CN106338446B - 一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置 - Google Patents

一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置，包括试验机框架、力传感器、回弹加载圆柱、回弹助推质量块、回弹助推质量块耳朵、回弹弹簧、卡簧机构、回弹机构框架、回弹杆、试验机移动横梁、推力弹簧、限位格挡、推力杆、平行激光发生器、密封圈、激光接收装置、夹具平台等。本发明操作简单、性能稳定、精准度高、适用性广，可以精确地测试多种材料的回弹特性。也即本发明精确地测定橡胶密封圈以及多种材料的回弹性能。

Description

一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置
技术领域
本发明涉及一种测试装置，尤其涉及一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置，属于材料性能测试领域。
背景技术
目前，在材料性能测试领域涉及材料回弹性能的测试方法还不是很多。橡胶密封圈的密封特性在船舶、航天、汽车等多种领域有着至关重要的应用。回弹特性作为表征橡胶圈动态密封效能的重要特性之一，反应了橡胶材料的受压达到熵平衡状态后弹性内能自由释放所表现出的变形特性。因此，研究橡胶密封圈的回弹特性尤为重要。目前已有测试方法的机械结构相对较为复杂，试验过程繁琐，对试验人员要求比较高。同时位移测量系统和数据收集系统较为落后，测量精度低，试验结果误差大，实用性不强。
发明内容
本发明的目的是在于针对现有的密封圈回弹速率试验测试技术的不足，提供一种能够实现精确测定橡胶等多种材料的基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置，对研究材料尤其是橡胶材料的回弹特性设计了一个更好的试验装置。
本发明的目的是这样实现的：包括试验机框架，试验机框架的顶端设置有力传感器，力传感器的下端连接有中空的回弹加载圆柱，试验机框架上设置有滑槽，试验机移动横梁安装在滑槽中，试验机移动横梁的中间位置设置有套筒，套筒的外表面设置有上框架和下框架，且上框架位于试验机横梁上方，下框架位于试验机横梁下方，上框架的外表面与回弹加载圆柱的内表面配合，套筒内设置有回弹杆，上框架内设置有回弹助推质量块，且回弹助推质量块通过回弹助推质量块耳朵卡在上框架上，回弹杆的上端位于回弹助推质量块的上方，回弹助推质量块与试验机横梁之间设置有回弹弹簧，下框架内设置有限位格挡，且限位格挡与试验机横梁之间设置有推力弹簧，回弹杆的下端穿过限位格挡且回弹杆的下端固连有推力杆，推力杆的端部伸出至下框架外，所述上框架的外表面还设置锁死上框架的卡簧机构，试验机框架的底部设置有夹具平台，夹具平台上端安装有平行激光发生器、试验台和激光接收装置，实验台位于平行激光发生器与激光接收装置之间，待测密封圈设置在实验台上。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.卡簧机构包括设置在上框架外侧的制动器底座、制动连臂一、制动连臂二、制动三角一、制动三角二、连杆一、连杆二，连杆一的一端、连杆二的一端铰接后形成气动装置或电磁铁连接口，气动装置或电磁铁连接口与动力源连接，连杆一的另一端与制动三角一的一端铰接，制动三角一的另一端通过转轴与制动连臂一固定铰接在制动器底座上，连杆二的另一端与制动三角二的一端铰接制动三角二的另一端通过转轴与制动连臂二固定铰接在制动器底座上，制动连臂一的端部设置有小拉力载荷弹簧连接口一，制动连臂二的端部设置有小拉力载荷弹簧连接口二，小拉力载荷弹簧连接口一与小拉力载荷弹簧连接口二之间设置有拉力弹簧，制动连臂一上设置有制动牙一，制动连臂二上设置有制动牙二，制动牙一的端部与制动牙二的端部分别穿过上框架后与回弹助推质量块上设置的凹槽配合。
2.激光接收装置包括滤光片和线阵CCD，线阵CCD与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接。
3.上框架的内部的顶端还设置有吸能器，且吸能器是金属橡胶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明相比其它已有发明有明显的技术改进和提升。本发明主要包含试验加载系统、自动回弹系统、防止二次撞击吸能器、激光位移测量系统、测量控制软件及综合操控台等五大主要部分组成。本发明中加载系统、自动回弹系统和防止二次撞击吸能器等主体结构相对简单，试验系统操作简便。在测试材料回弹速率时，自动回弹系统可使压载密封圈上的推力杆快速离开，极大的减小了测量误差。激光位移系统采用CCD图像传感器，使用线阵CCD作为探测元件拾取平行激光场中待测器件的图像，可以十分精确地测量密封橡胶圈的回弹位移-时间曲线。测量控制软件及综合控制台可控制试验机的加卸载等动作以及标校激光位移系统测得的密封圈的回弹位移-时间曲线，从而得到所测橡胶圈的回弹速率。本发明操作简单、性能稳定、精准度高、适用性广，可以精确地测试多种材料的回弹特性。也即本发明精确地测定橡胶密封圈以及多种材料的回弹性能。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是卡簧机构的结构示意图；
图3是本发明的原理图；
图4是弹簧参数表。
图中：1、试验机框架，2、力传感器，3、回弹加载圆柱，4、吸能器，5、回弹助推质量块，6、回弹助推质量块耳朵，7、回弹弹簧，8、卡簧机构，9、上框架，10、回弹杆，11、试验机移动横梁，12、推力弹簧，13、限位格挡，14、回弹杆，15、平行激光发生器，16、密封圈，17、激光接收装置，18、夹具平台，25、下框架，26、套筒，8-1、制动器底座，8-2、小拉力载荷弹簧连接口一，8-3、制动连臂一，8-4、制动牙一，8-5、制动三角一，8-6、连杆一，8-7、气动装置或电磁铁连接口，8-8、连杆二，8-9、制动三角二，8-10、制动牙二，8-11、制动连臂二，8-12、小拉力载荷弹簧连接口二，15、平行激光发生器，16、密封圈，19、平行激光，20、试验台，21、滤光片，22、线阵CCD，23、TLC5510数据采集器，24、计算机。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图3，本发明包含试验加载系统、自动回弹系统、防止二次撞击吸能器、激光位移测量系统、测量控制软件及综合操控台等五大主要部分组成。在试验时，试验加载系统可测试压缩载荷，调节密封圈加载的位置，其加载精度可达0.001mm。自动回弹系统利用回弹弹簧可使回弹杆快速回弹，回弹速率≥1000mm/s(最大回弹力≥20KN)。激光位移测量系统可精确的测量密封圈的位移-时间曲线，其测量精度达0.014mm，从而精准测出密封圈的回弹特性。
所述试验加载系统由试验机移动横梁11、回弹杆10、回弹助推质量块5、回弹助推质量块耳朵6、上套筒以及上套筒底筒和回弹助推质量块5之间的回弹弹簧7连接在一起组成了加载机构。该系统可通过计算机控制系统实现加载及速度调节，调速比为100000:1。
所述试验自动回弹系统主要包含上框架9、下框架25、推力弹簧12、回弹弹簧10、回弹助推质量块5等部件，其中为保证回弹杆和推力杆沿轴向竖直运动，使用限位圈弹簧对其进行周向固定。该系统利用弹簧加载，在释放装置打开后至推力杆离开橡胶圈30mm的距离时，总时间小于0.0024秒，极大程度上减小了密封圈回弹速率测试误差。该系统利用弹簧加载。推力弹簧采用节距为26.7的直径为14mm的60Si2Mn材料制成，两端圈并紧并磨平的圆柱螺旋压缩弹簧，有效圈数为8圈，总圈数为10圈。回弹弹簧采用组合圆柱螺旋压缩弹簧，其内圈弹簧采用节距为26.7的直径为14mm的60Si2Mn材料制成，外圈弹簧采用节距为44.2的直径为20mm的60Si2Mn材料制成。所述的卡簧装置由小载荷拉力弹簧、连接杆8-3、制动牙8-4、气动装置或电磁铁组成。回弹弹簧采用组合圆柱螺旋压缩弹簧，其参数如图4中的表所示：
卡簧机构8主要包括卡簧机构包括设置在上框架外侧的制动器底座、制动连臂一、制动连臂二、制动三角一、制动三角二、连杆一、连杆二，连杆一的一端、连杆二的一端铰接后形成气动装置或电磁铁连接口，连杆一的另一端与制动三角一的一端铰接，制动三角一的另一端通过转轴与制动连臂一固定铰接在制动器底座上，连杆二的另一端与制动三角二的一端铰接制动三角二的另一端通过转轴与制动连臂二固定铰接在制动器底座上，制动连臂一的端部设置有小拉力载荷弹簧连接口一，制动连臂二的端部设置有小拉力载荷弹簧连接口二，小拉力载荷弹簧连接口一与小拉力载荷弹簧连接口二之间设置有拉力弹簧，制动连臂一上设置有制动牙一，制动连臂二上设置有制动牙二，制动牙一的端部与制动牙二的端部分别穿过上框架后与回弹助推质量块上设置的凹槽配合。在试验加载过程中，当回弹助推质量块的卡槽与该装置的制动牙接触后，卡簧装置即完成对回弹机构框架的锁定，从而使回弹助推质量块和回弹机构框架均被固定。测试回弹曲线时，打开卡簧装置开关，回弹助推质量块在回弹弹簧作用下快速向上移动，撞击回弹杆向上移动，从而推力杆离开紧压的密封圈，通过激光位移测量系统测得密封圈的回弹位移-时间曲线。通过气动装置或电磁铁向外拉动连接杆可快速实现限制和释放质量块回弹。
所述试验激光位移测量系统采用激光光源和光束、激光接收器17、驱动器和数据采集器、平行激光发生器15和接收器台架等部件组成。该系统由平行激光发生器15产生平行光场19，照射在密封圈16和试验台20上，CCD实时测试接收到的光线，并记录透光部分的长度，减去整个平行光场即可得到密封圈回弹位移。该系统由激光器产生平行光场，照射在密封圈和夹具底座上，CCD实时测试接收到的光线，并记录透光部分的长度，减去整个平行光场即可得到密封圈回弹位移。该系统中CCD图像传感器使用线阵CCD作为探测元件，拾取平行激光场中待测器件的图像，该图像上元件遮挡的部分光强基本为零，线阵CCD的驱动时序由FPGA产生；数据采集模块使用AD转换器TLC5510采集由线阵CCD输出的电压信号，控制TLC5510的时序信号也由系统中的FPGA产生；采用TI的DSP芯片TMS320VC5509A作为系统的主控芯片，用于实现图像信号的读取、计算待测器件的尺寸及一些其他的控制功能；对于AD转换器和DSP芯片之间的数据缓冲采用FIFO存储器，用于解决AD转换器数据采样和DSP芯片读取数据速度不匹配的问题。该系统还设计了通信模块用于和计算机实现通信，可将测得的待测元件的尺寸信息上传到计算机中进行显示或者用于接收计算机中发来的命令。
所述测量控制软件及综合操控台主要由计算机和控制、测量、记录软件组成，具备视频记录、传感器标定和测量记录数据。
所述防止二次撞击吸能器4是安装在回弹机构框架最上端的金属橡胶，能够吸收质量块在回弹时具有的冲击能，防止回弹助推质量块的二次撞击对测试结果产生影响。
试验加载系统通过位移控制试验机移动横梁位置，调节密封圈加载的位置，自动回弹系统通过回弹弹簧和推力弹簧使回弹杆先压在测试密封圈上，然后再离开密封圈来测试密封圈回弹特性。激光位移测量系统在回弹杆离开密封圈过程中，可精确地获得密封圈的回弹位移-时间曲线。然后通过测量控制软件及综合控制台记录数据，并对密封圈回弹位移-时间曲线进行校标，从而得到该测试密封圈的回弹特性。
本发明的主要工作过程是：
(1)本试验装置在不工作时，处于自由状态，回弹弹簧7未加载，推力弹簧12处于松弛状态，卡簧(8)装置处于打开位置。
(2)试验时，首先通过综合操控台的控制系统使加载机构完成加载过程。试验机移动横梁11向上移动，使回弹加载圆柱3底侧与回弹助推质量块耳朵6接触，并使回弹助推质量块5与回弹机构框架9底筒之间的回弹弹簧7压缩。
(3)随着试验机移动横梁11向上移动，回弹杆10由于推力杆12的限制，回弹助推质量块5与回弹杆10分离。
(4)试验机移动横梁11继续向上移动，当回弹助推质量块5的卡槽(凹槽)与制动牙8-4和8-10接触后，卡簧机构8即完成对回弹机构框架9的锁定，从而使回弹助推质量块5和回弹机构框架9均被固定。
(5)向下移动或调节试验机移动横梁11，使推力杆14到达工作位置，使之压紧密封圈16，固定试验机移动横梁11位置。
(6)测试回弹曲线时打开卡簧8装置开关，回弹助推质量块5在回弹弹簧7作用下快速向上移动，并撞击回弹杆10向上移动，由于回弹弹簧7作用力大于推力弹簧12使回弹杆10紧贴回弹机构框架9的顶部，可使推力杆14快速离开紧压的待测密封圈16。
(7)在推力杆14压紧密封圈16至快速离开瞬间。激光位移测量系统由平行激光发生器15产生平行激光19，照射在密封圈16和试验台20上，CCD实时测试接收到的光线，并记录透光部分的长度，减去整个平行光场即可得到密封圈回弹位移。通过信号处理可得到密封圈的回弹位移-时间曲线。
(8)关闭计算机24、平行激光发生器15等测量装置，切断电源。

Claims (5)

1.一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置，其特征在于：包括试验机框架，试验机框架的顶端设置有力传感器，力传感器的下端连接有中空的回弹加载圆柱，试验机框架上设置有滑槽，试验机移动横梁安装在滑槽中，试验机移动横梁的中间位置设置有套筒，套筒的外表面设置有上框架和下框架，且上框架位于试验机横梁上方，下框架位于试验机横梁下方，上框架的外表面与回弹加载圆柱的内表面配合，套筒内设置有回弹杆，上框架内设置有回弹助推质量块，且回弹助推质量块通过回弹助推质量块耳朵卡在上框架上，回弹杆的上端位于回弹助推质量块的上方，回弹助推质量块与试验机横梁之间设置有回弹弹簧，下框架内设置有限位格挡，且限位格挡与试验机横梁之间设置有推力弹簧，回弹杆的下端穿过限位格挡且回弹杆的下端固连有推力杆，推力杆的端部伸出至下框架外，所述上框架的外表面还设置锁死上框架的卡簧机构，试验机框架的底部设置有夹具平台，夹具平台上端安装有平行激光发生器、试验台和激光接收装置，实验台位于平行激光发生器与激光接收装置之间，待测密封圈设置在实验台上。
2.根据权利要求1所述的一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置，其特征在于：卡簧机构包括设置在上框架外侧的制动器底座、制动连臂一、制动连臂二、制动三角一、制动三角二、连杆一、连杆二，连杆一的一端、连杆二的一端铰接后形成气动装置或电磁铁连接口，气动装置或电磁铁连接口与动力源连接，连杆一的另一端与制动三角一的一端铰接，制动三角一的另一端通过转轴与制动连臂一固定铰接在制动器底座上，连杆二的另一端与制动三角二的一端铰接制动三角二的另一端通过转轴与制动连臂二固定铰接在制动器底座上，制动连臂一的端部设置有小拉力载荷弹簧连接口一，制动连臂二的端部设置有小拉力载荷弹簧连接口二，小拉力载荷弹簧连接口一与小拉力载荷弹簧连接口二之间设置有拉力弹簧，制动连臂一上设置有制动牙一，制动连臂二上设置有制动牙二，制动牙一的端部与制动牙二的端部分别穿过上框架后与回弹助推质量块上设置的凹槽配合。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置，其特征在于：激光接收装置包括滤光片和线阵CCD，线阵CCD与数据采集器连接，数据采集器与计算机连接。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置，其特征在于：上框架的内部的顶端还设置有吸能器，且吸能器是金属橡胶。
5.根据权利要求3所述的一种基于平行激光的密封圈回弹速率测试装置，其特征在于：上框架的内部的顶端还设置有吸能器，且吸能器是金属橡胶。
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