CN102645401B - 测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测试橡胶密封件动态阻力的装置及方法，属于材料力学性能测试领域。该装置包括机座、水平方向拖动装置、竖直方向动力加载装置、带滚轮的测量平台、平台导轨、高低温试验箱、第一力传感器、第二力传感器以及带有数据处理程序的微机。该方法通过微机控制伺服电机，驱动加载头对装夹在温度箱内平台上的密封件进行水平和竖直两个方向加载，使用力传感器测量竖直方向的正压力和水平方向的摩擦力。本发明能够测量不同加载与温度条件下密封件的动态阻力，具有测量方便快捷，数据精准等特点。

Description

测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置及方法

技术领域

本发明属于材料力学性能测试技术领域，涉及测量密封件的高低温动态阻力系数的试验装置及方法，特别涉及测量密封件高低温动态阻力系数的测试装置和方法。

背景技术

材料的动态阻力性能是力学性能的重要方面。传统的摩擦测试方法是将标准方块试样置于摩擦测试仪上进行匀速拉动，得到薄片或薄膜的最大静摩擦力和滑动态阻力系数。测量前需要预制符合尺寸和形状的试件，不能直接用来测量具有一定形状的密封件动态阻力性能。在实际工程应用中，尤其像应用在航空航天飞行器上的密封件，不仅有加载力，而且接触条件和工作温度很复杂，对密封件动态阻力性能的影响也大，传统的摩擦试验机不能用来测量这些复杂条件下的动态阻力性能。

发明内容

因此，提供一种改进的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，该试验装置可测量不同温度下、不同加载条件下产生的动态阻力系数将是有利的。

为此，根据本发明的一个方面，提供一种测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，该装置包括机座、高低温试验箱、可移动的测量平台、控制单元、分别与控制单元电连接的竖直方向动力加载装置、水平方向拖动装置、第一力传感器以及第二力传感器，其中，高低温试验箱置于上述机座上；可移动的测量平台具有滚轮并置于上述高低温试验箱内的平台导轨上，上述测量平台包括位于其上部用来夹持密封件的夹具；竖直方向动力加载装置具有位于高低温试验箱内的可拆卸加载头，上述控制单元控制竖直方向动力加载装置使得加载头沿竖直方向移动以对密封件加载一预定位移；水平方向拖动装置与竖直方向动力加载装置固连，从而当加载头压缩密封件并移动到所述预定位移时，控制单元启动水平方向拖动装置以拖动上述加载头在密封件上沿水平方向来回滑动；第一力传感器分别与上述测量平台和上述机座固连用于将其动态感测的第一信号发送至控制单元；第二力传感器设置在加载头上远离密封件的一端，上述第二力传感器用来将其动态感测的第二信号发送至控制单元；控制单元对第一传感器和第二传感器分别发送来的第一和第二信号进行处理得到密封件在不同温度下的动态阻力系数。

在本发明的该方面，通过高低温试验箱的设置可以将密封件置于想要的测量温度下，并在加载头对密封件进行加载预定位移的情况下，通过水平方向拖动装置带动加载头沿水平方向相对密封件作往复运动，从而使得控制单元可通过处理第一和第二传感器感测的力信号得到密封件在不同温度下的动态阻力系数。另外，由于加载头是可拆卸的，因此可以根据需要更换以模拟不同的工况。

优选地，上述第一信号对应于加载头对密封件的水平方向动态阻力和系统摩擦力合力；上述第二信号对应于加载头施加到密封件上的压力。

优选地，上述水平方向拖动装置包括第一伺服电机、由第一伺服电机驱动的第一传动机构、与第一传动机构连接的水平拖动块以及与水平拖动块固连的隔板，上述隔板位于上述高低温试验箱上部的凹槽内并可带动加载头水平移动。

在该优选结构中，由于隔板的设置保证了高低温试验箱的密闭性，同时实现了对加载头的水平拖动。

再优选地，上述竖直方向动力加载装置包括与水平拖动块固连的第二伺服电机、由伺服电机驱动的第二传动机构、一端与第二传动机构相连接而另一端经由第二力传感器与加载头相连接的竖直压块。

在该优选结构中，第二传动机构将转动转化为平动并借助于竖直压块传递给加载头，以便加载头向下向密封件加载。

进一步优选地，上述加载头为两件式结构，其包括连接件和可拆卸压头的，第二力传感器设置在连接件的末端，可拆卸压头用来向密封件加载。通过两件式结构的设置，可实现对压头的拆卸和更换，以便满足不同加载条件。

又进一步优选地，上述可拆卸压头可以采用平底压头、线压头或圆弧压头。从而，可拆卸压头可以模拟平面接触加载、线接触加载等。

优选地，上述控制单元为带有数据处理程序的微机。

再优选地，高低温试验箱具有设置在高低温试验箱箱体内的温度传感器和设置在箱体外并与所述温度传感器电连接的温度控制器。通过温度传感器的设置，可以感测高低温试验箱内的温度并借助于显示器等装置显示出来；而温度控制器的设置可以方便试验者调控高低温试验箱内的试验温度。

进一步优选地，上述密封件为橡胶密封件。

根据本发明的另一个方面，提供一种采用上述测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的方法，该方法包括如下步骤：

1)将密封件装夹在测量平台上，选择与密封件相匹配的加载头；

2)调节高低温试验箱内的温度使其达到一预定温度值；

3)通过控制单元启动竖直方向动力加载装置使加载头压缩密封件并沿竖直方向移动预定位移；

4)当到达预定位移时，通过控制单元启动水平方向拖动装置，从而带动加载头在密封件上沿水平方向上来回滑动；

5)当加载头在密封件上水平滑动时，第一力传感器将其每一时刻感测到的第一信号F_s1发送到控制单元，同时第二力传感器将其每一时刻感测到的作为第二信号的加载头施加到试件上的正压力F发送到控制单元；

6)控制单元利用每一时刻得到的第一信号F_s1，通过公式f＝F_s1-F_a求得每一时刻加载头对密封件的动态阻力f，其中：F_a为已知的系统摩擦力；

7)控制单元利用求得的每一时刻的正压力F和动态阻力f，通过公式进行计算，得到每个时刻的动态阻力系数，

式中：μ代表每个时刻的动态阻力系数，f代表每个时刻的动态阻力，F代表每个时刻的正压力。

优选地，控制单元为微机。

再优选地，在上述步骤7)之后微机根据以上关系得到动态阻力系数-时间曲线并显示在屏幕上，截取动态阻力系数-时间曲线中间的一段曲线，该段曲线占整个曲线的60％，求平均值作为密封件在该温度和加载条件下的平均动态阻力系数，即式中：μ代表平均动态阻力系数，μ_i代表某一时刻的动态阻力系数，N代表所取动态阻力系数的个数。

进一步优选地，上述不同加载力下的已知系统摩擦力F_a可在上述步骤1)之前测得，即：在步骤1)未将密封件安装到测量平台之前，先将加载头取下，用测力计对测量平台进行水平左右拉动，此时测力计测得值模拟的是加载头与密封件间的动态阻力f，也记为f；第一力传感器测得的值模拟步骤5)中加载测试时第一传感器的测量值F_s1，也记作F_s1，则系统摩擦力F_a可以通过公式F_a＝F₁+F₂＝F_s1-f求出，式中：F₁代表平台导轨对测量平台滚轮的摩擦力，F₂代表第一传感器与高低温试验箱之间的摩擦力；在测试平台上加载不同的砝码模拟不同的加载力，测得不同加载力下的系统摩擦力F_a，将测定结果输入到控制单元以便随后使用。

总之，本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：能够测量不同温度下密封件的动态阻力系数；能够使用不同的加载头对密封件进行加载来模拟不同的工况；由微机控制，能够对竖直加载力、水平运动规律等进行设置，自动加载测量、处理数据和得出结果，并实时显示；能够测量密封件不同时刻的动态阻力系数，并给出整个密封件的平均动态阻力系数。

通过参考下面所描述的实施方式，本发明的这些方面和其他方面将会得到清晰地阐述。

附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和优点将通过下面结合附图的描述得到更好地理解，其中，相同的参考标记标识相同的元件：

图1是根据本发明的一优选实施方式的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置的示意图；

图2a-b分别是平底压头的主视图和左视图；

图3a-b分别是线压头的主视图和左视图；

图4a-b分别是圆弧压头的主视图和左视图；

图5是根据本发明的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的方法的流程框图；

图6是测量不同加载力下系统摩擦力的受力图。

其中：

1-机座

2-高低温试验箱

21-温度传感器

22-温度控制器

3-测量平台

31-滚轮

4-平台导轨

水平方向拖动装置

51-第一伺服电机

52-第一传动机构

53-水平拖动块

54-隔板

竖直方向动力加载装置

61-第二传动机构

62-第二伺服电机

63-竖直压块

64-加载头

7-第一力传感器

8-第二力传感器

9-微机

10-密封件

具体实施方式

根据要求，这里将披露本发明的具体实施方式。然而，应当理解的是，这里所披露的实施例仅仅是本发明的典型例子而已，其可体现为各种形式。因此，这里披露的具体细节不被认为是限制性的，而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教导本领域技术人员以实际中任何恰当的方式不同地应用本发明的代表性的基础，包括采用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有明确披露的特征。

图1示出了根据本发明的一优选实施方式的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，该装置包括机座1、位于机座1上的高低温试验箱2、置于高低温试验箱2内的测量平台3、承载测量平台3的平台导轨4、水平方向拖动装置51-54、竖直方向动力加载装置61-64、第一力传感器7、第二力传感器8、以及分别与水平方向拖动装置51-54、竖直方向动力加载装置61-64、第一力传感器7以及第二力传感器8电连接的带有数据处理程序的微机9。需要说明的是，本实施方式中密封件是指橡胶密封件10，当然具有一定弹性变形能力的其他材料的试件也是可以的。

再参见图1来说明本实施方式中试验装置的具体结构。

高低温试验箱2具有设置在高低温试验箱箱体内的温度传感器21和设置在箱体外并与所述温度传感器21电连接的温度控制器22，其中，通过温度传感器21的设置，可以感测高低温试验箱2内的温度并借助于显示器等装置(图未示)显示出来；而温度控制器22的设置可以方便试验者调控高低温试验箱2内的试验温度。另外，测量平台3安装在高低温试验箱2内的平台导轨4上，并可借助于其底部的滚轮31在平台导轨4上滑动。

水平方向拖动装置51-54包括第一伺服电机51、由第一伺服电机51驱动的第一传动机构52、与第一传动机构52连接的水平拖动块53和隔板54，其中隔板54位于高低温试验箱2的顶部并可在该顶部上水平滑动，例如借助于高低温试验箱2顶部的例如凹槽形导轨，隔板54与水平拖动块53固连，从而可在水平拖动块53的带动下在高低温试验箱2的顶部水平滑动，并同时保证了高低温试验箱2的相对密闭。

竖直方向动力加载装置61-64包括第二伺服电机61、第二传动机构62、竖直压块63和加载头64，其中，第二伺服电机61与水平拖动块53固连，第二传动机构62由第二伺服电机61驱动，竖直压块63一端与第二传动机构62相连接而另一端经由第二力传感器8与加载头64相连接。

通过此种结构，可实现加载头64在竖直和水平两个方向的移动。需要说明的是，为了实现加载头64的水平移动，可在高低温试验箱2的顶板上开长孔(图未示)，加载头64穿过隔板54并与之过盈配合，从而能够保证加载头64在沿竖直方向移动时可同时在水平拖动块53的带动下沿该长孔水平移动。

第一力传感器7分别与测量平台3和机座1固连；第二力传感器8的上、下底面分别与竖直压块63和加载头64固连；第一伺服电机51、第二伺服电机61、第一力传感器7、第二力传感器8分别通过通信线缆与微机9连接。

下面再参见图1介绍下如何实现加载头64在竖直和水平两个方向的移动。试验者可向微机9发出指令来启动竖直方向动力加载装置61-64，即微机9启动第二伺服电机61，第二传动机构62在第二伺服电机61的驱动下将转动转化为平动，从而最终实现加载头64的竖直移动。另外，当加载头64向下移动一预定位移时，可由微机9启动水平方向拖动装置5的第一伺服电机51，从而驱动第一传动机构52来带动水平拖动块3水平移动，从而进一步带动隔板2沿高低温试验箱2的顶部水平移动。由于加载头64穿过隔板54并与之过盈配合固定，从而当隔板54水平移动时，会带动加载头64沿高低温试验箱2的顶部上所开的长孔水平移动。

图2a-b分别是具有平底压头的加载头的主视图和左视图；图3a-b分别是具有线压头的加载头的主视图和左视图；图4a-b分别是具有圆弧压头的加载头的主视图和左视图，其中，每个加载头64为两件式结构，其包括连接件641和可拆卸压头642的。通过两件式结构的设置，可实现对压头的拆卸和更换，以便满足不同加载条件。实践中，可以根据需要选用不同的加载头64来模拟使用中不同结构对密封件10的压缩。

图5是根据本发明的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的方法的流程框图。如图所示，根据本发明的测量密封件在不同温度下动态阻力的方法包括如下步骤：

S₁₀₁将密封件10装夹在测量平台3上，选择与密封件10相匹配的加载头64；

S₁₀₂调节高低温试验箱2内的温度使其达到一预定温度值；

S₁₀₃通过微机9启动竖直方向动力加载装置的第二伺服电机61使加载头64压缩密封件10并沿竖直方向移动预定位移；

S₁₀₄当加载头64到达预定位移时，通过微机9启动水平方向拖动装置的第一伺服电机51，从而带动加载头64在密封件10上沿水平方向来回滑动；

S₁₀₅当加载头64在密封件10上水平来回滑动时，第一力传感器7将其每一时刻感测到的第一信号F_s1发送到微机9，同时第二力传感器8将其每一时刻感测到的作为第二信号的加载头64施加到密封件上的正压力F发送到微机9；

S₁₀₆微机9利用每一时刻得到的第一信号F_s1，通过公式f＝F_s1-F_a求得每一时刻加载头64对密封件10的动态阻力f，其中：F_a为试验前已知的系统摩擦力；

S₁₀₇微机9利用得到的每一时刻的正压力F和动态阻力f，通过公式进行计算，得到每个时刻的动态阻力系数，式中：μ代表每个时刻的动态阻力系数，f代表每个时刻的动态阻力，F代表每个时刻的正压力。

S₁₀₈微机根据所求得的每个时刻的动态阻力系数生成动态阻力系数-时间曲线并显示在屏幕上，截取动态阻力系数-时间曲线中间的一段曲线，该段曲线占整个曲线的60％，求平均值作为密封件10在该温度和加载条件下的平均动态阻力系数，即式中：μ代表平均动态阻力系数，μ_i代表某一时刻的动态阻力系数，N代表所取动态阻力系数的个数。

应当理解的是，上述的已知系统摩擦力F_a是随着密封件10所受的正压力的变化而变化的，但在同一正压力下，系统摩擦力F_a是不变的。因此，在进行上述试验之前，已经测好一系列不同加载力下的系统摩擦力F_a并存于微机9中以便微机9随时调取使用。

下面参照图6介绍一下系统摩擦力F_a的测得方式。

图6是测量系统摩擦力的受力图。当加载头64在密封件10上滑动时，加载头64对密封件10有竖直方向的正压力F和水平方向的动态阻力f，则密封件对测量平台3的力也为f。由于水平导轨4与测量平台3之间也有一定的摩擦力F₂；测量平台3与第一传感器7之间的连杆穿过高低温试验箱2，连杆与高低温试验箱2也存在摩擦F₁。这里将F₁和F₂矢量和记为F_a，称为系统摩擦力。

在上述步骤S101之前，即未将密封件10安装到测量平台3之前，先将加载头64取下，用测力计对测量平台3进行水平左右拉动，此时测力计测得值模拟的是加载头64与密封件10间的动态阻力，也记为f；第一力传感器7测得的值模拟步骤S₁₀₅中加载测试时第一传感器7的测量值，也记作F_s1，则系统摩擦力F_a可以通过公式F_a＝F₁+F₂＝F_s1-f求出。

在测试平台3上加载不同的砝码模拟不同的加载力，测得不同加载力下的系统摩擦力F_a，将测定结果输入到微机9以方便微机9根据需要调取使用。

应当理解的是，上述水平方向拖动装置的运动可预先设定，例如，微机已经预定设定好水平拖动块水平方向移动行程、次数、频率、周期，在试验的过程中，微机不断从预先设置的这些参数中读取相关数据，判断当前状态是否满足设置的参数，如果不满足，则分别对第一伺服电机和第二伺服电机发送信号，控制两个伺服电机转动。伺服电机会反馈加载行程和速度等信息，同时会通过传动机构带动加载头进行竖直或水平加载。第一和第二力传感器测量各时刻的动态阻力(未修正)和正压力，并将测量值传送给微机。

需要注意的是，每次试验是在一预定温度下、预定正压力下，去测得这一温度和压力下的动态阻力系数；但根据本发明的装置和方法是可以根据要求调节温度和加载的正压力的，因此，能够测得不同温度、不同压力下的动态阻力系数。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述结构和材料作各种变化和改进，包括这里单独披露或要求保护的技术特征的组合，明显地包括这些特征的其它组合。这些变形和/或组合均落入本发明所涉及的技术领域内，并落入本发明权利要求的保护范围。需要注意的是，按照惯例，权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个这样的元件。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (11)

1.一种测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，包括：

机座；

高低温试验箱，其置于所述机座上；

可移动的测量平台，其具有滚轮并置于所述高低温试验箱内的平台导轨上，所述测量平台包括位于其顶部用来夹持密封件的夹具；

竖直方向动力加载装置，其具有位于高低温试验箱内的可拆卸加载头，所述加载头用来向所述密封件加载；

水平方向拖动装置，其与所述竖直方向动力加载装置固连用来沿水平方向拖动所述加载头；

控制单元，其分别与所述竖直方向动力加载装置和所述水平方向拖动装置电连接，用于控制所述竖直方向动力加载装置运动从而使加载头沿竖直方向移动以对密封件加载一预定位移；当加载头压缩密封件并移动到所述预定位移时，控制单元控制水平方向拖动装置运动以沿水平方向拖动所述加载头在密封件上来回滑动；

第一力传感器，其分别与所述测量平台和所述机座固连并与所述控制单元电连接，用于动态感测并产生与密封件的动态摩擦力相关的第一信号，所述第一信号被发动至所述控制单元；

第二力传感器，设置在所述加载头上远离所述密封件的一端并与所述控制单元电连接，所述第二力传感器用于动态感测所述加载头施加到所述密封件上的正压力并产生第二信号发送至所述控制单元；

所述控制单元对第一传感器和第二传感器分别发送来的第一和第二信号进行处理得到密封件在不同温度下的动态阻力系数；

所述水平方向拖动装置包括第一伺服电机、由所述第一伺服电机驱动的第一传动机构、与所述第一传动机构连接的水平拖动块以及与所述水平拖动块固连的隔板，所述隔板位于所述高低温试验箱上部的凹槽内并可带动所述加载头水平移动；

所述竖直方向动力加载装置包括与所述水平拖动块固连的第二伺服电机、由伺服电机驱动的第二传动机构、一端与第二传动机构相连接而另一端经由第二力传感器与所述加载头相连接的竖直压块

所述加载头为包括连接件和可拆卸压头的两件式结构，所述第二力传感器设置在所述连接件的末端，所述可拆卸压头用来向所述密封件加载；

所述加载头为包括连接件和可拆卸压头的两件式结构，所述第二力传感器设置在所述连接件的末端，所述可拆卸压头用来向所述密封件加载；

所述可拆卸压头采用平底压头、线压头或圆弧压头的形式。

2.如权利要求1所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，其特征在于，所述第二力传感器的上、下表面分别与所述竖直压块和所述加载头的连接件固定连接。

3.如权利要求2所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，其特征在于，所述加载头的连接件穿过所述隔板延伸从而被所述隔板带动。

4.如权利要求1至3任一所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，其特征在于，所述控制单元为带有数据处理程序的微机。

5.如权利要求4所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，其特征在于，所述高低温试验箱具有设置在高低温试验箱箱体内的温度传感器和设置在箱体外并与所述温度传感器电连接的温度控制器。

6.如权利要求5所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，其特征在于，所述密封件为橡胶密封件。

7.如权利要求6所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置，其特征在于，所述第一传动机构和第二传动机构采用丝杠-螺母机构或齿轮-齿条机构。

8.采用如权利要求1至7中任一项所述测量密封件在不同温度下动态阻力系数的试验装置的一种测量密封件在不同温度下动态阻力系数的方法，包括如下步骤：

1)将密封件装夹在测量平台上，选择与密封件相匹配的加载头；

2)调节高低温试验箱内的温度使其达到一预定温度值；

3)通过控制单元启动竖直方向动力加载装置使加载头压缩密封件并沿竖直方向移动预定位移；

4)当到达预定位移时，通过控制单元启动水平方向拖动装置，从而带动加载头在密封件上沿水平方向上来回滑动；

5)当加载头在密封件上水平滑动时，第一力传感器将其每一时刻感测到的第一信号F_sl发送到控制单元，同时第二力传感器将其每一时刻感测到的作为第二信号的加载头施加到密封件上的正压力F发送到控制单元；

6)控制单元利用每一时刻得到的第一信号F_sl，通过公式f＝F_sl-F_a求得每一时刻加载头对密封件的动态阻力f，其中：F_a为已知的系统摩擦力；

7)控制单元利用接收到的每一时刻的正压力F和动态阻力f，通过公式进行计算，求得每个时刻的动态阻力系数，式中：μ代表每个时刻的动态阻力系数，f代表每个时刻的动态阻力，F代表每个时刻的正压力。

9.如权利要求8所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的方法，其特征在于，还包括如下步骤：控制装置根据求得的每个时刻的动态阻力系数生成动态阻力系数-时间曲线，并显示在屏幕上；

截取动态阻力系数-时间曲线中间的一段曲线，该段曲线占整个曲线的60％，求平均值作为密封件在该温度和加载条件下的平均动态阻力系数，即式中，μ代表平均动态阻力系数，μ_i代表某一位置的动态阻力系数，N代表所取动态阻力系数的个数。

10.如权利要求9所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的方法，其特征在于，通过高低温试验箱外部的温度控制器对箱内的温度进行调节，使密封件处于一定的温度场中。

11.如权利要求10所述的测量密封件在不同温度下动态阻力系数的方法，其特征在于，所述控制单元是微机，利用微机控制竖直方向动力加载装置的第二伺服电机转动，第二传动机构将第二伺服电机的转动转化为平动从而驱动加载头向下运动对密封件进行竖直方向的加载；微机控制水平方向拖动装置的第一伺服电机转动，第一传动机构将第一伺服电机的转动转化为平动从而驱动水平拖动块带动加载头在密封件上沿水平方向来回滑动。