CN102589977A - 基于一种压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于一种压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法，属于橡胶材料寿命预测技术领域。首先，进行测试试样的制备和调试，试验设备的安装及试验准备，进行老化试验并采集不同时间压缩应力值，然后，进行数据的处理，利用MATLAB软件用压缩永久变形保持率或应力松弛保持率对老化时间的对数logt作图，得到不同老化温度下的散点图，对图中的数据采用Boltzmann数学函数拟合，最后，模型参数确定及寿命的预测。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，避免了温度的波动，减少了数据波动的因素，保证了寿命预测结果的准确性和可重复性。

Description

基于一种压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法

技术领域

本发明属于橡胶材料寿命预测技术领域，具体涉及基于一种压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法。

背景技术

橡胶制品在贮存过程中，容易受到外界环境中的不利因素的影响而失去使用价值。为了保证橡胶制品能够有效发挥其使用性能，需要对其贮存期的寿命进行合理的预测。研究橡胶材料老化的方法通常有自然老化实验方法、人工加速老化实验方法。自然老化试验方法是评定材料寿命最好的方法，但由于实验周期长，环境条件无法控制，各地区的环境条件有所不同，各种影响无法分离研究，所以自然老化实验方法所用较少。在加速老化试验方法方面，先后出现了烘箱加速老化试验方法、氧弹加速老化试验方法、空气老化试验方法、湿热老化试验方法、人工气候老化试验方法、人工抗霉试验盐雾方法、老化试验方法及利用反应机理和分子结构参数模拟橡胶的贮存和使用条件，直接将计算机作为一个老化箱进行老化试验的方法。热氧空气老化试验方法和湿热老化试验方法是人们最常用的两种加速老化试验方法。通常认为烘箱加速老化与实际自然老化最为接近。采用烘箱加速老化的方法，第一是可以缩短实验周期，第二可以控制环境条件进行试验，能够得到具有可比性的结果。橡胶材料在贮存条件下主要是热氧老化，其老化机制是热的作用将加速橡胶材料的降解、交联等化学变化，宏观表现为物理机械性能改变，某些性能与老化时间呈单一变化关系，如扯断伸长率、压缩永久变形率。

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。

目前橡胶的寿命预测方法很多。如较简单直观的热衷斜法估算硫化橡胶的热老化寿命的方法。该方法利用热重分析测试的结果计算出橡胶的热老化表观活化能，进而确定胶料热老化寿命线的斜率和截距，最终得到胶料的老化寿命曲线，即可估算其热老化寿命，但其重复性不佳，误差较大甚至过大。最新研究进展，如陈玉波应用蒙特卡洛仿真模型方法对某齐鲁系统的橡胶密封件进行了寿命评估，弥补了传统动力学方法的不足，但其可靠性有待进一步验证。方庆红等人把人工神经网络模型应用在橡胶寿命预测研究中。依据材料本身的分子结构及运动特点，以分子运动学为理论基础的本构模型。专注于分子运动产生的宏观现象并对现象作出解释与预测的一类模型，Maxwell模型和Kalven模型都是典型代表。寿命评估方法研究中，仍然以动力学的经验模型方法为主，其他的模型方法仍有待进一步的研究与检验。根据橡胶老化机理的研究，在一定温度范围内，橡胶材料及其制品的老化机理相同，利用三个以上温度的烘箱加速老化结果外推计算橡胶材料贮存期的方法。其中包括Dakin的线性关系方法，动力学曲线直线化方法及变量折合方法。

发明内容

本发明为了解决现有技术中橡胶寿命预测问题，提供一种基于一种压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法，利用本发明所述的压缩应力松弛测试设备采集数据，基于Arrhennius修正公式，进行橡胶寿命预测。

本发明提出的基于压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法，具体包括以下步骤：

步骤一、采用基于压缩应力松弛测试设备进行数据的采集，具体是：

步骤1.1：测试试样的制备和调试：加工一个圆柱状橡胶试样，将橡胶试样硫化并保证其表面平整，依次进行热调节和机械调节；

步骤1.2：试验设备的安装及试验准备；

步骤1.3：进行老化试验并采集不同时间压缩应力值：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1.4：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。

步骤二、利用MATLAB软件用压缩永久变形保持率或应力松弛保持率对老化时间的对数logt作图，得到不同老化温度下的散点图，对图中的数据采用Boltzmann数学函数拟合。

步骤三、将拟合后的参数值代入Boltzmann函数中，计算经过加速老化试验后，压缩永久变形达到临界值时老化时间的对数logt₁、logt₂、logt₃，根据二元线性回归法，用最大似然估计法来计算参数，

时， $Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\{{\log t}_i-(a_m-b_{\mathrm{ml}}{{\log }^T}_{\mathrm{il}}+\frac{b_{m2}}{T_{i2}})\}}^2$ 达到最小，分别求Q关于a_m，b_m1，b_m2的偏导数，并令他们等于零，将方程组化为矩阵的形式，将达到临界性能是的时间对数logt代入矩阵，用数学软件MATLAB编程求解，得到的值就是所预测的橡胶的寿命值。

所述步骤1.2具体是：步骤1.2.1：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1.2.2：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1.2.3：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1.2.4：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1.2.5：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。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明所采用的测试设备中，压力传感器及输出的传感器引线均适用于高温条件，因此本发明提供的设备能够进行高温橡胶压缩应力松弛的测试，能够为橡胶寿命的预测提供高温下的试验数据，有利于提高高温下橡胶寿命预测准确度。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，试验精度下降的问题，为试验寿命的提供了准确的数据，有利于预测结果准确度的提高。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下降。

(2)本发明提供的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，对寿命预测结果的提高有积极作用。

(3)本发明提供的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。

(4)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，避免了温度的波动，减少了数据波动的因素，保证了寿命预测结果的准确性和可重复性。

附图说明

图1为本发明的测试设备的总装配图；

图2为本发明的橡胶贮存寿命预测方法的步骤流程图。

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。

具体实施方法

本发明中所提供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。

所采用的测试设备如图1所示，主要包括：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，在中心通孔左右对称的位置各开有一个通孔，下板1上垂直对应上板3左、右通孔的位置各开有一个沉孔。左、右两个限制器2分别通过上板3左、右通孔以及下板1上左、右沉孔将下板1和上板3固定一起。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通过传感器引线与数据显示仪表连接。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。上板3的中心位置开有上下通透的中心通孔，在中心通孔左右对称的位置各开有一个上下通透的通孔，左、右两个通孔的中心位于过中心通孔的横向轴线上。在下板1垂直对应上板3左、右两个通孔的位置各开有一沉孔，沉孔用于将限制器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，用于将法兰7通过螺母系列9固定在下板1上。

本发明进行橡胶寿命预测的方法，基于Arrhennius修正公式进行寿命预测。

在GB/T20028-2005/ISO 11346：1997硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿伦尼乌斯图推算寿命和最高使用温度中给出了橡胶寿命的预测方法。该方法在实际使用过程中认为Arrhennius公式k(T)＝Aexp(-Ea/RT)中的指前因子A和活化能Ea在预测温度和测试温度范围内为常数，即与温度无关。更深层次的研究发现Arrhennius公式中的指前因子和活化能均与温度有关，故有此Arrhennius修正公式：

k(T)＝BT^b/Rexp(-(Ea‘+bT)/RT)

此公式中的B和Ea‘与温度无关；其中k(T)为反应速率常数；R为摩尔气体常数【8.314J/(mol·K)】；T为热力学温度(K)。

具体本发明提供的进行橡胶寿命预测的方法，如图2所示，具体包括如下步骤：

第一步，数据的采集。

根据上述实验装置的使用方法，分别在三个不同温度下加速老化试验，测定不同时间下老化的压缩永久变形ε和压缩应力的大小。计算出压缩变形保持率(1-ε)或应力松弛保持率F_t/F_O.具体方法如下：

①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。

②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。

③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的三套测试设备分别放置在三个不同老化温度试验箱内，接通电源，调节老化试验箱的温度，记录在三个不同老化温度下三个橡胶试样8随着时间变化的压缩应力值。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。

④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GB 1683-81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。

第二步，数据的处理。

利用MATLAB软件用压缩永久变形保持率或应力松弛保持率对老化时间的对数logt作图，得到不同老化温度下的散点图，对图中的数据采用Boltzmann数学函数拟合。Boltzmann函数如选所示：

$y=\frac{A_1-A_2}{1+e^{(x-x_0)/\mathrm{dx}}}+A_2$

式中：y为压缩永久变形保持率或应力松弛保持率；x为老化时间的对数；A₁、A₂、x_O、dx为函数参数。

第三步，模型参数确定及寿命的预测。

确定原始性能值变化的失效点。将拟合后的参数值代入Boltzmann函数中，计算经过加速老化试验后，压缩永久变形达到临界值时老化时间的对数logt₁、logt₂、logt₃。根据二元线性回归法，用最大似然估计法来计算参数。

时， $Q=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\{{\log t}_i-(a_m-b_{\mathrm{ml}}{{\log }^T}_{\mathrm{il}}+\frac{b_{m2}}{T_{i2}})\}}^2$ 达到最小，分别求Q关于a_m，b_m1，b_m2的偏导数，并令他们等于零，将方程组化为矩阵的形式，将达到临界性能是的时间对数logt代入矩阵，用数学软件MATLAB编程求解。

Claims (3)

1.基于一种压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤一、采用基于压缩应力松弛测试设备进行数据的采集；

步骤二、利用MATLAB软件用压缩永久变形保持率或应力松弛保持率对老化时间的对数logt作图，得到不同老化温度下的散点图，对图中的数据采用Boltzmann数学函数拟合。

步骤三、将拟合后的参数值代入Boltzmann函数中，计算经过加速老化试验后，压缩永久变形达到临界值时老化时间的对数logt₁、logt₂、logt₃，根据二元线性回归法，用最大似然估计法来计算参数， 

时，

达到最小，分别求Q关于a_m，b_m1，b_m2的偏导数，并令他们等于零，将方程组化为矩阵的形式，将达到临界性能是的时间对数logt代入矩阵，用数学软件MATLAB编程求解，得到的值就是所预测的橡胶的寿命值。

2.根据权利要求1所述的一种压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法，其特征在于，所述的步骤一具体包括：

步骤1.1：测试试样的制备和调试：加工一个圆柱状橡胶试样，将橡胶试样硫化并保证其表面平整，依次进行热调节和机械调节；

步骤1.2：试验设备的安装及试验准备；

步骤1.3：进行老化试验并采集不同时间压缩应力值：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1.4：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。

3.根据权利要求2所述的一种压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1.2具体是：步骤1.2.1：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1.2.2：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1.2.3：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1.2.4：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1.2.5：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。 

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