CN106644771A - 一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置及测量方法，装置由底座、中空圆筒形金属腔体、顶盖、顶盖盖板、压头和压力传感器构成；金属腔体的上、下两端分别与顶盖和底座相连，构成一个能够容纳液体的密闭空间；底座上部设多个突起状顶针16，可将橡胶试件放置在其上。装置结构简单，在测量时，先将金属腔体中充满液体，再通过压头对液体施加压力，间接达到压缩橡胶试件的目的。本发明测量方法是基于液体压力，通过测量液体的压力和试件的体积变化量，就可以得到橡胶的体积模量。测量方法可使橡胶试件被压缩时受力均匀，保证快速、准确地测量橡胶的体积模量，在橡胶超弹性材料测量领域具有较广泛的应用前景。

Description

一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于超弹性材料的测试领域，具体涉及一种橡胶体积模量的测量装置及测量方法，特别涉及一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置及测量方法。
背景技术
随着汽车产业的飞速发展，人们对汽车乘坐的舒适性也提出了更高的要求。为衰减路面和发动机的激励，制造商逐步探索将具有超弹特性的橡胶材料应用于汽车上，例如制造发动机橡胶悬置软垫、排气系统橡胶悬吊、传动轴橡胶支撑、驾驶室橡胶悬置软垫等等。在隔振系统里，橡胶相当于一个弹簧阻尼器，其弹性用来缓和冲击，其阻尼用来衰减振动。体积模量是橡胶等超弹性材料的一个重要性能参数，其定义为橡胶所受的体积压力与橡胶体积变化量之比。
传统测量橡胶等超弹性材料体积模量的方法是将圆柱形橡胶试件放在刚性的金属圆柱筒中，且金属圆筒的内径等于圆柱橡胶试件的外径，再用一个与橡胶试件直径相同的刚性压头对橡胶试件的上表面施加载荷，通过压头在其施加力的方向的位移大小来推算橡胶试件体积的变化，进而通过施加载荷压力与圆柱橡胶体积的变化量之比来计算此橡胶试件体积模量。但是，此种测量方法存在以下缺点：首先，圆柱橡胶试件的外径做不到与金属筒内径完全一致，这样会在金属筒圆柱面与橡胶试件圆柱面之间产生一定的间隙；由于橡胶试件在试验过程中的体积变化量很小，导致这部分间隙占总体积变化量的比重不可忽略，这会使测量结果出现误差。并且，圆柱橡胶试件在压缩过程中会发生径向膨胀，其直径变大，会与金属圆筒产生较大摩擦力，阻碍试件压缩过程的进行，使得靠近压头一端橡胶试件压缩量大，远离压头一端橡胶试件压缩量小。综上所述，传统的测量方法在测量橡胶等超弹性材料体积模量时会产生较大的测量误差，因此如何精准测量还是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术问题的不足，提供一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置及测量方法，该测量装置是以液体包裹橡胶试件，通过压头对液体施加压力，间接达到压缩橡胶试件的目的；测量时，通过测量液体的压力和试件的体积变化量，就可以得到橡胶的体积模量，该测量方法在橡胶试件被压缩时，受力均匀，从而大大增加了橡胶体积模量测量的准确性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，现结合附图说明如下：
本发明中的流体看成压缩系数和体胀系数很小的可压缩流体，液体的体积模量已知。由于金属腔体3内的流体不涉及到快速流动，所以可以把其看成不考虑黏性的流体模型，即理想流体，由流体微团之间相互作用产生的内摩擦力可以忽略不计，忽略液体高度的变化，可认为在本装置内的液体在各个高度处压力相等。
将橡胶试件4放入金属腔体3内部，注入液体5，让液体充满腔体；旋转压头11，压头11会沿着轴向移动，从而给液体5施加压力。通过压力传感器13实时读取液体的压力值，即橡胶试件4承受的体积压力；通过压头11移动的距离和其横截面积可以算出橡胶试件4的体积变化量，两者的比值即橡胶试件的体积模量。
一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，主要由底座1、中空圆筒形金属腔体3、顶盖7、顶盖盖板9、压头11和压力传感器13构成；
所述金属腔体3的上、下两端分别与顶盖7和底座1相连，金属腔体3与顶盖7和底座1构成一个能够容纳液体5的密闭空间，金属腔体3与顶盖7以及金属腔体3与底座1之间分别设有垫片2；
所述底座1为凸台结构，底部开有用于固定试验台架的通孔；底座1上部中心处设有凹槽，其内装有多个突起状顶针16；
所述顶盖7为中部开有通孔的柱形凸台，凸台下底面直径与金属腔体3外径相等，顶盖7上端连有顶盖盖板9；
所述压头11为阶梯式圆柱形结构，其底部穿过顶盖7的凸台通孔深入金属腔体3内，给液体5施加体积压力，且压头11下部外径与顶盖7内径为间隙配合，压头11上部与顶盖盖板9为内外螺纹配合，压头11旋转时能够轴向移动；
所述压力传感器13安装在金属腔体3的侧壁上，其探针深入到液体5中。
所述液体5为任何不与橡胶发生化学反应的液体。
优选地，液体5为蓖麻油。
所述顶针16的直径为1mm，顶针16的截面为圆形、三角形、矩形或多边形。
所述顶盖7与压头11的两侧接触面上各设有两个矩形密封槽8，每个密封槽8里面装有一个O型密封圈12，压头11与O型密封圈12紧密贴合。
所述顶盖盖板9与顶盖7之间设有垫片2。
所述压头11通过压头外螺纹10轴向移动，即压头11每旋转一圈，压头1就会沿着轴线方向移动一个螺距。
一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置的测量方法，包括以下步骤：
A、制备圆柱形橡胶试件4，其直径要不超过金属腔体3内径的80％，再将制备好的橡胶试件4放在底座1的顶针16上，安装测量装置，注入液体5并排掉液体中的空气；
B、旋转压头11转过一个小的角度，消除压头11外螺纹与顶盖盖板9内螺纹之间的间隙；
C、继续旋转压头11使其转过角度θ，记录下压力传感器13的读数P，则橡胶试件4的体积模量其中，V1未压缩前液体的体积，V2为未压缩前橡胶试件的体积，K液为注入液体的体积模量，L为压头外螺纹10的螺距，A为压头11底部表面积；
D、重复步骤C，得到多个K试，它们的平均值为所测橡胶试件的体积模量。
步骤A，所述基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置的安装步骤为：先将底座1与金属腔体3连接，并于接合处加一个垫片2；再将金属腔体3与顶盖7连接，于接合处加一个垫片2；接着向金属腔体3中注满液体5，将压头11穿过顶盖7内凸台通孔深入金属腔体3，并于顶盖7与压头11的接触面加2个O型密封圈12；调整顶盖盖板9的内螺纹与压头11上端外螺纹10相配合；最后将顶盖盖板9与顶盖7用螺栓固定在一起。
步骤C，所述橡胶试件4的体积模量由以下推导得出：压头11在转过角度θ后，压缩的体积压缩后液体压力为P，此时液体5被压缩后的体积为V01，橡胶试件4被压缩后的体积为V02，有V0＝V01+V02；在液体5未压缩前，有V＝V1+V2，其中为V1未压缩前蓖麻油的体积，V2为未压缩前橡胶试件4的体积，V为未压缩前蓖麻油和橡胶试件4的总体积；液体5体积变化量为△V1＝V1-V01，橡胶试件4的体积变化量为△V2＝V2-V02；则由于液体5为已知液体，故液体的体积模量K液已知，故则
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用液体作为测量介质，可有效避免现有测量橡胶体积模量方法中的存在较大测量误差的缺陷；由于基于液体压力，可以使橡胶试件被压缩时受力均匀，保证快速、准确地测量橡胶的体积模量；测量方法具有测量结果准确、结构简单的优点，在橡胶超弹性材料测量领域具有较广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明的三维实体图；
图2为本发明的整体剖视图；
图3为本发明底座的结构示意图；
图4为本发明金属腔体的结构示意图；
图5为本发明顶盖的结构示意图；
图6为本发明顶盖盖板的结构示意图；
图7为本发明压头的结构示意图；
图8为本发明基于液体压力的压力传感器的结构示意图。
图中，1.底座 2.垫片 3.金属腔体 4.橡胶试件 5.液体 6.顶盖盖板内螺纹 7.顶盖8.密封槽 9.顶盖盖板 10.压头外螺纹 11.压头 12.O型密封圈 13.压力传感器 14.内六角螺钉 15.连接台架通孔 16.顶针 17.连接金属腔体通孔Ⅰ 18.连接底座螺纹孔 19.连接顶盖螺纹孔 20.压力传感器探针通过孔 21.连接金属腔体通孔Ⅱ 22.连接顶盖盖板螺纹孔 23.连接顶盖通孔。
具体实施方式
如图1-图8所示，一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，主要由底座1、金属腔体3、顶盖7、顶盖盖板9、压头11和压力传感器13构成。
所述金属腔体3为圆筒状，金属腔体3上下表面分别开有连接顶盖螺纹孔19和连接底座螺纹孔18。金属腔体3下端通过内六角螺钉14分别穿过连接底座螺纹孔18和底座1上的连接金属腔体通孔Ⅰ与底座1相连。金属腔体3上端通过内六角螺钉14分别穿过连接顶盖螺纹孔19和顶盖7上的连接金属腔体通孔Ⅱ与顶盖7相连。金属腔体3与顶盖7和底座1构成一个密闭空间，且金属腔体3内可容纳液体5。液体5可以是任何不与橡胶发生化学反应的液体，如蓖麻油。金属腔体3与顶盖7以及金属腔体3与底座1之间分别设有垫片2，有效防止液体5泄露。
所述底座1为凸台结构，底座1底部设有连接台架通孔15，测量装置通过螺栓穿过连接台架通孔15固定在试验台架上；底座1上部中心处设有凹槽，其内装有多个突起状顶针16，顶针16的直径为1mm，其截面可为圆形、三角形、矩形或多边形等。测试时，将橡胶试件4置于顶针16上，可使橡胶试件4包括底面在内的所有外表面都被液体5包裹，与液体5充分接触。
所述顶盖7为中部开有通孔的柱形凸台，其下底面直径与金属腔体3外径相等。顶盖7上开有连接顶盖盖板螺纹孔22。压头11底部穿过凸台通孔深入金属腔体3，给金属腔体3中的液体5施加体积压力，间接达到压缩金属腔体3内橡胶试件4的目的。顶盖7在压头11轴向移动时起到密封作用。
所述顶盖盖板9上开有连接顶盖通孔23，并通过螺栓分别穿过连接顶盖盖板螺纹孔22和连接顶盖通孔23与顶盖7相连，为进一步防止液体5泄漏，在两者之间也设有垫片2。顶盖盖板9内孔设有顶盖盖板内螺纹6。
所述压头11为阶梯式圆柱形结构，其下部可深入到金属腔体3的内部挤压液体5，且压头11下部外径与顶盖7内径采用间隙配合。顶盖7与压头11的两侧接触面上各设有两个矩形密封槽8，每个密封槽8里面装有一个O型密封圈12，压头11与O型密封圈12紧密贴合，防止液体5泄漏。压头11上部设有与顶盖盖板9的顶盖盖板内螺纹6相配合的压头外螺纹10，压头11通过压头外螺纹10轴向移动，即压头11每旋转一圈，压头1就会沿着轴线方向移动一个螺距。
所述压力传感器13安装在金属腔体3的侧壁上，其探针深入到液体5中，探针通过金属腔体3所开的压力传感器探针通过孔20与其内部液体直接接触，可以实时测量液体5的压力。只需测量液体的压力和橡胶试件4的体积变化量，就可以得到橡胶的体积模量。
所述液体5为任何不与橡胶发生化学反应的液体，优选蓖麻油。
具体安装过程为：制备圆柱形橡胶试件4，其直径要不超过金属腔体3内径的80％，再将制备好的橡胶试件4放在底座1的顶针16上。将底座1与金属腔体3用内六角螺钉14连接，为了防松与增加密封性，在底座1与金属腔体3之间加一个垫片2。金属腔体3与顶盖7同样用内六角螺钉14连接，在接合处加一个垫片2。金属腔体3中注满蓖麻油后，将压头11穿过顶盖7内凸台通孔深入金属腔体3。为了增加密封性，在顶盖7与压头11的接触面加2个O型密封圈12。调整顶盖盖板9的内螺纹与压头11上端外螺纹10相配合，再将顶盖盖板9与顶盖7用螺栓固定在一起。
安装完毕侯，压头11下端伸入蓖麻油中，当转动压头11时，压头11会向下运动压缩蓖麻油，蓖麻油将压力传递给被测橡胶试件4，蓖麻油的压力P由压力传感器13测得。
压头11转过的角度为θ，螺纹为单线螺纹，压头外螺纹10的螺距为L，压头11底部表面积为A，则压头11在转过角度θ后，压缩的体积压缩后液体压力为P，此时蓖麻油被压缩后的体积为V01，橡胶试件4被压缩后的体积为V02。有V0＝V01+V02。在蓖麻油为压缩前，有V＝V1+V2，其中为V1未压缩前蓖麻油的体积，V2为未压缩前橡胶试件4的体积，V为未压缩前蓖麻油和橡胶试件4的总体积。液体5体积变化量为△V1＝V1-V01，橡胶试件4的体积变化量为△V2＝V2-V02。则液体为已知液体，故液体的体积模量K液已知，故
则在测量过程中，压头11每转过一个角度θ，对应一个K试，多次测量取平均值，计算结果即为被测橡胶的体积模量。
通过测量压头11旋转的角度θ和压头外螺纹10的螺距L，计算蓖麻油和橡胶试件4的体积变化量。
一种基于液体压力的橡胶超弹性材料体积模量测量装置的测量方法，具体包括以下步骤：
A、制备圆柱形橡胶试件4，其直径要不超过金属腔体3内径的80％，再将制备好的橡胶试件4放在底座1的顶针16上，安装设备，注入蓖麻油并排掉其中的空气；
B、旋转压头11转过一个小的角度，消除螺纹的间隙；
C、继续旋转压头11使其转过角度θ，记录下压力传感器13的读数P，则橡胶试件4的体积模量为其中，V1未压缩前蓖麻油的体积，V2为未压缩前橡胶试件的体积，K液为注入蓖麻油的体积模量，L为压头外螺纹10的螺距，A为压头11底部表面积；
D、重复步骤C，得到多个K试，它们的平均值为所测橡胶试件的体积模量。
步骤A，所述基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置的安装步骤为：先将底座1与金属腔体3连接，并于接合处加一个垫片2；再将金属腔体3与顶盖7连接，于接合处加一个垫片2；接着向金属腔体3中注满蓖麻油，将压头11穿过顶盖7内凸台通孔深入金属腔体3，并于顶盖7与压头11的接触面加2个O型密封圈12；调整顶盖盖板9的内螺纹与压头11上端外螺纹10相配合；最后将顶盖盖板9与顶盖7用螺栓固定在一起。
步骤C，所述橡胶试件4的体积模量由以下推导得出：压头11在转过角度θ后，压缩的体积压缩后液体压力为P，此时液体被压缩后的体积为V01，橡胶试件4被压缩后的体积为V02，有V0＝V01+V02；在液体未压缩前，有V＝V1+V2，其中为V1未压缩前蓖麻油的体积，V2为未压缩前橡胶试件4的体积，V为未压缩前蓖麻油和橡胶试件4的总体积；液体体积变化量为△V1＝V1-V01，橡胶试件4的体积变化量为△V2＝V2-V02；则由于液体为已知液体蓖麻油，故液体的体积模量K液已知，故则
所述液体5和橡胶试件4的体积变化量△V1、△V2是通过测量压头11旋转的角度θ和压头外螺纹10的螺距L计算出。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见的得到技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，其特征在于：主要由底座(1)、中空圆筒形金属腔体(3)、顶盖(7)、顶盖盖板(9)、压头(11)和压力传感器(13)构成；
所述金属腔体(3)的上、下两端分别与顶盖(7)和底座(1)相连，构成一个能够容纳液体(5)的密闭空间，金属腔体(3)与顶盖(7)以及金属腔体(3)与底座(1)之间分别设有垫片(2)；
所述底座(1)为凸台结构，底部开有用于固定试验台架的通孔；底座(1)上部中心处设有凹槽，其内装有多个突起状顶针(16)；
所述顶盖(7)为中部开有通孔的柱形凸台，凸台下底面直径与金属腔体(3)外径相等，顶盖(7)上端连有顶盖盖板(9)；
所述压头(11)为阶梯式圆柱形结构，其底部穿过顶盖(7)的凸台通孔深入金属腔体(3)内，给液体(5)施加体积压力，且压头(11)下部外径与顶盖(7)内径为间隙配合，压头(11)上部与顶盖盖板(9)为内外螺纹配合，压头(11)旋转时能够轴向移动；
所述压力传感器(13)安装在金属腔体(3)的侧壁上，其探针深入到液体(5)中。
2.根据权利要求1所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，其特征在于：所述液体(5)为任何不与橡胶发生化学反应的液体。
3.根据权利要求2所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，其特征在于：液体(5)为蓖麻油。
4.根据权利要求1所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，其特征在于：所述顶针(16)的直径为1mm，顶针(16)的截面为圆形、三角形、矩形或多边形。
5.根据权利要求1所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，其特征在于：所述顶盖7与压头11的两侧接触面上各设有两个矩形密封槽(8)，每个密封槽(8)里面装有一个O型密封圈12，压头11与O型密封圈12紧密贴合。
6.根据权利要求1所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，其特征在于：所述顶盖盖板(9)与顶盖(7)之间设有垫片(2)。
7.根据权利要求1所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置，其特征在于：所述压头(11)通过压头外螺纹(10)轴向移动，即压头(11)每旋转一圈，压头(1)就会沿着轴线方向移动一个螺距。
8.如权利要求1所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、制备圆柱形橡胶试件(4)，其直径要不超过金属腔体(3)内径的80％，再将制备好的橡胶试件(4)放在底座(1)的顶针(16)上，安装测量装置，注入液体(5)并排掉液体中的空气；
B、旋转压头(11)转过一个小的角度，消除螺纹的间隙；
C、继续旋转压头(11)使其转过角度θ，记录下压力传感器(13)的读数P，则橡胶试件(4)的体积模量为其中，V1未压缩前液体的体积，V2为未压缩前橡胶试件的体积，K液为注入液体的体积模量，L为压头外螺纹(10)的螺距，A为压头(11)底部表面积；
D、重复步骤C，得到多个K试，它们的平均值为所测橡胶试件的体积模量。
9.根据权利要求8所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置的测量方法，其特征在于，步骤A，所述测量装置的安装步骤为：
先将底座(1)与金属腔体(3)连接，并于接合处加一个垫片(2)；再将金属腔体(3)与顶盖(7)连接，于接合处加一个垫片(2)；接着向金属腔体(3)中注满液体(5)，将压头(11)穿过顶盖(7)内凸台通孔深入金属腔体(3)，并于顶盖(7)与压头(11)的接触面加2个O型密封圈(12)；调整顶盖盖板(9)的内螺纹与压头(11)上端外螺纹(10)相配合；最后将顶盖盖板(9)与顶盖(7)用螺栓固定在一起。
10.根据权利要求8所述的一种基于液体压力的橡胶体积模量的测量装置的测量方法，其特征在于，步骤C，所述橡胶试件4的体积模量由以下推导得出：
压头11在转过角度θ后，压缩的体积压缩后液体压力为P，此时液体5被压缩后的体积为V01，橡胶试件4被压缩后的体积为V02，有V0＝V01+V02；在液体5未压缩前，有V＝V1+V2，其中为V1未压缩前蓖麻油的体积，V2为未压缩前橡胶试件4的体积，V为未压缩前蓖麻油和橡胶试件4的总体积；液体5体积变化量为△V1＝V1-V01，橡胶试件4的体积变化量为△V2＝V2-V02；则由于液体5为已知液体，故液体的体积模量K液已知，故
则
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