CN102353588B - 一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备及方法。所述的装置主要包括上板、下板、限制器、压力传感器、压头以及法兰，上板与下板通过限制器固定一起，压力传感器位于上板与下板之间且固定在上板的中心位置，压头固定在压力传感器另一端，橡胶试样用法兰固定在下板中心位置，并接触压头。所述的方法通过首先制作合适的试样，装配所述的装置，并将试样用法兰不倾斜地固定在下板中心并与压头接触，撤出法兰后将该装置放置在老化试验箱内进行实验，最后实验结束，确定橡胶材料压缩应力松弛系数。本发明能够进行常温和高温橡胶压缩应力松弛的测试，可实时监测压缩应力的变化，保证了寿命预测结果的准确性、可重复性和再现性。

Description

一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备及方法

技术领域

本发明属于橡胶材料测试技术领域，具体涉及一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备及方法。

背景技术

现有技术通常采用压缩永久变形和压缩应力松弛作为特性指标来预测橡胶材料寿命。现有技术测定橡胶在常温、高温恒定形变下压缩应力的变化，即将橡胶试样压缩至产生恒定的变形，在某一温度下老化不同时间后测定试样压缩应力松弛，为橡胶材料寿命评估提供技术基础。在中国人民共和国国家标准GB1685-82的硫化橡胶在常温和高温下压缩应力松弛的测定中所记载的压缩应力松弛测试设备——松弛仪主要由夹具(压缩器)、测量装置和电信号系统三部分组成。测量装置由活动平板、可更换的弹簧片和百分表组成。活动平板由升降螺杆带动，用于移动夹具。不同厚度的弹簧片，其测力范围不同，需要根据测力范围更换弹簧片，并保证弹簧片的变形在0.4-1.10mm，在使用之前需要进行弹簧片的校正，测量时如果不能确定作用力完全作用在弹簧片上，则会引起较大的试验误差。百分表用于指示弹簧片的变形，试验中不可避免产生的摩擦力会影响百分表的误差。

由于受目前设备的限制，橡胶材料寿命预测方法需要在试验过程中不断更换试样以达到准确预测橡胶寿命的试验目的，这样就不可避免的由于试样本身造成系统误差，延长试验时间，降低了试验精度。

上述因素很大程度上造成了试验结果的不确定性和不稳定性。而测量时应首选能在整个试验过程中实时监测压缩应力变化的装置，进而测量压缩应力随时间的连续变化，使试验效率得以提高。

发明内容

本发明为了解决现有技术中橡胶常温和高温压缩应力松弛测试存在的问题，提供一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备及方法。

一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备，主要包括：下板、限制器、上板、压力传感器、传感器引线、压头和法兰。所述的上板平置于下板的上方，下板与上板的中心位置垂直对应，上板的中心位置开有中心通孔，在中心通孔左右对称的位置各开有一个通孔，下板上垂直对应上板左、右通孔的位置各开有一个沉孔。左、右两个限制器分别通过上板左、右通孔以及下板上左、右沉孔将下板和上板固定一起。所述的压力传感器位于下板和上板之间，且压力传感器的一端固定在上板的中心通孔上，另一端连接压头的上端，压力传感器通过传感器引线与数据显示仪表连接。所述的压头的下端的压头面直接与橡胶试样的上表面接触。所述的法兰在测试前固定在下板上，且法兰的中心孔位于上板的中心位置，法兰的中心孔用于卡住橡胶试样，使橡胶试样和压头接触时避免发生侧倾，在测试开始时，将法兰卸载。

一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、测试试样的制备和调试，具体是：步骤1.1：加工一个圆柱状橡胶试样。步骤1.2：将橡胶试样硫化并保证橡胶试样表面平整。步骤1.3：依次进行热调节和机械调节。

步骤二、试验设备的安装及试验准备，具体是：步骤2.1：根据所测试橡胶材料的邵尔硬度，确定试验压缩率，进而确定限制器的高度。步骤2.2：安装所述的测试设备：先将两个限制器固定于下板，然后将压力传感器和压头连接后整体固定于上板上，最后通过限制器将上板和下板固定一起。步骤2.3：将连接压力传感器的传感器引线和外置的数据显示仪表相连，并将数据显示仪表的电源线和电源相接，在所述的测量设备处于零测试状态下对数据显示仪表进行调零和量程校准。步骤2.4：采用橡胶测厚计测量橡胶试样的初始厚度，并将橡胶试样的上下表面涂上滑石粉，然后通过法兰将橡胶试样固定在下板上，并使橡胶试样位于压头的中心位置。步骤2.5：拧紧上板左、右两侧固定限制器的螺母，拧紧过程中尽量保证橡胶试样两侧受力均匀，之后撤除法兰，待数据显示仪表的数据稳定后，读取初始压缩应力值

步骤三、进行老化试验并采集不同时间的压缩应力值，具体是：将带有橡胶试样的测试设备放置在老化试验箱内，接通电源，调节老化试验箱的温度，记录不同老化时间下橡胶试样的压缩应力值；

步骤四、达到规定老化时间，读取终止老化时间时的橡胶压缩应力值，从老化试验箱中取出测试设备进行冷却，冷却后将测试设备卸载，取出橡胶试样，在自由状态下停放一小时，用橡胶测厚计测量橡胶试样压缩后的恢复高度，进而确定该橡胶材料的压缩永久变形率；步骤五、确定橡胶材料压缩应力松弛系数，具体根据

来确定，F_t表示一定时间t后的压缩应力值，F₀表示初始应力值。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明通过压力传感器及外置的数据显示仪表实时监测压缩应力的变化，试验过程中不用将试样拿出测试，不用更换试样，影响数据波动的因素较少，保证了寿命预测结果的准确性、可重复性和再现性。

(2)采用的压力传感器及输出的传感器引线均适用于高温条件，因此本发明能够进行高温橡胶压缩应力松弛的测试。

(3)在压力传感器和试样之间设置安装一个压头，避免了压力传感器螺栓直接和试样接触造成的应力分布不均，也避免了橡胶试样老化后粘连压力传感器，造成压力传感器使用寿命和试验精度下降的问题。

(4)在压力传感器外螺纹头部和压头相连接部分设置一段光杆，避免由于反复使用造成螺纹磨损而引起两者之间接触的间隙，进而影响测试精度的问题。

(5)本发明提供的设备及方法能够避免现有测量装置中因为弹簧片的选择及非预期摩擦力的产生而造成的百分表指针波动带来的误差。

(6)本发明提供的设备及方法不需要对试样测量若干次取平均值，因而提高了工作效率，避免了因循环测量记录带来的误差。

附图说明

图1为本发明的测试设备的总装配图；

图2a为本发明的测试设备中上板的结构示意图；

图2b为图2a中A-A的剖面示意图；

图3a为本发明的测试设备中下板的结构示意图；

图3b为图3a中B-B的剖面示意图；

图4为本发明的测试设备中限制器的结构示意图；

图5为本发明的测试设备中压力传感器的结构示意图；

图6为本发明的测试设备中压头的结构示意图；

图7为本发明的测试设备中法兰的结构示意图；

图8为本发明的测试方法的步骤流程图；

图中：

1-下板；2-限制器；3-上板；4-压力传感器；5-传感器引线；

6-压头；7-法兰；8-橡胶试样；9-螺母系列；10-中心螺纹孔；

11-上板上的左、右通孔；12-下板上的左、右沉孔；13-下板上固定法兰的螺纹孔；

14-半环；15-半环上的孔；16-半环组成的中心孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明。

本发明提供的一种带压力传感器的用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备，如图1所示，主要包括如下部分：下板1、限制器2、上板3、压力传感器4、传感器引线5、压头6和法兰7。

如图1所示，上板3平置于下板1的上方，下板1和上板3通过左右两个限制器2固定一起。压力传感器4位于下板1和上板3之间，压力传感器4的一端固定在上板3向下一面的中心位置上，另一端固定有压头6。压力传感器4通过传感器引线5与外置数据显示仪表连接。在测试时候，将橡胶试样8通过法兰7固定在下板1的中心位置，且位于压头6的正下方。

如图2a与图2b所示，上板3的中心位置开有上下通透的中心通孔10，在中心通孔10左右对称的位置各开有一个上下通透的通孔11。如图2a所示的左、右两个通孔11的中心位于过中心通孔10的横向轴线上。

如图3a与图3b所示，在下板1垂直对应上板3左、右两个通孔11的位置各开有沉孔12，沉孔12用于将限制器2的一端固定在下板1上，保证下板1平整。在以下板1的中心为圆心的圆上均匀开有4个螺纹孔13，用于将法兰7通过螺母系列9固定在下板1上。上板3和下板1都为平板，由镀铬材料、不锈钢或者其他耐高温、耐腐蚀材料制造，进行高度抛光，具有较高的表面光洁度、平行度和刚度。

如图4所示，限制器2的两端带外螺纹，在上的一端穿过上板3左边或者右边的通孔11，并用螺母系列9将限制器2与上板3固定，限制器2在下的一端固定在下板1上的垂直对应上板3左边或者右边的通孔11的沉孔12中。限制器2采用不锈钢材料制成，其高度根据橡胶材料的邵尔硬度和变形率来决定，用以保证试样压缩到规定的高度值，产生恒定的形变，其高度允许公差为±0.02mm。

如图5所述，压力传感器4的两端带外螺纹，压力传感器4在上的一端穿过上板3的中心通孔10，并通过螺母系列9固定在上板3上，在下的一端安装了一个压头6，用于避免压力传感器4的螺栓直接和橡胶试样8接触造成应力分布不均，以及避免橡胶试样8老化后粘连压力传感器4造成压力传感器4的使用寿命和实验精度下降。压力传感器4与压头6相连接的一端的头部为光杆，设置一段光杆是为了避免下面情况：由于反复使用造成螺纹磨损从而引起压力传感器4与压头6之间接触的间隙，进而影响测试精度。本发明测试设备中所选用的压力传感器的规格为kzβk-1，准确度级别为0.001，输出灵敏度为2.248mV/V，温度范围为0℃～150℃，量程为980N。压力传感器4通过传感器引线5连接的数据显示仪表外供电源输入端透明线为正极，黑色为负极，仪表输入端黄线为正极，白线为负极。本发明的测试设备中的压力传感器4测量精度达千分之一，温漂小而且可以在高温下保持良好的精度。

如图6所示，压头6通过内螺纹固定在压力传感器4上。对应于压力传感器4一端设置的光杆，压头6中的内螺纹也同样存在一段光滑段。本发明实施例中设置压力传感器一端的光杆为3-5mm，同样，对应压头6中内螺纹处于底部的位置设置3-5mm的光滑段。

如图7所示，法兰7由两个半环14组成，两个半环14上各加工有两个孔15，4个孔15的位置分别对应下板1上4个固定法兰7的螺纹孔13。在试验加载前，通过螺纹系列9将两个半环14组成的法兰7固定在下板1上，橡胶试样8放置于两个半环14形成的中心孔16中，然后将压头6与橡胶试样8的上表面接触，加载过程中保证橡胶试样8不发生侧歪现象，之后将法兰7卸载。法兰7用于橡胶试样8的定位及固定。所述的橡胶试样8为一圆柱状，且圆柱直径小于与橡胶试样8所接触的压头6的压头面的直径。所设置的法兰7的中心孔16的大小能够卡住橡胶试样8。

本发明还提供一种橡胶常温和高温压缩应力松弛的测试方法，该测试方法通过控制限制器2的高度使橡胶试样8产生恒定形变，利用压力传感器4监测橡胶试样8在不同温度老化情况下不同时间压缩应力值的变化，进而计算橡胶材料压缩应力松弛。本发明方法比较简单、可靠、测量精度较高，而且使用上述的本发明的测试设备简单易操作。但因在撤除定位结构的法兰7时，会带来数据的波动，需要一定的时间才能达到稳定，所以达到稳定后的数据才是可信的。

如图8所示，本发明提供的一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的方法，具体通过如下步骤实现：

第一步，测试试样的制备和调试。

加工一个圆柱状橡胶试样8，并将橡胶试样8硫化并保证其表面平整。所述的圆柱的直径与法兰7的中心孔16的直径相同，且小于与橡胶试样8所接触的压头6的压头面的直径。本发明实施例中法兰7的中心孔16的直径为10mm，则加工橡胶试样8的直径为10±0.2mm，高为10±0.2mm。试验前首先进行热调节，然后进行机械调节。热调节是为了消除橡胶试样8可能存在的模压应力，以提高试验结果的重现性，即将橡胶试样8放在70℃下预热3h(h表示小时)，热调节后，使橡胶试样8在标准温度下停放不少于16h，最多不超过48h。机械调节用以改善试验结果的重现性，即将橡胶试样8循环压缩5次至规定的压缩量，立即恢复到零应变，然后将橡胶试样8在标准试验温度下停放不少于16h，最多不超过48h后进行试验。

第二步，试验设备的安装及试验准备。

首先，根据所测试橡胶材料的邵尔硬度，确定试验压缩率，进而确定限制器2的高度，具体压缩率的设置依据中华人民共和国国家标准GB 1683-81硫化橡胶恒定形变压缩永久变形的测定方法中所记载的压缩率的标准。

接着，将本发明的测试设备按从下到上的顺序进行安装，安装时首先将两个限制器2固定于下板1，然后将压力传感器4和压头6连接后通过螺母系列9连接固定于上板3上，最后通过限制器2将上板3和下板1固定一起。上板3和下板1的平面度应在0.01mm范围内，安装加载后上板3和下板1的弯曲度不得超过0.01mm。

再接着，本发明的测试设备安装完成后将连接压力传感器4的传感器引线5和外置的数据显示仪表相连，并将数据显示仪表的电源线和电源相接，在本发明的测量设备处于零测试状态下对数据显示仪表进行调零和量程校准。

然后，在所述的测试设备安装及调节后，采用橡胶测厚计测量橡胶试样8的初始厚度，将橡胶试样8的上下表面涂适量滑石粉，防止老化过程中橡胶粘结压头6和下板1，通过法兰7将橡胶试样8定位固定在下板1上，使橡胶试样7位于压头6的中心位置。

最后，对橡胶试样8进行加载，拧紧上板3两侧的固定限制器2的螺母，加载过程中要尽量保证橡胶试样8两侧受力均匀，直到力作用加载完成，撤除法兰7，待数据显示仪表数据稳定后，读取初始压缩应力值。

第三步，进行老化试验并采集不同时间压缩应力值。

将带有橡胶试样8的测试设备放置在老化试验箱内，接通电源，调节老化试验箱的温度，记录不同老化时间橡胶试样8的压缩应力值，监测压缩应力值随时间的变化情况。一般情况下，老化初期压缩应力值变化较快，记录数据的时间间隔应该较短，随着老化时间的延长，压缩应力值变化逐渐缓慢，时间间隔可以变长。

第四步，达到规定老化时间，试验结束。

老化测试时间和温度根据现有国家标准GB1683-81橡胶恒定形变压缩永久变形的测定方法中所记载的内容进行选择。达到规定的时间，读取终止老化时间橡胶压缩应力值，开箱取出测试设备，在室温下自由冷却两小时，前一小时期间，数据显示仪表显示压力数据变化较大，而后一小时数据显示仪表显示的压力数据变化较小。冷却后将测试设备卸载，取出橡胶试样8，在自由状态下停放一小时，用橡胶测厚计测量橡胶试样压缩后的恢复高度，进而可以计算其压缩永久变形率，压缩永久变形率具体计算方法依据国家标准GB 1683-81中记载的标准。

第五步，确定橡胶材料压缩应力松弛系数。

不同试验时间之后测量的橡胶压缩应力可依据时间在对数坐标上绘制曲线图，以便于对试验数据进行分析。对于橡胶材料寿命预测，计算不同老化时间之后的压缩应力比值，也就是橡胶材料压缩应力松弛系数

比压缩应力松弛值更有用，F_t表示一定时间后的压缩应力值，F₀表示初始应力值，压缩应力比值应该以一个对数时间函数图的形式来表示。根据所获数据推导橡胶材料压缩应力松弛变化规律，为橡胶材料寿命预测提供基础。

本发明的测试设备还可进行橡胶常温和高温老化试验中的压缩永久变形的测试，用于探索压缩应力松弛和压缩永久变形的关系。另外，本发明设备还可以设置若干应变片测量相同试样不同位置的应力应变关系，减小单一测量带来的误差。

Claims (8)

1.一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的设备包括下板(1)、限制器(2)、上板(3)、压力传感器(4)、传感器引线(5)、压头(6)和法兰(7)；

所述的上板(3)平置于下板(1)的上方，下板(1)与上板(3)的中心位置垂直对应，上板(3)的中心位置开有中心通孔(10)，在中心通孔(10)左右对称的位置各开有一个通孔(11)，下板(1)上垂直对应上板(3)左、右通孔(11)的位置各开有一个沉孔(12)；左、右两个限制器(2)分别通过上板(3)左、右通孔(11)以及下板(1)上左、右沉孔(12)将下板(1)和上板(3)固定一起，限制器(2)的高度根据橡胶材料的邵尔硬度和变形率来决定，用以保证试样压缩到规定的高度值，产生恒定的形变，其高度允许公差为±0.02mm；所述的压力传感器(4)位于下板(1)和上板(3)之间，且压力传感器(4)的一端固定在上板(3)的中心通孔(10)上，另一端连接压头(6)的上端，压力传感器(4)通过传感器引线(5)与数据显示仪表连接，压力传感器(4)在下与压头(6)相连接一端的头部设置一段光杆；所述的压头(6)的下端的压头面直接与橡胶试样(8)的上表面接触；所述的法兰(7)在测试前固定在下板(1)上，且法兰(7)的中心孔(16)位于上板(3)的中心位置，橡胶试样(8)卡在法兰(7)的中心孔(16)中，使橡胶试样(8)和压头(6)接触时不发生侧倾，在测试开始时，将法兰(7)卸载；

所述的下板(1)和上板(3)由镀铬材料或不锈钢制造，限制器(2)采用不锈钢材料制成；

所述的压力传感器(4)的规格为kzβk-1，准确度级别为0.001，输出灵敏度为2.248mV／V，温度范围为0℃～150℃，量程为980N。

2.根据权利要求1所述的一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的限制器(2)两端带外螺纹，限制器(2)在上的一端穿过上板(3)左或右通孔(11)，并用螺母系列(9)将限制器(2)与上板(3)固定一起，限制器(2)在下的一端固定在下板(1)上的垂直对应上板(3)左或右通孔(11)的沉孔(12)中。

3.根据权利要求1所述的一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的压力传感器(4)两端带外螺纹，压力传感器(4)在上的一端穿过上板(3)的中心通孔(10)，并通过螺母系列(9)固定在上板(3)上。

4.根据权利要求1所述的一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的下板(1)上，在以下板(1)的中心为圆心的圆上均匀开有4个螺纹孔(13)，用于将法兰(7)通过螺母系列(9)固定在下板(1)上。

5.根据权利要求1或4所述的一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的法兰(7)由两个半环(14)组成，两个半环(14)上各加工有两个孔(15)，4个孔(15)的位置分别对应下板(1)上4个固定法兰(7)的螺纹孔(13)。

6.根据权利要求1所述的一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备，所述的橡胶试样(8)为一圆柱状，且圆柱直径小于与橡胶试样(8)所接触的压头(6)的压头面的直径。

7.应用权利要求1所述的用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备的测试方法，其特征在于，所述的方法具体包括以下步骤：

步骤一、测试试样的制备和调试，具体是：

步骤1.1：加工一个圆柱状橡胶试样；

步骤1.2：将橡胶试样硫化并保证橡胶试样表面平整；

步骤1.3：依次进行热调节和机械调节；

步骤二、试验设备的安装及试验准备，具体是：

步骤2.1：根据所测试橡胶材料的邵尔硬度，确定试验压缩率，进而确定限制器的高度；

步骤2.2：安装测试设备，测试设备为所述的用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备：先将两个限制器固定于下板，然后将压力传感器和压头连接后整体固定于上板上，最后通过限制器将上板和下板固定一起；

步骤2.3：将连接压力传感器的传感器引线和外置的数据显示仪表相连，并将数据显示仪表的电源线和电源相接，在所述的测试设备处于零测试状态下对数据显示仪表进行调零和量程校准；

步骤2.4：采用橡胶测厚计测量橡胶试样的初始厚度，并将橡胶试样的上下表面涂上滑石粉，然后通过法兰将橡胶试样固定在下板上，并使橡胶试样位于压头的中心位置；

步骤2.5：拧紧上板左、右两侧固定限制器的螺母，尽量保证橡胶试样两侧受力均匀，拧紧所述螺母后撤除法兰，待数据显示仪表的数据稳定后，读取初始压缩应力值；

步骤三、进行老化试验并采集不同时间的压缩应力值，具体是：将带有橡胶试样的测试设备放置在老化试验箱内，接通电源，调节老化试验箱的温度，记录不同老化时间下橡胶试样的压缩应力值；

步骤四、达到规定老化时间，读取终止老化时间时的橡胶压缩应力值，从老化试验箱中取出测试设备进行冷却，冷却后将测试设备卸载，取出橡胶试样，在自由状态下停放一小时，用橡胶测厚计测量橡胶试样压缩后的恢复高度，进而确定该橡胶材料的压缩永久变形率；

步骤五、确定橡胶材料压缩应力松弛系数，具体根据

来确定，F_t表示一定时间t后的压缩应力值，F₀表示初始应力值。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述的橡胶试样(8)为一圆柱状，圆柱直径小于与橡胶试样(8)所接触的压头(6)的压头面的直径。

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