用於測量板狀產品性能的設備和方法
2023-07-26 19:28:01
專利名稱：用於測量板狀產品性能的設備和方法
技術領域：
本發明涉及關於用於測量板狀產品性能的方法和設備的改進，板狀產品性能包括結構性能和強度性能，諸如與剪切剛度相關的「損壞程度」，特別是加工方向(MD)剪切。本發明還適用於紙板性能的「生產中」測量。
背景技術：
在板狀產品的製造中，特別是紙板產品，諸如波紋狀紙板，需要測量各種參數以限定紙板的結構性能，特別是為了達到質量控制的目的。一個需要測量的性能是材料「損壞程度」，材料「損壞程度」表示的是紙板上的介質損壞情況，特別是在製造過程中。例如，在波紋狀紙板產品的製造過程中，在製造過程的各個階段中紙板可能會受到損壞，特別是在將帶波紋的介質粘到襯板上的步驟中和在對紙板的一個或多個表面進行印刷的階段。這些階段會使帶波紋的介質受到「損壞」，可能會使帶波紋的介質被擠壓、剪切或者使它們相對於與一個或多個襯粘接的位置橫移。這樣的損壞通常不能被觀察到，因此需要一個檢測工序來評估所出現的剪切程度。
目前，由於難以在製造過程中精確地且方便地評估紙板產品的受損程度，因此許多波紋狀介質產品(諸如箱)是利用較厚重的板生產的，如果波紋狀介質的受損程度能夠被監測並且達到最低，那麼就不必利用較厚重的板生產波紋狀介質產品。
如上所述，一個根據紙板的「損壞」程度表示紙板強度的性能是剪切剛度，特別是加工方向(MD)剪切。一種用於測量該剪切剛度的方法是利用扭轉試驗。在這點上，已經建立了板芯的剪切剛度與其扭轉剛度之間的基本關係。儘管這種方法能夠獲得比較精確的結果，但是存在這樣一個問題，即，該方法需要進行繁瑣的試樣預備過程，包括切割箱或者坯料。該試樣預備過程是特別麻煩的，由於該扭轉試驗設備容易受到所用試樣的寬度影響，因此寬度上的很小誤差將會對扭轉試驗設備所得到的結果造成很大的影響。因此，還需要一種特定的切割裝置以精確地控制試樣的寬度並且使試樣在切割部位附近受到的損壞程度達到最小。另外，實施扭轉運動的設備是比較複雜的並且是很昂貴的。另外，由於試驗本身會使紙板受到「損壞」，因此該方法不適用於「生產中」，諸如用於一種在線試驗方法中，或者用於在完成的紙板產品上。因此，這種試驗方法屬於「破壞性」試驗，因而對於同樣的試樣進行反覆試驗不能提供可靠的結果。
因此，本發明的一個目的在於，提供一種更有效和/或節省成本的用於測量板狀產品中的材料「損壞程度」的裝置，並且該方法能夠克服或者減輕現有技術中所存在的至少一個問題。
人們希望得到一種適用於已完成的或者接近完成的板狀產品上能夠顯示產品受到「損壞」程度的測量方法和設備，並且該測量方法和設備還不會對產品造成永久性損壞。
人們希望得到一種適於在線使用的測量方法和設備，從而能夠在製造過程中對波紋狀介質受到「損壞」程度進行連續監測和顯示並且能夠避免對被測量的紙板造成永久性損壞。在這點上，為了使產品的易變性達到最小以及使產品的強度和質量達到最佳，還需要實時反饋以使設備操作者能夠進行實時準確地判斷。
發明概述根據第一方面，本發明提供一種用於表示板狀產品的剪切剛度的設備，所述設備包括多個適於抵靠一個板試樣的測量表面，並且至少兩個所述表面是分隔開的以形成一個測量區域；一個作用力施加裝置，所述作用力施加裝置用於將作用力施加到鄰近所述測量區域的板試樣上，所述作用力施加裝置的尺寸是這樣設定的，即，所施加的作用力不會使板試樣的撓曲超過預定的彈性區域。
所述至少兩個被分隔開的測量表面之間的距離最好相當於板狀產品的3個至10個波紋之間的間隔。
在這個方面，本發明提供了一種方法，利用該方法能夠使板狀產品，諸如波紋狀紙板產品被測試，同時能夠使產品受損程度達到最小，並且無需切割試樣。因此，該方面避免了預備試樣所需的時間。另外，本發明可就地應用，提供質量反饋。在本發明該方面中，所施加的預定作用力的大小能夠確保板狀產品不會超出其彈性區域，現已發現，這樣能夠大大地減小保證產品受到永久性損壞的可能性。
根據另一個方面，本發明提供一種製造紙板的設備，所述設備包括一個用於測量紙板產品的強度特性的裝置，所述測量裝置包括多個適於抵靠紙板的移動腹板的測量表面，並且至少兩個所述表面是分隔開的以形成一個適於接收撓曲紙板的區域；加載裝置，所述加載裝置適於將一種被選擇的撓曲作用力施加到在與位於兩個表面之間的區域相鄰的紙板產品上；控制裝置，所述控制裝置適於使紙板的撓曲保持在其彈性撓曲區域內；至少一個傳感器，所述傳感器用於獲得與施加在紙板產品上的作用力相關的測量數據以及與紙板產品的位移量相關的數據；以及能夠利用相對於位移數據繪出的作用力數據計算所述紙板產品的強度特性的裝置。
對於該方面，本發明能夠以非破壞性地表示被生產的紙板產品的方式在線地表示紙製造設備的性能，諸如壓制波紋設備。本發明能夠選擇性地確定/控制紙板的撓度，並且特別適用於在線測量。
本發明還提供一種對利用一種紙板製造設備製造的紙板進行監測的方法，所述方法包括確定紙板的需要測試的至少一個特徵，以及利用直接用於/施加到被製造的紙板上的MD剪切測試方法對所述特徵進行測試。所述特徵最好是撓曲，撓曲的程度直至並且包括，但不超出一個彈性區域。另外，所述紙板產品最好是波紋狀紙板，在長度為3個至10個波紋之間的區域中對所述紙板進行測試。本發明還提供一種實施該方法的設備。
本質上，本發明基於認識到，通過提供控制MD剪切測量能夠使在測試過程中所施加的作用力不超出被測試的紙板的彈性撓曲區域，從而可提供一種非破壞性的測試裝置和方法，包括一種紙板產品的「在線」測試/監測。在一種形式中，本發明是這樣實施的，即，通過在任何時間得知被製造的特定紙板應該表現的特徵(諸如一種撓曲特徵)，並且利用一種MD剪切測試設備通過施加作用力以根據已知的特徵產生撓曲，從而測試/監測紙板的質量。換言之，本發明可被認為是一種驗證被製造的紙板是否符合所需的標準的方法，諸如在MD剪切測試中表現的，諸如一種撓曲測試。
特別對於本發明的在線實施例，可使用附加的設備反饋生產信息/或調節生產參數和/或有MD剪切試驗設備所施加的撓曲。
還應該理解的是，所述MD剪切試驗設備最好是一種三點施壓設備。但是，並不是僅可使用這種類型的設備。權利要求限定了本發明的保護範圍。
附圖的簡要說明現將參照附圖對本發明的實施例進行描述，在附圖中
圖1示出了一種靜態MD剪切試驗設備的第一實施例。
圖2示出了圖1中所示衝杆在兩個表面之間的一個透視圖。
圖3是表示壓力與利用圖1中所示的設備進行試驗所得到的位移之間關係的圖表。
圖4是表示在彈性區域內在一個紙板試樣上多次進行反覆試驗的測試結果的一個圖表。
圖5是表示彈性區域之外在一個紙板試樣上多次進行反覆試驗的測試結果的一個圖表。
圖6示出了根據本發明的一個實施例的帶有突脊的板。
圖7是表示利用圖6中所示的帶有突脊的板所達到的預期的作用力與位移之間的關係的一個圖表。
圖8示出了根據本發明的一個特定實施例的三點壓縮試驗設備。
圖9示出了根據本發明的另一個實施例的帶有突脊的輪。
圖10表示利用圖3中所示的圖表計算出來的抗壓模量數據與利用與用於獲得圖3中所示結果相同的紙板試樣通過扭轉試驗所獲得的MD剪切數據之間關係的一個圖表。
圖11是表示對於不同克重的各個試樣的模擬的MD剪切值與已知MD剪切數值之間關係的一個圖表。
圖12是表示一個襯克重比例因子的圖表，所示線性克重比例因子能夠被用於由三點測量設備所獲得的抗壓模量數據中以根據所測量的紙板襯特定的克重計算該數據。
圖13是表示在線MD剪切測量數據與波紋板軋機的速度之間關係的一個圖表。
圖14表示了壓制波紋的速度與在線MD剪切測量數據之間的對數在線關係。
圖15是表示真實MD剪切數據與利用圖11的對數關係進行校正的在線MD剪切測量數據之間關係的一個圖表。
圖16示出了表示不同類型的板的MD剪切測量值與氣動操作的衝杆的空氣壓力之間關係的一個圖表。
詳細描述圖1中示出了一種靜態MD剪切三點施壓試驗設備的第一實施例。在本發明的該實施例中，第一表面(標註為「施壓試驗裝置上部」)設有一個突出元件(諸如衝杆)。兩個分隔開的第二表面與所述第一表面相鄰，在所述兩個分隔開的第二表面之間形成一個區域(標註為「間隔」)。這兩個平臺之間的間距是重要的，如果該間距太寬，那麼該試驗接近於一個彎曲試驗並且該紙板將不一定表現剪切。這兩個表面之間的距離相當於3個至10個波紋較好，該距離最好相當於5個波紋。
該設備的結構是這樣的，即，能夠防止一個被測試的板狀產品的撓度超過該產品的彈性區域。「彈性區域」是作用力可以非破壞性的方式被施加在板狀產品上的區域。換言之，如果板狀產品的撓曲超過其彈性區域，那麼它將受到一定程度的永久性損壞並且會相應地降低強度。
還應該理解的是，第一和第二表面的表面積對於本試驗的有效性也起到了一定的作用，由於它們都用於限制紙板的撓度，因此有助於將撓度限制在所述彈性區域內。
另外，最好通過一個氣動撞錘驅動所述衝杆。在本發明的該實施例中，空氣壓力以及第一和第二表面的表面積會對施加在試樣上的最大壓力產生影響。如果壓力太大，那麼會增大施加在板上的作用力，從而會使板受損，此時應該調節氣動撞錘的空氣壓力。在這點上，圖16示出了不同等級的波紋狀板在同一試驗設備中的MD剪切結果。該圖表示MD剪切會隨著所施加的壓力增大而減小，這表示該板將會受到損壞。空氣壓力在1.5巴(約為100kPa)以上會使MD剪切減小，因此施加在板狀產品上壓力應該保持在該壓力值下以使板狀產品受損的可能性達到最小。
圖2示出了圖1中所示衝杆在兩個表面之間的一個透視圖。在該實施例中，衝杆的尺寸為20×10毫米並且兩個表面之間的間隔為38毫米。對於「C」波紋，38毫米的間隔相當於幾乎5個波紋。利用本發明的這個實施例，並且對C-波紋進行測試，可以發現，施加在板上的作用力會產生MD剪切，但是不會使板的撓曲超過其彈性區域。
為了說明所述彈性區域，圖3示出了一個由三點施壓設備所施加的壓力與由所施加的壓力產生的位移之間關係的圖表。為了獲得這些結果，報告單位為mV，並且施壓試驗裝置速度為12.5毫米/分鐘並且mV輸出與作用力成比例(約為1mV/N)。用於試驗的板等級為C-波紋-210-210-140，並且它始終是一致的以使附加變量的影響達到最小並且處於ISO條件下。用於該試驗中的夾具結構為5個波紋(對於C波紋大約為38毫米)的間隙，並且衝杆的尺寸為1個波紋(對於C波紋大約為8毫米)寬和20毫米長。
圖3中的這些試驗結果清楚地表示了一個「彈性區域」10，紙板在該彈性區域中能夠彈性地移動並且不會對板造成任何永久性損壞。該圖表中的峰值表示板狀產品受到損壞的位置。在該試驗中，可以發現，彈性區域的上限約為1毫米。
為了說明僅在彈性區域中操作該測量設備的必要性，圖4提供了在彈性區域內在一個紙板試樣上多次進行反覆試驗的測試結果。由於所獲得的結果基本上是一致的，因此從該圖中可以明顯地看出，沒有對該紙板試樣造成明顯的永久性損壞。
另一方面，圖5提供了超過彈性區域在一個紙板試樣上多次進行反覆試驗的測試結果。該圖表示，當試樣中的撓曲增大時，不是產生如圖4中的比較一致的結果，在超過彈性區域後試樣的特性發生一些永久性變化。因此，這證實了，如果將撓度限制在彈性區域內，則能夠進行非破壞性的試驗。
圖6中示出了一個具有突脊的平板。該板是如圖1中所示的第一表面和衝杆的另一個實施例。該突脊的尺寸被設定在這樣一個範圍，即，在利用該板使紙板產生最大的撓度時也不會使紙板超出彈性區域。換言之，在操作中，在板狀產品上施加作用力/壓力的突脊能夠以已知的量使試樣撓曲，其中所述已知的量不超過彈性區域。圖7中示出了利用圖6中所示的帶有突脊的板所達到的預期的作用力與位移之間的關係的一個圖表。
本發明的該實施例所特有的一個優點是，利用精心設計該設備的尺寸能夠使該設備實現自限制，從而能夠避免所施加的作用力達到對板造成損壞的作用力/面積(壓力)的數值。
圖8中示出了適於使板狀產品移動到不超過彈性區域的程度的一個在線設備的第一實施例。在該實施例中，輪的圓周是恆定比例的並且與一個負載傳感器(load cell)相連。可以發現，負載傳感器/輪組件的撓曲性能是本發明設備的該實施例的一個重要特徵，這是因為它能夠控制施加到板上的撓度，從而確保不對該板造成永久性損壞。
圖8中所示組件的另一個特徵是該機構對於板厚度差的自動補償能力，其中該系統使用所述板的一個表面作為被比的零基準。換言之，如果波紋狀板的厚度增大或者減小，那麼負載傳感器/輪組件能夠進行一致性移動。這可利用一種設置在波紋狀紙板表面上的滑板或滑架式覆蓋區(足跡)來實現，並且不與下面的結構機械連接。實際測量輪穿過能夠使板撓曲的滑架的底部。這樣一種輪組件特別適用於諸如在壓制波紋設備中的一個連續腹板輸送的過程中。作為該滑架的另一種選擇，可使用一個或者多個輪。
應該理解的是，測量輪的直徑尺寸最好不是太小，否則會使被施加到板上的壓力受到局限，從而使板容易受到永久性損壞。因此，需要一種相當寬的機構。已經發現，對於上述的C-波紋紙板，可採用的寬度為25毫米。
儘管圖8中所示實施例包括了控制設備，但是它具有的另一個優點是，能夠根據所施加的作用力的大小進行調節。因此，其測量不取決於紙板的厚度，因此可通過測量施加在負載傳感器上的壓力大小將其用於質量不同的紙板上。
在本發明的在線測量設備的另一個可選擇的實施例中，可使用一種帶有突脊的轉動輪代替圖8中所示的圓周一致的輪。如圖9中所示，該輪可僅在圍繞輪圓周的半個表面中具有突脊/溝槽。本發明的該實施例特有的一個優點是，無需一個作用力零基準即可以差動測量的方式進行測量。
應該理解的是，這些各種設備結構中各個部件的位置調換也不脫離本發明的保護範圍。例如，所述輪可位於被測試的板的下方，和/或負載組件可與平臺組件相連，以使平臺組件能夠移動。接著可測量位移量以及所施加的作用力的大小。
這些作用力/位移測量接著可用於獲得表示MD剪切的數據結果。在這點上，通過畫出所施加的作用力與位移量之間的關係，諸如在圖3中所示的，接著計算在彈性區域中的曲線梯度，可獲得抗壓模量數據。該抗壓模量數據與MD剪切存在一個線性關係。圖10中示出了抗壓模量數據與MD剪切之間的關係。圖10是關於由圖3所獲得的抗壓模量數據相對於利用對相同的紙板試樣進行扭轉試驗所計算的MD剪切數據之間關係的一個圖表。圖10中所示的圖表證實，該三點測量設備的試驗結果與MD剪切之間存在良好的關係。應該理解的是，該數據是利用C-波紋板和具有上述結構的設備獲得的。
在使用本發明的在線測量設備時所遇到的差異是關於利用不同板等級所獲得的MD剪切和三點施壓之間的不同關係。
為了解決這個問題，已經發現該差異與波紋狀板的克重相關。在這點上，通過將等級的細節分離，並且獲得一個最佳擬合線(見圖11)，能夠獲得襯(liner)克重與每一個等級「最佳擬合線」的斜度之間的關係。圖12中示出了這種關係，並且可利用這種關係按照所用的板等級獲得MD剪切結果。
使用在線測量所帶來的另一個問題是，這些結果被證實與腹板速度是非常相關的，如圖13中所示。開始，這個問題被認為是由於測量頭會隨著速度增大而「抬高」所造成的，從而使輸出信號強度減弱。
但是，已經發現，這些結果是不正確的，MD剪切不是隨著速度的增大而減小的。相反，發現MD剪切測量結果確實與速度相關，並且遵循一個對數關係。圖14和圖15中示出了這樣的關係。
因此，為了獲得真實的測量數據，按照對數關係對數據進行調整，其中調整因子取決於被測量的腹板速度。
本領域普通技術人員顯然能夠在本發明的保護範圍內進行各種變型和補充。
例如，應該理解的是，以平行於板狀產品加工方向設置作用力施加裝置對本發明來說不是實質性的。可以在不對MD剪切測量結果產生很大影響的前提下是作用力施加裝置偏離一定程度。另外，可以在不使測量結果產生重大變化的前提下使作用力被施加或者沒有施加在波紋狀板狀產品的波紋尖端上。
權利要求
1.一種用於表示板狀產品的剪切剛度的設備，所述設備包括多個適於抵靠一個板試樣的測量表面，並且至少兩個所述表面是分隔開的以形成一個測量區域；一個作用力施加裝置，所述作用力施加裝置用於將作用力施加到鄰近所述測量區域的板試樣上，所述作用力施加裝置的尺寸是這樣設定的，即，所施加的作用力不會使板試樣的撓曲超過預定的彈性區域。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述施加作用力的這種是一個矩形板。
3.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述板狀產品是波紋狀紙板，並且至少兩個被分隔開的測量表面之間的距離相當於所述波紋狀板的3個至10個波紋之間的間隔。
4.一種在加工紙板產品中作為輔助手段的測試板狀產品的方法，所述方法包括下列步驟在一個紙板產品上施加一種被測量的撓曲作用力，所述作用力被測量以使紙板產品在彈性撓曲範圍內撓曲；測量紙板產品在所施加的作用力作用下而產生的位移；利用所測量的位移來表示板狀產品的一種性能。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述性能是剪切剛度。
6.一種製造紙板的設備，所述設備包括一個用於測量紙板產品的強度特性的裝置，所述測量裝置包括多個適於抵靠紙板的移動腹板的測量表面，並且至少兩個所述表面是分隔開的以形成一個適於接收撓曲紙板的區域；加載裝置，所述加載裝置適於將一種被選擇的撓曲作用力施加到位於兩個表面之間的區域相鄰的紙板產品上；控制裝置，所述控制裝置適於使紙板的撓曲保持在其彈性撓曲區域內；至少一個傳感器，所述傳感器用於獲得與施加在紙板產品上的作用力相關的測量數據以及與紙板產品的位移量相關的數據；以及能夠利用相對於位移數據繪出的作用力數據計算所述紙板產品的強度特性的裝置。
7.如權利要求6所述的設備，其特徵在於，所述加載裝置是下列裝置中的一種一種圓周恆定的轉動輪，所述轉動輪具有負載傳感器，所述負載傳感器適於選擇性地調節施加在紙板產品上的撓曲作用力以使紙板產品的撓曲保持在其彈性撓曲區域內；一種轉動輪，所述轉動輪具有圍繞該輪圓周的至少一個部分的突脊，形成所述突脊能夠使紙板的撓曲保持在其彈性區域內；或者一種可收縮的帶有突脊的壓板，形成所述突脊能夠使紙板的撓曲保持在其彈性區域內。
8.如權利要求6或7所述的設備，其特徵在於，所述設備還包括用於根據移動腹板的速度以對數的方式換算所繪製的數據的裝置。
9.如權利要求6至8中任何一項所述的設備，其特徵在於，所述設備還包括用於根據紙板產品的克重換算所繪製的數據的裝置。
10.在一種用於生產紙板的在線過程中，一種用於確定紙板產品的強度特性的方法，所述方法包括下列步驟在紙板產品的移動腹板上施加一個撓曲作用力，選擇性地調節所述撓曲作用力以使紙板產品的撓曲保持在其彈性撓曲區域內；以及測量所施加的作用力和相應的紙板產品的位移。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括相對於位移數據繪出所施加的作用力數據的步驟。
12.如權利要求10或11所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括對繪製的數據進行對數調整的步驟，所述對數調整的數值取決於移動的紙板產品在測量過程中的速度。
13.如權利要求10、11或12所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括根據紙板產品的克重對繪製的數據進行換算的步驟。
14.一種對利用一種紙板製造設備製造的紙板進行監測的方法，所述方法包括確定紙板的需要測試的至少一個特徵，以及利用直接用於/施加到被製造的紙板上的MD剪切測試方法對所述特徵進行測試。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述特徵是撓曲。
16.如權利要求15所述的方法，其特徵在於，所述撓曲在一個彈性撓曲區域內。
17.如權利要求14至16中任何一項所述的方法，其特徵在於，所述紙板產品是波紋狀紙板，在長度為3個至10個波紋之間的區域中對所述紙板進行測試。
18.一種適於實施如權利要求14至17中任何一項所述的方法的設備。
19.一種對利用一種紙板製造設備製造的紙板進行監測的設備，所述設備包括用於將MD剪切測試方法直接施加到被製造的紙板上的裝置。
20.如權利要求19所述的設備，其特徵在於，所述裝置是一種三點施壓裝置。
21.如權利要求19或20所述的設備，其特徵在於，所述設備還包括用於檢測在一個彈性撓曲區域內施加MD剪切測試的裝置。
22.如權利要求21所述的設備，其特徵在於，所述設備還包括用於調節MD剪切測試的施加以使其保持在彈性撓曲區域內的裝置。
23.如權利要求19至22中任何一項所述的設備，其特徵在於，所述設備還包括用於顯示MD剪切在彈性撓曲區域內或外的裝置。
24.這裡所披露的一種方法、設備或裝置。
全文摘要
本發明涉及用於測量、監測和/或表示板狀產品的材料「損壞程度」的方法和設備，特別是加工方向(MD)剪切。在這點上，本發明披露將預定的作用力施加到板狀產品上以使板狀產品的撓曲不超出其彈性區域。用於施加所述作用力的設備的尺寸或結構最好適於具體限制板狀產品的撓度。通過將板狀產品保持在其彈性區域內，能夠降低板狀產品受到永久性損壞的可能性。因此，所披露的方法和設備能夠顯示在被測試的紙板產品上的非破壞MD剪切，其適用於紙板產品的在線測試/監測。
文檔編號D21H23/00GK1395684SQ01803933
公開日2003年2月5日 申請日期2001年1月19日 優先權日2000年1月19日
發明者默裡·辛格萊頓, 馬克·科特肖特 申請人:阿姆科爾有限公司