件。而且由于动态压缩试验和产品脆值试验的差异性，目前没 有任何厂家的一种冲击试验机能同时满足上述两类试验要求。国内包装测试仪器目前多 为模拟式仪器，功能单一，性能不高，人机交互功能不强，试验数据后处理和试验图表、 文件输出功能弱，且价格昂贵。而采用l a b v e i w 编程设计虚拟仪器来代替目前采用的 测试仪器，已经成为目前测试技术发展的主要方向，不仅可以节省测试设备的成本，缩 短研发周期，还可以将数据处理自动化【3 i 。 1 2 课题的目的和意义 在国外，缓冲材料的性能测试早已形成了一系列标准化，如日本的j - i sz 0 2 3 5 ，美国 的a s t md7 8 0 ，英国的n fh 0 0 0 3 4 等。我国这方面起步较晚，虽然现在也形成了一定 的规模和标准化，如g b t - 8 1 7 1 、g b t - 8 1 6 7 等，但是与之相配套的软件和完善的测试 平台很少，试验机的自动化程度比较低。市场上出现最多的冲击跌落试验机都主要是针 对产品测试的，即用于测试运输包装件所能承受的冲击力和对内装物的保护能力。而且 很多试验机都因为价格昂贵，以缓冲材料冲击试验机为例，美国l a n s m o n t 公司的产 品价格为7 万余美金，使得一般的大专院校和小企业对其望而却步。我校自主开发研制 陕西科技大学硕士学位论文 的缓冲材料冲击试验机不仅填补了国内材料动态压缩试验机的空白，而且经过改型的 d y - 2 型冲击试验机又增加了产品脆值测试功能，在价格上仅为进口设备的1 4 ，拥有很 高的性价比，已推广应用到多所高校和企业。 本课题的目的一是在原有冲击试验机基础上对其进行改进，为进一步提高试验机的 各项性能指标及适用性。使试验机操作在原来的基础上更加简便，性能更加优越，测量 更准确。提高缓冲材料的动态压缩试验和产品脆值试验的效率和精度，确保采样后绘制 的最大加速度一静应力曲线的准确性和可靠性。 二是开发与冲击试验机相配套的测试分析系统，目前国内包装测试仪器目前多为模 拟式仪器，功能单一，性能不高，人机交互功能不强，试验数据后处理和试验图表、文 件输出功能弱，且价格昂贵。而采用l a b v e l w 编程设计虚拟仪器来代替目前采用的测 试仪器，不仅可以节省测试设备的成本，缩短研发周期，还可以将数据处理自动化，自 动完成试验结果分析计算和曲线拟合，免去以往复杂的数据处理过程【，1 。 1 3 主要设计内容 本课题的主要内容是完成冲击试验机的机械结构、控制系统和程序设计三大部分的 设计。 1 3 1 机械结构设计 为能满足各种包装件及包装材料的测试要求，该试验机的机械结构部分的设计主要 包括如下几个部分： 1 ) 整体机架的设计； 2 ) 气液增压缸的设计； 3 ) 快装卸机构的设计； 4 跌落滑台的设计。 其中一些主要的技术参数如下： 1 ) 最大跌落高度为1 2 0 0t l m l ； 2 ) 跌落质量为2 - 5 0k g ： 3 ) 试样最大尺寸为：2 0 0 衄x 2 0 0i m n ； 4 ) 制动气源压力为：0 6 m p a ； 5 ) 其它要求：重台应该有防止二次跌落的制动装置，滑台面可以加装砝码或固 定小型产品以满足不同试验的要求。 1 3 2 控制系统的设计 1 ) 整体机构控制按钮的设计； 2 ) 根据跌落滑台跌落要求，继电器逻辑控制开关电动控制应能实现台体的连续 上升，连续下降以及点动上升和点动下降，急停控制，定高自动释放等： 2 包装冲击试验机及专用虚拟仪器研究 3 ) 滑台的制动控制； 4 ) 当跌落滑台冲击材料或被反弹后，气液增压缸制动功能动作，制动住滑台， 防止其二次冲击材料； 5 ) 测速功能； 6 ) 当滑台从预定高度下落刚要冲击试验材料时，测定此时滑台的速度。 1 3 3 程序设计 完成数据的采集、处理通用v i ( 虚拟仪器) 。包括： 1 ) 试验系统的构建； 2 ) 虚拟仪器前面板( g u i ) 的设计； 3 ) 虚拟仪器后面板程序设计； 4 ) 数据的采集、记录、存储： 5 数据的分析计算，最大加速度一静应力曲线( g 矿。甜) 及缓冲系数一最大静 应力( c om ) 曲线的拟合等； 6 ) 用于产品脆值试验的程序设计，最大加速度g m 和速度变化v ； 7 ) 可控跌落高度的控制程序设计； 8 ) 试验结果的打印。 陕西科技大学硕士学位论文 2 试验机原理及结构方案 2 1 试验机的试验原理及用途 2 1 1 理论依据 4 1 冲击是物流过程中比较普遍的一种危险因素，它对产品包装系统所造成的危害最直 观。因此，在各个标准体系中，甚至是公司的企业标准中，都必然涉及到冲击试验项目。 一般来说，我们所考察的冲击是指反映在产品包装系统上的加速度水平较高、作用 时间较短的瞬态作用。最典型的例子就是跌落。但专门从事研究包装测试，冲击所包含 的范围要更大一些。而且，随着运输包装件在物流过程中所遇到的情况不同，冲击试验 也有着各种各样的试验方法。 冲击试验的方法从目的上可以分成两类： 其一是考察包装对产品的保护能力，包括：跌落试验、水平冲击试验、垂直冲击试 验等等； 其二是考察产品对冲击危害的耐受程度，包括：产品脆值试验等等。 从试验的控制方法和结果上也基本可以分成两类： 一种方法是模拟实际流通过程中运输包装件可能遇到的各种冲击现象，在试验过程 中主要控制冲击的速度。控制跌落高度也是控制冲击初速度的一种方法。对于自由落体 r = ：- 来说，v - - - 4 z g h ，可知跌落高度和冲击初速度之问是可以简单互换的。我们在试验室通 过控制，就可以模拟包装件在流通过程中经受的危害。 另一种方法是控制冲击加速度和冲击持续时间。根据这种控制方法，我们可以非常 精确的在试验室再现当时的情况。这种控制方法比较复杂，除了加速度和持续时间，还 要考虑冲击波形、冲击响应等因素的影响。 无论是跌落还是冲击，对于运输包装件内的产品来说，每次都可以反映成一个加 速度一时间历程。从破损理论来看，峰值加速度和冲击速度变化是导致产品破损的决定 因素。冲击时，地面的软硬和面积的大小都会对冲击的强度造成影响，这些影响也都可 以从这两个决定因素中体现出来。 垂直冲击试验机主要由导轨、冲击台、程序发生器、冲击质量块等组成。试验时， 运输包装件要紧密的固定在冲击台上，随着冲击台一起冲击到质量块上，并通过程序发 生器产生预定的冲击波形。常用的垂直冲击试验标准是a s t md 5 4 8 7 。 对运输包装件的试验只能考察包装是否可以保护产品，并不能证明包装是否合理。 基于这个目的，我们必须了解产品本身到底能经受多大的冲击。也就是我们常说的脆值。 4 包装冲击试验机及专用虚拟仪器研究 脆值高，产品的耐冲击能力就强，我们可以适度地降低包装的强度：脆值低，产品的耐 冲击能力弱，就需要提高包装的强度。在产品脆值的试验中包括两种不同的实验方法。 一种是通过包装件的跌落实验来测试产品脆值，另一种是通过垂直冲击试验机来测试。 目前，国内外都普遍采用产品的垂直冲击试验来测试产品的脆值。可以使用的标准包括： g b t 15 0 0 9 9 4 ，g b t 817 1 - - 8 7 ，a s t m d 3 3 3 2 9 9 等。 2 1 2 试验原理 缓冲材料的动态压缩试验和产品的脆值试验主要是在一套测试系统中完成的，测试 系统的示意图如图2 - 1 所示，它由缓冲材料冲击试验机、压电加速度计、电荷放大器、 数据采集系统和数据处理系统组成翻。 图2 - 1 测试系统结构示意图 f i g 2 - 1s t r u c t u r es k e t c ho f t e s ts y s t e m 冲击试验机主要是由大质量铸铁底座、导柱、滑台( 滑台) 、砝码、提升装置、释放 装置、以及制动装置等构成。 1 ) 缓冲材料的动态压缩试验原理 试样放在底座上，并使其重心与滑台的中心在同一垂线上。滑台上固定着砝码和压 电加速度计，提升装置用挂钩提起滑台，至给定高度，释放装置使挂钩脱离开滑台，滑 台就沿着导轨自由下落，冲击试样。冲击过程中的加速度信号被压电加速度计转换成电 荷量，送入电荷放大器，电荷放大器的输出电压( 模拟量) 经模数转换( a d 板) 成数 字信号，存储在计算机内存中，并显示到屏幕上。电荷放大器上设有几种截止频率的模 拟低通滤波器，以保证送入a d 转换器的信号满足采样定理的要求【“】，数据处理系统则 完成信号的数字滤波以及曲线的绘制，其中包括冲击加速度一时间曲线、最大加速度静 陕西科技大学硕士学位论文 应力曲线、缓冲系数一展大应力曲线以及动态应力一应变曲线等。 2 ) 产品脆值试验原理 用缓冲材料把待测试产品固定机构固定在滑台上，滑台上固定着加速度传感器。根 据选择的冲击速度调整高度，提升装置用挂钩提起滑台，至给定高度释放滑台，产品和 滑台沿着导轨一起做自由落体，冲击底座获得冲击脉冲的加速度信号。冲击后检测试验 样品是否损坏，若未损坏，则减薄试验样品冲击方向上的缓冲材料的厚度或冲击跌落高 度，以增大冲击强度，再次试验。把各次加速度数据收集起来，经过数据处理系统的处 理，得到各次冲击的最大加速度g m 和速度变化v ，并在横轴为v ，纵轴为g m 的座 标系中描绘该实验点。取式样损坏时的速度变化u 与前次试验的速度变化v 0 l 的平 均值，定为产品脆值。 2 1 3d y - 2 综合冲击试验机的用途 1 ) 用于包装缓冲材料动态压缩试验 本试验机适用于块状、片状或者装入压缩箱内的丝状、粒状及成型件等包装用缓冲 材料作动态压缩试验。按g b 8 1 6 7 8 7 的实验方法，可得到冲击加速度时间( g t ) 曲线， 并通过一组实验得到试样在给定跌落高度下的最大加速度静应力( g m - c 。) 曲线及缓冲 系数曲线。 2 ) 用于产品脆值试验 本试验机可用于小型产品( 1 )1 )q p l ) 1 1 a 辱朋1 0 4 1 1 8 抛1 1 9 ，11 1 9 竹 2 m 竹5 囊净 惶 3 31 1 1 髓1 1 6 敝1 2 0 3 81 1 5 均 0 , 0 懈 2 18 0 7 0 7 2 59 0 1 1 98 7 8 ， 口7 1 rj 趁玎刀 7 8 托9 2 ，8 2 o j a 2 3 16 2 8 2。3 6硝5 67 0 7 2的4 , 1 秘钓3 兹娟0 95 0 1 05 9 5 45 16 8 1 4o j 1 3 | 13 7 4 1 舯曲8 45 8 5s 2 1 7 4 2 目 4 1 舶4 7 舯6 3 2 酾复 翔m柚鼻鞠 o j 7 i 5 1 3 1 7 7 4 0 8 3 4 9 2 e “7 4 时稳 捌蝴蓐 砣3 0 7 95 8弘舶曰7 5 o 国唾m 6 2 9 成4 2 碍5 5 4 48 1 7 56 5 驹j o钓鼻仃 眈2 7 2 04 3 6 5 8 76 2 嬲鹋砬o 一饼 7 1 2 7 0 18 4 4与27 7 弱8 3 1 1 们， 7 0 蕊t 花拍6 0 6 9 4 6 8 0 3 72 3 o 1 剐 7 陕西科技大学硕士学位论文 麓戈愀纛磁力冀毪： 数筋盔凌珏黼 | j| 。 | l强 j秀 # k l | 董k |；蚕 l | l l 。 、 i 、_ l 一： 孙| l r i 一 。l | |垂m 图2 - 2e p sg 。一n 曲线 f i g 。2 - 2 c u r v eo fe p sg m - t k 在相同跌落高度下对不同厚度的同一材料重复上述试验，就可以得到在同一跌落高 度下的一族g m ( i s 。曲线。利用最大加速度静应力曲线进行缓冲包装设计是一种简便、实 用的方法。但即便同一材料在不同跌落高度、不同厚度时g m 瓯。曲线也不相同。要为一 系列缓冲材料提供完整的g m o s 。曲线图表，就要有巨大的试验工作量支撑。为减少试验 工作量我们可以由g m o 。曲线转换到动态缓冲系数( c o 曲曲线。其中缓冲系数 矿。 c ：亟：尘兰：坚 。( c r d s 堕 h “ 彳丁 ( 2 3 ) 最大应力 咿署g m ( 2 4 ) 在g m o 。曲线上h 、t 均为常数，利用上两公式就可完成g m f f s 。曲线到c o m 曲线的 转换。由图2 2 转换得到图2 3 所示c o m 曲线。缓冲材料动态压缩试验工作量大，试验 数据多，数据处理及曲线拟合工作繁杂。图2 1 所示d y - 2 缓冲材料冲击试验机及数据采 集处理系统具有试验导向功能，试验过程中记录、存储各次冲击的加速度时间曲线并自 动生成如表2 一l 所示的数据表，完成试验时自动拟合出如图2 - 2 、图2 3 所示g m o s 。和 包装冲击试验机及专用虚拟仪器研究 c 曲线，并输出试验报告。 最大加速度静应力曲线、静态缓冲系数和动态缓冲系数这三种描述缓冲材料性能的 曲线种都有应用。相比之下最大加速度一静应力曲线最真实的反映了缓冲材料在特定条件 下的动态压缩性能，在缓冲包装设计时应优先使用。其次是动态缓冲系数，在导出动态 缓冲系数时将试验跌落高度和材料厚度作为常数，减少了试验工作量，以更简洁的方式 描述缓冲材料性能，代价是当缓冲设计时若跌落高度和材料厚度与试验值不同时会有一 定误差。静态缓冲系数是由静态压缩试验得出的，与实际动态压缩过程有较大误差，只 有在缺乏前两类设计资料时才使用。 il 一j ； j l z l 1 一 一 一 一一 - _ “一 图2 - 3 动态缓冲系数- 最大应力曲线 f i g 2 - 3d y n a m i cb u f f e rf a c t o r t h em a x i m u ms t r e s sc u r v e 2 2 2 冲击试验机测产品脆值 由于产品和实际流通过程中冲击形式的复杂性，如产品及其易损部件并不都能等效 为理想的质量弹簧系统，难以写出它们的数学模型。所以用理论计算确定产品脆值是不 现实的。利用冲击试验机的脆值试验系统如图2 4 所示。 1 ) 试验前准备工作 加速度传感器必须与冲击滑台刚性连接，安装位置应尽量靠近试件安放位置。试件 及试件数量应有代表意义，当产品产量很大时，应选足够数量的试样。试样一般使用合 格产品，当产品价格昂贵时，允许使用残次品，但其残次部分不得影响产品脆值。 将产品固定于冲击台面时，应尽量使产品的重心在台面的中心。固定产品时应尽可 能保持产品在运输包装容器中的形态与结构，保持产品在试验过程中不脱离试验台面， 9 陕西科技大学硕士学位论文 使传递给产品的冲击不发生畸变。由于产品的动态响应受固定点的影响很强，所以必须 合理选择固定点和固定方法。 调校好测量系统。系统( 加速度传感器，电荷放大器，显示、记录仪器) 整体频率 响应范围不小于0 5 5 k h z 。测量误差小于5 ，横向灵敏度小于5 。 被试产品应根据要求进行温、湿度预处理。试验也应在相同的温、湿度条件下进行。 试验环境如果达不到规定的温、湿度条件，则必须在试样离开预处理条件5 m i n 内开始 试验。 图2 _ 4 脆值试验系统 f 嘻2 - 4f r a g i l i t yt e s ts y s t e m 2 ) 产品临界速度变化冲击试验 该试验方法用于确定产品的临界速度变化损坏边界。由于损坏的临界速度变化边界 与冲击波形无关，通常采用半正弦冲击脉冲完成该试验。 冲击脉冲持续时间的选择：当f n t e 1 6 时，产品的损坏仅于速度变化有关，这时 t 1 5 7 v c 时，产 品的临界加速度损坏边界才呈一直线。通常取试验梯形冲击脉冲的速度变化a v 2 a v c 。这时试验跌落高度为 h堂坐(2-8) 2 9 式中： v r 叫验得到的产品临乔速度变化； r 重力加速度。 设置好冲击跌落高度后，调整波形发生器给定一个较小的阻尼力，进行一次冲击试 验，记录冲击的加速度峰值a j 和速度变化v i ，并在坐标纸上作出标记。检查试样。然 后在同一跌落高度下，逐次提高波形发生器阻尼力，重复试验( 试验冲击波形见图2 7 ) ， 直至产品损坏。取损坏前一次的冲击加速度为产品的临界加速度a p 。并通过该点作一平 行于横坐标的直线。 陕西科技大学硕士学位论文 d 。1 图2 - 6 梯形冲击脉冲 f i g 2 - 6t r a p e z o i di m p a c to f p u l s e 综合前两个试验的结论，将点( 2 a p ， 图2 7 梯形冲击脉冲 f i g 2 - 7t r a p e z o i di m p a c to fp u l s e a v c ) 和点( a p ，1 5 7 a v c ) 间以圆弧连 接( 此区域对缓冲包装设计影响不大) 即完成了产品在梯形脉冲作用下的损坏边界( 如 图2 8 所示) 。实际梯形冲击脉冲作用下产品的水平损坏边界有些上翘，以水平直线取代 时引起的误差很小。 用梯形冲击脉冲试验得到的产品临界加速度值( 脆值) 是较为保守的。因为运输过 程中产品一般不会经历梯形冲击脉冲，所以按该脆值来设计缓冲包装有较大的安全裕量。 茭 。 肿州。溶化 厶v 速度麦化 一 图2 - 8 试验得到的损坏边界 f i g 2 8d a m a g eb o r d e ro f t e s t 采用产品损坏前的一次试验速度变化和最大加速度值作为产品的临界速度变化和临 界加速度确定损坏边界的方法是比较保守的。因为这样得到的损坏区显然大于产品实际 损坏区。另一种常用的方法是将产品损坏时的试验速度变化与前一次试验速度变化的平 均值作为产品的临界速度变化；将产品损坏时的最大速度与前一次试验最大速度的平均 值作为产品的临界加速度。 对于多数产品在不同冲击方向的脆值是不同的。若产品总是承受一个方向的冲击， 只需在该方向进行一次冲击试验，否则要在每个可能发生冲击的方向都进行冲击试验以 确定产品在不同方向承受冲击的能力。 1 2 包装冲击试验机及专用虚拟仪器研究 2 3 虚拟仪器和l a b v i e w 所谓虚拟仪器，就是加在计算机上的一些软件和硬件，他们具有和实际独立仪器( 如 示波器和逻辑分析仪) 类似外观和性能。它是一种功能意义上的仪器，其核心是在最少 量的硬件模块支持下，用软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的功能。他不 强调仪器物理上的实现形式，打破了生产厂家定义仪器机箱的约束，用显示在c r t 上的 软面板替代原来的仪器面板，用键盘鼠标对测量的参数及进程进行控制。采用虚拟仪器 用户可以根据测试的要求不同，设计符合要求的仪器系统，满足多种多样的应用需求。 目前的虚拟仪器产品，包括各种软件产品、g p i b 产品、数据采集产品、信号调理产品、 v x i 和p x i 控制产品等，为构造自己的专用仪器系统提供了完善的解决方案。虚拟仪器 的应用多是将他们搭成虚拟仪器系统。在信号调理卡、数据采集卡、g p i b 接口仪器、 v x i 接口仪器等硬件支持下，用虚拟仪器软件工作平台将这些硬件和相应的软件组织起 来形成系统，如图2 - 9 。 - jli i _ 1 信号调理r _ 1 数据采集卡l g p i b 接口仪器 h g p i b 接口卡 测 p c 机虚 试 传感器 i 串口仪器p l c 拟仪器 对 软件工 象 v x i 仪器p x i 仪器 作平台 现场总线设备 图2 - 9 虚拟仪器系统组成图 f i g 2 - 9t h ed i a g r a mo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e m l a b v i e w 是美国n i 公司开发的一套组建虚拟仪器的软件平台。它提供了简单、直 观的图形编程( g 语言) 方式，把复杂、繁琐、费时的文本语言编程简化成工程师熟悉 的功能结构图的编程方式，并且嵌入了非常丰富的工程应用函数。其提供的d a q 能方 便的实现采集卡与l a b v i e w 的数据交换，大大简化了数据的采集1 9 1 。 2 4 跌落滑台方案的确定 冲击试验机的滑台是用来完成缓冲包装材料的动态压缩试验和产品脆值试验。原 d y - 2 型冲击试验机的滑台质量并不能真正得满足跌落质量为2 - - - , 5 0k g 的试验要求。原有 陕西科技大学硕士学位论文 试验机重滑台的结构示意图如图2 1 0 所示。 图2 1 0d y - 2 型冲击试验机重滑台 f i g 2 10d y - 2h e a v ym a c h i n e - i m p a c tt e s ts l i d e r 原d y - 2 型试验机的滑台台体重量偏大，试验时不能很好的做到跌落质量的连续增 加( 每次递增1k g ) 。另外滑台设计的最大跌落高度是1 2 0 0 衄。滑台从指定高度被释放 做自由落体运动，冲击底座上的缓冲材料。根据试验要求的不同，滑台上面会固定一定 重量的砝码，加上其自身的重量，再加上冲击作用的时间极其短促，这就使得滑台在冲 击过程中会获得一定的冲击能量。因此滑台在设计制造过程中在材料的选择上采用锻铝 来制造，由于铝的密度比铸铁小，这样就使得冲击过程中的滑台获得尽可能少的能量， 在保证强度的前提下有效降低滑台重量