CN107014684A - 一种密封圈杨氏模量半物理检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种密封圈杨氏模量半物理检测装置和方法。密封圈置于对心机构上，对心机构底部安装有测力组件，加载机构连接到对心机构和测力组件，加载机构运行带动测力组件而带动对心机构工作，通过对心机构使得密封圈和力传感器同轴布置；加载机构运行施加轴向加载力到对心机构的密封圈上，通过加载机构中的位移传感器和力传感器获得密封圈轴向被压缩所受位移和力；根据压缩位移和力的数据进行处理获得密封圈的材料特性参数。本发明解决了密封圈成品材料参数难以检测的技术难题，根据现有密封圈直接估算其杨氏模量，避开了材料样件的制作过程，可方便非专业厂商的人员对密封圈进行研究工作。

Description

一种密封圈杨氏模量半物理检测装置和方法

技术领域

本发明属于密封圈材料检测领域，具体涉及了一种密封圈杨氏模量半物理检测装置和方法。

背景技术

近年来随着我国飞机项目的兴起，相关的配套研究实验工作也已经陆续开始展开，液压作动器作为飞机上的主要执行器，其动密封圈的性能对于作动器以及系统的安全性、可靠性、维护性和寿命具有重要影响。除材料影响密封圈之外，密封圈的结构对于密封特性影响也十分显著，目前对于密封圈宏观结构的研究工作一般结合有限元技术配合以相应的数值建模方法，以获得密封圈接触压力和内部应力等特征信息。

针对现役及未来先进飞机液压系统的“高可靠、长寿命、准预测”的目标，必须展开流体往复动密封的机理研究，而密封性能同密封圈材料参数如杨氏模量或者橡胶的MooneyRivlin系数(由于密封材料(如橡胶)的非线性，其杨氏模量随压缩量变化而改变，故应得到压缩量—杨氏模量曲线)，而现有的密封材料参数的检测方法通常采用制作标准件进行检测，因各大密封厂商的配方保密，制作标准件的方法不现实，尤其对于大专院校对于密封圈的研究，密封圈的杨氏模量的获知是下步进行相关宏观仿真和微观研究的必要条件，但其一般通过采购密封圈进行研究，制作相关材料标准件难以实施。如果根据现有密封圈直接估算其杨氏模量，避开了材料样件的制作过程，可方便非专业厂商的人员对密封圈进行研究工作，加快新型密封圈的研究工作，对于密封圈逆向仿真研究也有一定的积极效果。

由于密封圈是特殊的环形形状，现有技术中缺少对密封圈的杨氏模量进行合理检测的方式，通常都是在密封圈制造完成前将其制成柱状、片状结构，直接测量柱状、片状结构的杨氏模量作为密封圈的杨氏模量，这种方式由于改变了密封圈应有的形状结构而缺少准确性。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种密封圈杨氏模量半物理检测装置和方法，可在不破坏密封圈结构尺寸，不需要制作材料标准件的基础上检测密封圈的杨氏模量，结构简单，满足后续仿真研究的要求。

本发明采用的技术方案是：

一、一种密封圈杨氏模量半物理检测装置：

装置包括对心机构、测力组件和包含有位移传感器和力传感器的加载机构，被检测的密封圈置于对心机构上，对心机构底部安装有测力组件，加载机构分别连接到对心机构和测力组件，加载机构运行带动测力组件进而带动对心机构工作，测力组件用于防止加载机构施加到对心机构的旋转扭力过大，通过对心机构使得密封圈和力传感器同轴布置；加载机构运行施加轴向加载力到对心机构的密封圈上，通过加载机构中的位移传感器和力传感器获得密封圈轴向被压缩所受位移和力。

所述的对心机构包括卡盘体、底板和活动卡爪，底板上安装有卡盘体和布置在卡盘体三条轨道上的三个活动卡爪，卡盘体固定不动，底板旋转带动活动卡爪沿径向移动，活动卡爪外侧边缘通过阻尼铰链铰接有用于连接阻挡到密封圈外侧的挡柱；

所述的加载机构包括AC电机、双联齿轮、滑移齿轮、第一定齿轮、滚珠丝杠、丝杠螺母、上板、上压板、位移传感器和力传感器，AC电机输出轴与双联齿轮同轴连接。

双联齿轮一端的齿轮经处于下位的滑移齿轮与第二定齿轮啮合连接，第二定齿轮和第一带轮同轴固定连接，第一带轮和第二带轮带传动连接，第二带轮与测力组件一端同轴连接，测力组件另一端与所述自动对心机构的底板同轴连接。

双联齿轮另一端的齿轮经处于上位的滑移齿轮与第一定齿轮啮合连接，第一定齿轮与滚珠丝杠同轴固定连接，滚珠丝杠上套装有丝杠螺母，丝杠螺母和上板一侧固定连接，上板另一侧套装连接在与滚珠丝杠平行的导向轴中。

上板和上压板相平行地布置在对心机构的密封圈上方，上板和上压板之间固定连接有力传感器，力传感器与底板中心同轴对齐安装，上压板连接位移传感器，位移传感器活动端固定连接到上压板侧面，位移传感器本体固定安装在所述对心机构的卡盘体侧面。

所述的测力组件包括输入轴、衬套、弹簧、楔形块、输出轴和调力螺栓，输入轴一端与第二带轮同轴连接，输入轴另一端与衬套同轴固定连接，输出轴一端具有齿状圆柱，输出轴的齿状圆柱端套装在衬套内，衬套侧壁开有通孔，通孔从内向外依次安装有楔形块和调力螺栓，楔形块和调力螺栓之间连接有弹簧，楔形块内端连接到输出轴的齿状圆柱端的齿上，楔形块沿旋转方向的端面为楔形，调力螺栓螺纹安装到通孔中；

所述的输入轴旋转通过楔形块拨动输出轴齿状圆柱端上的齿带动输出轴旋转，并通过调力螺栓旋进旋出控制弹簧的压缩量来调定楔形块拨动时的输出力矩，从而使得在完成对中的同时，防止了密封圈在对心过程中受力过大而变形。

本发明是将机械平台检测结果同结合有限元仿真技术进行拟合。

二、一种密封圈杨氏模量半物理检测方法，采用上述装置进行检测：

1)先将密封圈放置在对心机构的卡盘体上，挡柱布置在活动卡爪外缘上方的竖直位置，使得滑移齿轮位于下位，AC电机运行通过带动测力组件旋转进而带动底板旋转，三个活动卡爪同时同速沿径向移动使得三个挡柱夹紧密封圈，使得密封圈与底板和力传感器的中心重合，完成对中；

2)移动滑移齿轮到位于上位，AC电机运行带动上板朝向对心机构移动，使得上压板向对心机构上的密封圈施加加载力以轴向压缩密封圈，通过位移传感器和力传感器获得密封圈轴向被压缩时的压缩位移和压缩位移对应所受到的力；

3)根据压缩位移和力的数据绘制得到位移—力曲线，进行处理获得符合位移-力曲线的密封圈的材料特性参数。

所述步骤2)中，由力传感器接触检测到力变化开始，由位移传感器检测密封圈的被压缩位移。

输入有限元仿真软件中经仿真计算具体是采用ANSYS软件的Material Props模块工具进行处理计算。

所述步骤3)具体为：

3.1)针对密封圈的每一被压缩位置，根据密封圈的制造材料参数查阅手册获得弹性模量的数值范围，在弹性模量的数值范围内任意选取一数值作为初始预测弹性模量；

3.2)将密封圈的几何尺寸、位移传感器检测到的被压缩位移δ_i和预测弹性模量输入有限元仿真软件中经仿真计算得到在被压缩位移δ_i时的压缩力(接触压力*接触面积)，将该压缩力减去力传感器检测到的加载力F_i获得差值；

3.3)进行以下判断处理：

若差值的绝对值小于等于收敛阈值，则以输入有限元仿真软件中的预测弹性模量作为密封圈当前被压缩位置下的杨氏模量；

若差值的绝对值大于收敛阈值，则再根据差值的正负进行处理：差值为正则增加输入有限元仿真软件中的预测弹性模量，差值为负则减小输入有限元仿真软件中的预测弹性模量；

在增加或者减小后重复上述步骤3.2)和步骤3.3)进行处理直到差值的绝对值小于等于收敛阈值；

3.4)重复步骤3.1)～3.3)在密封圈的各处被压缩位置进行检测，得到一条离散数据，通过最小二乘法拟合得到位移—杨氏模量的变化曲线。

本发明通过采集在一定压缩位移条件下所需的力，最终得到该密封圈的变形、力曲线。首先估算材料的弹性模量，通过有限元仿真技术，计算得到在该压缩位移条件下的压缩力。根据计算所得的压缩力同传感器得到的真实力相比较，根据偏差更新弹性模量，最终得到同真实力相符的弹性模量。通过传感器采集数个压缩位移位置下的压缩力(接触压力*接触面积)，并以上述有限元方法得到对应位移条件下的弹性模量，最后通过最小二乘法拟合得到该材料的弹性模量。

本发明具有的有益效果是：

本发明解决了密封圈成品材料参数难以检测的技术难题，根据现有密封圈直接估算其杨氏模量，避开了材料样件的制作过程，可方便非专业厂商的人员对密封圈进行研究工作，加快新型密封圈的研究工作，对于密封圈逆向仿真研究具有积极效果。

本发明在无须制作相应标准样件的基础上，其通过有限元仿真技术结合机械物理平台检测最终得到该密封圈的弹性模量等信息，能够准确检测获得杨氏模量，节省了人力物力和材料的浪费。

本发明通过滑移齿轮实现同一电机依次控制对心和加载两部分机构的运行，结构简单，安全可靠。

本发明通过对心机构，依靠平面螺纹和活动卡爪，实现密封圈的对心安装，防止密封圈发生加载时发生偏载。

本发明通过测力组件防止密封圈在对心过程中受过大压力而变形损坏。

附图说明

图1是本发明装置整体结构示意图。

图2是本发明的对心机构结构示意图。

图3是本发明挡柱安装到活动卡爪上的结构示意图。

图4是本发明测力组件的结构图。

图5是本发明测力组件的楔形块所处的截面图。

图6是本发明检测过程的流程示意图。

图7是实施例采用软件工具处理得到接触压力和接触面积示意图。

图中：1.AC电机；2双联齿轮；3.滑移齿轮；4.第一定齿轮；5.滚珠丝杠；6.丝杠螺母；7.上板；8.力传感器；9.上压板；10.卡盘体；11.密封圈；12.位移传感器；13.导向轴；14.第二定齿轮；15.第一带轮；16.第二带轮；17.测力组件；18.底板；19.活动卡爪；20.挡柱；21.楔形块；22.输出轴；23.弹簧；24.衬套；25.调力螺栓；26.输入轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明装置包括对心机构、测力组件17和包含有位移传感器12和力传感器8的加载机构，被检测的密封圈11置于对心机构上，对心机构底部安装有测力组件17，加载机构分别连接到对心机构和测力组件17，加载机构运行带动测力组件17进而带动对心机构工作，测力组件17用于防止加载机构施加到对心机构的旋转扭力过大，通过对心机构使得密封圈11和力传感器8同轴布置；加载机构运行施加轴向加载力到对心机构的密封圈11上，通过加载机构中的位移传感器12和力传感器8获得密封圈11轴向被压缩所受位移和力。

为防止密封圈放置同力传感器非对中位置，引起偏载造成相应误差，本发明设计了对心机构，如图2所示，对心机构包括卡盘体10、底板18和活动卡爪19，底板18上安装有卡盘体10和布置在卡盘体10三条轨道上的三个活动卡爪19，卡盘体10固定不动，底板18旋转带动活动卡爪19沿径向移动，如图3所示，活动卡爪19外侧边缘通过阻尼铰链铰接有用于连接阻挡到密封圈11外侧的挡柱20。

本发明通过三个活动卡爪19同时沿径向等距离移动实现密封圈11的对中安装固定并夹紧。在对中完成后，加载机构会下移，挡柱20向外旋转，以防止在加载过程中加载机构会与挡柱20发生位置干涉。

如图1所示，加载机构包括AC电机1、双联齿轮2、滑移齿轮3、第一定齿轮4、滚珠丝杠5、丝杠螺母6、上板7、上压板9、位移传感器12和力传感器8，AC电机1输出轴与双联齿轮2同轴连接；滑移齿轮3能够沿轴向移动，当滑移齿轮3位于上位时AC电机1运行带动上板7移动，当滑移齿轮3位于下位时AC电机1运行带动第二带轮16旋转进而带动测力组件17旋转。

双联齿轮2一端的齿轮经处于下位的滑移齿轮3与第二定齿轮14啮合连接，第二定齿轮14和第一带轮15同轴固定连接，第一带轮15和第二带轮16带传动连接，第二带轮16与测力组件17一端同轴连接，测力组件17另一端与所述自动对心机构的底板18同轴连接；

双联齿轮2另一端的齿轮经处于上位的滑移齿轮3与第一定齿轮4啮合连接，第一定齿轮4与滚珠丝杠5同轴固定连接，滚珠丝杠5上套装有丝杠螺母6，丝杠螺母6和上板7一侧固定连接，上板7另一侧套装连接在与滚珠丝杠5平行的导向轴13中；AC电机1运行依次通过双联齿轮2、滑移齿轮3与定齿轮4之间的啮合关系、丝杠螺母副带动上板7沿导向轴13移动；

上板7和上压板9相平行地布置在对心机构的密封圈上方，上板7和上压板9之间固定连接有力传感器8，力传感器8与底板18中心同轴对齐安装，上压板9连接位移传感器12，位移传感器12活动端固定连接到上压板9侧面，位移传感器12本体固定安装在所述对心机构的卡盘体10侧面。

为防止密封圈在对中过程中受力变形过大，本发明利用测力组件控制对中力矩大小，如图4所示，测力组件包括输入轴26、衬套24、弹簧23、楔形块21、输出轴22和调力螺栓25，输入轴26一端与第二带轮16同轴连接，输入轴26另一端与衬套24同轴固定连接，输出轴22一端具有齿状圆柱，输出轴22的齿状圆柱端套装在衬套24内，衬套24侧壁开有通孔，通孔从内向外依次安装有楔形块21和调力螺栓25，楔形块21和调力螺栓25之间连接有弹簧23，楔形块21内端连接到输出轴22的齿状圆柱端的齿上，楔形块21沿旋转方向的端面为楔形，如图5所示，调力螺栓25螺纹安装到通孔中。

输入轴26旋转通过楔形块21拨动输出轴22齿状圆柱端上的齿带动输出轴22旋转，并通过调力螺栓25旋进旋出控制弹簧23的压缩量来调定楔形块21拨动时的输出力矩，从而使得在完成对中的同时，防止了密封圈在对心过程中受力过大而变形。当加载机构施加到输入轴26旋转扭力超过限定值时，通过底板、输出轴传递到楔形块，弹簧23被压缩，楔形块上移，无法传递力矩。

如图6所示，本发明的具体实施例及其实施工作过程如下：

1)先将密封圈11放置在对心机构的卡盘体10上的中间，挡柱20布置在活动卡爪19外缘上方的竖直位置，并且初始情况下活动卡爪19均位于卡盘体10的最外缘处，移动滑移齿轮3到位于下位，AC电机1运行通过带动测力组件17旋转进而带动底板18旋转，三个活动卡爪19同时同速沿径向移动使得三个挡柱20逐渐夹紧密封圈11，使得密封圈11与底板18和力传感器8的中心重合，完成对中；

2)移动滑移齿轮3到位于上位，AC电机1运行带动上板7朝向对心机构移动，使得上压板9向对心机构上的密封圈11施加加载力以轴向压缩密封圈11，通过位移传感器12和力传感器8获得密封圈11轴向被压缩时的压缩位移和压缩位移对应所受到的力。

由力传感器8接触检测到力变化开始，由位移传感器12检测密封圈11的被压缩位移。

3)根据压缩位移和力的数据采用以下方式处理：

3.1)针对密封圈11的每一被压缩位置，根据密封圈11的制造材料(如聚氨酯)参数查阅手册获得弹性模量的数值范围(如8.8到50MPa)，在弹性模量的数值范围内任意选取一数值作为初始预测弹性模量(如45MPa)；

3.2)将密封圈11的几何尺寸、位移传感器12检测到的被压缩位移δi和预测弹性模量输入采用ANSYS软件的Material Props模块工具进行处理计算得到在被压缩位移δ_i时的压缩力(接触压力*接触面积)，如下图7所示，将该压缩力减去力传感器8检测到的加载力F_i获得差值；

3.3进行以下判断处理：

若差值的绝对值小于等于收敛阈值，则以输入ANSYS软件中的预测弹性模量作为密封圈11当前被压缩位置下的杨氏模量；

若差值的绝对值大于收敛阈值，则再根据差值的正负进行处理：差值为正则在查阅手册获得弹性模量的数值范围内增加输入ANSYS软件中的预测弹性模量，差值为负则在查阅手册获得弹性模量的数值范围内减小输入ANSYS软件中的预测弹性模量；

在增加或者减小后重复上述步骤3.2)和步骤3.3)进行处理直到差值的绝对值小于等于收敛阈值；

3.4)重复步骤3.1)～3.3)在密封圈11的各处被压缩位置进行检测，得到一条离散数据，通过最小二乘法拟合得到位移—杨氏模量的变化曲线，完成杨氏模量的检测。

由此可见，本发明能够解决密封圈成品材料参数难以检测的技术难题，无须将密封圈制造成特殊形状或者标准件，直接根据现有密封圈能够准确检测获得杨氏模量，节省了人力物力和材料的浪费。

Claims (7)

1.一种密封圈杨氏模量半物理检测装置，其特征在于：包括对心机构、测力组件(17)和包含有位移传感器(12)和力传感器(8)的加载机构，被检测的密封圈(11)置于对心机构上，对心机构底部安装有测力组件(17)，加载机构分别连接到对心机构和测力组件(17)，加载机构运行带动测力组件(17)进而带动对心机构工作，测力组件(17)用于防止加载机构施加到对心机构的旋转扭力过大，通过对心机构使得密封圈(11)和力传感器(8)同轴布置；加载机构运行施加轴向加载力到对心机构的密封圈(11)上，通过加载机构中的位移传感器(12)和力传感器(8)获得密封圈(11)轴向被压缩所受位移和力。

2.根据权利要求1所述的一种密封圈杨氏模量半物理检测装置，其特征在于：所述的对心机构包括卡盘体(10)、底板(18)和活动卡爪(19)，底板(18)上安装有卡盘体(10)和布置在卡盘体(10)三条轨道上的三个活动卡爪(19)，底板(18)旋转带动活动卡爪(19)沿径向移动，活动卡爪(19)外侧边缘通过阻尼铰链铰接有用于连接阻挡到密封圈(11)外侧的挡柱(20)；

所述的加载机构包括AC电机(1)、双联齿轮(2)、滑移齿轮(3)、第一定齿轮(4)、滚珠丝杠(5)、丝杠螺母(6)、上板(7)、上压板(9)、位移传感器(12)和力传感器(8)，AC电机(1)输出轴与双联齿轮(2)同轴连接；

双联齿轮(2)一端的齿轮经滑移齿轮(3)与第二定齿轮(14)啮合连接，第二定齿轮(14)和第一带轮(15)同轴固定连接，第一带轮(15)和第二带轮(16)带传动连接，第二带轮(16)与测力组件(17)一端同轴连接，测力组件(17)另一端与所述自动对心机构的底板(18)同轴连接；

双联齿轮(2)另一端的齿轮经滑移齿轮(3)与第一定齿轮(4)啮合连接，第一定齿轮(4)与滚珠丝杠(5)同轴固定连接，滚珠丝杠(5)上套装有丝杠螺母(6)，丝杠螺母(6)和上板(7)一侧固定连接，上板(7)另一侧套装连接在与滚珠丝杠(5)平行的导向轴(13)中；

上板(7)和上压板(9)相平行地布置在对心机构的密封圈上方，上板(7)和上压板(9)之间固定连接有力传感器(8)，力传感器(8)与底板(18)中心同轴对齐安装，上压板(9)连接位移传感器(12)，位移传感器(12)活动端固定连接到上压板(9)侧面，位移传感器(12)本体固定安装在所述对心机构的卡盘体(10)侧面。

3.根据权利要求1所述的一种密封圈杨氏模量半物理检测装置，其特征在于：所述的测力组件包括输入轴(26)、衬套(24)、弹簧(23)、楔形块(21)、输出轴(22)和调力螺栓(25)，输入轴(26)一端与第二带轮(16)同轴连接，输入轴(26)另一端与衬套(24)同轴固定连接，输出轴(22)一端具有齿状圆柱，输出轴(22)的齿状圆柱端套装在衬套(24)内，衬套(24)侧壁开有通孔，通孔从内向外依次安装有楔形块(21)和调力螺栓(25)，楔形块(21)和调力螺栓(25)之间连接有弹簧(23)，楔形块(21)内端连接到输出轴(22)的齿状圆柱端的齿上，楔形块(21)沿旋转方向的端面为楔形，调力螺栓(25)螺纹安装到通孔中。

4.根据权利要求3所述的一种密封圈杨氏模量半物理检测装置，其特征在于：所述的输入轴(26)旋转通过楔形块(21)拨动输出轴(22)齿状圆柱端上的齿带动输出轴(22)旋转，并通过调力螺栓(25)旋进旋出控制弹簧(23)的压缩量来调定楔形块(21)拨动时的输出力矩。

5.一种密封圈杨氏模量半物理检测方法，其特征在于采用权利要求1-4任一所述装置，然后采用以下步骤进行检测：

1)先将密封圈(11)放置在对心机构的卡盘体(10)上，挡柱(20)布置在活动卡爪(19)外缘上方的竖直位置，使得滑移齿轮(3)位于下位，AC电机(1)运行通过带动测力组件(17)旋转进而带动底板(18)旋转，三个活动卡爪(19)同时同速沿径向移动使得三个挡柱(20)夹紧密封圈(11)，使得密封圈(11)与底板(18)和力传感器(8)的中心重合，完成对中；

2)移动滑移齿轮(3)到位于上位，AC电机(1)运行带动上板(7)朝向对心机构移动，使得上压板(9)向对心机构上的密封圈(11)施加加载力以轴向压缩密封圈(11)，通过位移传感器(12)和力传感器(8)获得密封圈(11)轴向被压缩时的压缩位移和压缩位移对应所受到的力；

3)根据压缩位移和力的数据进行处理获得密封圈(11)的杨氏模量特性参数。

6.根据权利要求5所述的一种密封圈杨氏模量半物理检测方法，其特征在于：所述步骤2)中，由力传感器(8)接触检测到力变化开始，由位移传感器(12)检测密封圈(11)的被压缩位移。

7.根据权利要求5所述的一种密封圈杨氏模量半物理检测方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：

3.1)针对密封圈(11)的每一被压缩位置，根据密封圈(11)的制造材料参数查阅手册获得弹性模量的数值范围，在弹性模量的数值范围内任意选取一数值作为初始预测弹性模量；

3.2)将密封圈(11)的几何尺寸、位移传感器(12)检测到的被压缩位移δ_i和预测弹性模量输入有限元仿真软件中经仿真计算得到在被压缩位移δ_i时的压缩力，将该压缩力减去力传感器(8)检测到的加载力F_i获得差值；

3.3)进行以下判断处理：

若差值的绝对值小于等于收敛阈值，则以输入有限元仿真软件中的预测弹性模量作为密封圈(11)当前被压缩位置下的杨氏模量；

若差值的绝对值大于收敛阈值，则再根据差值的正负进行处理：差值为正则增加输入有限元仿真软件中的预测弹性模量，差值为负则减小输入有限元仿真软件中的预测弹性模量；

在增加或者减小后重复上述步骤3.2)和步骤3.3)进行处理直到差值的绝对值小于等于收敛阈值；

3.4)重复步骤3.1)～3.3)在密封圈(11)的各处被压缩位置进行检测，得到一条离散数据，通过最小二乘法拟合得到位移—杨氏模量的变化曲线。