CN108982262A - 一种橡胶材料多通道疲劳试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种橡胶材料多通道疲劳试验装置及方法，包括底座、主机框架、加力测量装置；主机框架包括上横梁、立柱、下横梁、机箱；加力测量装置包括电动缸、夹持工装、连接杆、载荷传感器、位移传感器；连接杆的上端连接在上横梁上的载荷传感器处，每一根活塞杆的正上方均安装有一根连接杆。采用多个电动缸对橡胶材料进行多通道疲劳试验；电动缸以竖向方式均匀安装于机架上，其中缸体固定于下横梁下面，活塞杆顶端从下向上穿过下横梁后与橡胶材料串联，试验时一次安装多个橡胶材料同时进行定载荷或定位移、同工况或不同工况、同相位或不同相位的比对疲劳试验。本发明能模拟真实工况对橡胶材料进行疲劳试验。

Description

一种橡胶材料多通道疲劳试验装置及方法

技术领域

本发明涉及属于试验装备、实验方法技术领域，尤其是一种橡胶材料试验装置及方法。

背景技术

橡胶弹性元件是由橡胶和金属件复合而成的弹性体，它具有柔性联接和缓冲振动冲击的作用，被广泛应用于柔性联接，起减振降噪的作用。现代交通技术的发展，对汽车、火车等主要交通工具的安全性和舒适性提出了更高要求。橡胶弹性元件替代传统的滑动和滚动通道承，利用其多方向形变和弹性及橡胶的黏弹性，在汽车、火车等交通工具中主要起悬挂、传力、隔振、缓冲和定位的作用，可承受来自径向、通道向、偏转和扭转等多向载荷的疲劳作用和瞬时冲击。橡胶弹性元件不会产生机械摩擦，无需润滑，噪音低，结构简单，无需维护，是目前国内外应用较为广泛的减震装置中的关键零件。

疲劳性能是表征橡胶弹性元件类产品的重要参数，疲劳性能反映橡胶弹性元件在动态交变载荷条件下承载性能，是耐久性判定中重要的参数。目前研究橡胶弹性元件的疲劳性能的方法主要有实际应用考核、成品疲劳和橡胶材料疲劳3种，其中实际应用考核和成品疲劳试验2种方式的试验周期长、成本高。而通过对不同配方橡胶材料进行疲劳试验得出试验数据，从而预测产品的疲劳寿命是一种比较好的方法。

目前有关橡胶材料疲劳性能理论研究的方法主要有2种：一是以连续介质力学为基础的裂纹萌生法，该方法是通过给定的损伤参量预测橡胶的疲劳裂纹萌生寿命；二是以断裂力学为基础的疲劳裂纹扩展法，该方法是在已知裂纹几何信息、裂纹扩展速率与撕裂能之间的幂率关系等条件下，预测橡胶的疲劳裂纹扩展寿命。基于断裂力学和连续介质力学理论的疲劳寿命评估方法，虽然在橡胶疲劳领域中应用广泛，国内外相关的文献也非常多，但是关于橡胶材料疲劳寿命具体试验研究较少。如何根据不同配方橡胶材料的实际应用工况，从工程实践的角度出发，研制一种新型的多通道疲劳试验方案对橡胶材料进行疲劳试验，研究橡胶材料的疲劳性能，对改善橡胶弹性元件的疲劳性能具有非常重要的意义。为解决现有技术中的不足，很有必要设计一种新型的橡胶材料疲劳试验技术方案，对橡胶材料进行多通道协调加载疲劳试验，测试橡胶材料在不同工况下的疲劳性能。

经检索，申请号为CN201220103012.3的实用新型公开了一种PCD控制橡胶高温疲劳龟裂试验机，包括高温箱部分和主机，主机内设置电机，电机的输出轴V带连接偏心盘；所述偏心盘通过连杆连接下横梁;下横梁上端设置上横梁，上横梁上端设置横梁；所述的横梁依次设置在主机的固定立柱上；所述的上横梁和下横梁前后都装有多个夹持器；所述的上横梁位置的调节是由设置在横梁上端的上横梁升降装置实现的。申请号为CN201410325988.9的发明公开了一种橡胶疲劳试验机，包括底座、减速机、电机与皮带轮，底座的第一端设有减速机，减速机的底部侧面驱动连接皮带轮，皮带轮与电机驱动连接，还包括偏心轮、传感器与控制柜，减速机还与偏心轮驱动连接，偏心轮的下方设有传感器，底座的第二端设有控制柜，传感器与控制柜电气连接，控制柜内设有计数器。以上现有技术均不能一次同时安装多个橡胶试样同时进行定载荷或定位移、同工况或不同工况、同相位或不同相位的比对疲劳试验。

发明内容

本发明的目的在于针对现有橡胶材料疲劳试验技术的不足，提供了一种橡胶材料多通道疲劳试验装置及方法，其能模拟真实工况对橡胶材料进行疲劳试验。

本发明的技术方案是：一种橡胶材料多通道疲劳试验装置，包括底座、主机框架、安装在主机框架上的加力测量装置；所述主机框架包括上横梁、立柱、下横梁、机箱；机箱安装在底座上，下横梁位于机箱上面，下横梁上安装有两根立柱，立柱上端安装上横梁。

所述加力测量装置包括电动缸、夹持工装、连接杆、载荷传感器、位移传感器；电动缸有若干个，电动缸包括缸体和活塞杆，若干个电动缸的缸体均竖向安装于下横梁下面，活塞杆从下往上穿过下横梁；载荷传感器安装于上横梁上，连接杆的上端连接上横梁上的载荷传感器，每一根活塞杆的正上方均安装有一根连接杆和一个载荷传感器；夹持工装包括下夹具体、上夹具体，下夹具体安装在活塞杆的顶端，上夹具体安装在连接杆的下端；位移传感器安装于活塞杆底部。

所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置还包括环境箱；环境箱包括箱体、机组、臭氧发生器、紫外发生器和盐雾发生器；环境箱箱体安装在上横梁和下横梁之间，机组安装在底座上且位于主机框架后面，机组连接环境箱箱体，臭氧发生器、紫外发生器和盐雾发生器均安装在环境箱箱体内；所述夹持工装位于环境箱箱体内，工作时，活塞杆与橡胶材料串联，夹持工装夹住橡胶材料的下端，橡胶材料的上端固定在载荷传感器上，橡胶材料的下端被夹住在下夹具体和上夹具体之间。

所述加力测量装置还包括数据采集系统和用于实现电动控制的电控柜，所述电动缸、载荷传感器、位移传感器、机组、臭氧发生器、紫外发生器和盐雾发生器均连接电控柜和数据采集系统。

每一根活塞杆底端均安装有一个位移传感器；电动缸有七个，连接杆有七根，载荷传感器和位移传感器各有七个。

所述环境箱还包括可拆卸的高低温装置，高低温装置包括保温箱、压缩机组、滚动组件。

在底座下面安装有6个橡胶隔振器，每个橡胶隔振器的固定频率大于20Hz。

在活塞杆顶端和载荷传感器前端均设置有方形空心结构的安装环，在安装环的两边设有能供橡胶材料穿过的通孔，载荷传感器前端连接有用于紧固橡胶材料的螺母。

一种橡胶材料多通道疲劳试验方法，设置一个两立柱框架式结构独立机架，立柱上端和下端分别连接有上横梁和下横梁；采用多个电动缸对橡胶材料进行多通道疲劳试验；电动缸以竖向方式均匀安装于机架上，其中缸体固定于下横梁下面，活塞杆顶端从下向上穿过下横梁后与橡胶材料串联，在上横梁上安装载荷传感器，在活塞杆底部安装位移传感器，从而实现以下目的：试验时一次安装多个橡胶材料同时进行定载荷或定位移、同工况或不同工况、同相位或不同相位的比对疲劳试验。

采用上述橡胶材料多通道疲劳试验装置进行试验；

通过在底座下面安装橡胶隔振器，且橡胶隔振器固定频率大于20Hz，满足试验装置低频减振要求；

将温度、臭氧、紫外和盐雾4种工况设置在同一环境箱内，4种工况能单独试验或组合试验，从而使橡胶材料在复合环境条件下进行拉伸疲劳试验，真实表征材料的疲劳寿命；

通过设计数据采集系统，自动分析计算载荷或位移的变化率与设定值进行比较，当变化率达到设定值时，自动停机并记录疲劳试验次数，防止已疲劳失效的橡胶材料继续进行疲劳试验；

通过在活塞杆前端和载荷传感器前端分别设置方形空心结构的安装环，在安装环的两端设置通孔，便于安装固定橡胶材料，且一次安装多个拉伸橡胶材料，同时进行疲劳试验时，能直观地比较每个橡胶材料在试验过程中的区别；

将试验主机和高低温试验箱设计成两个独立模块，该两个独立模块能独立工作或组合在一起工作，从而使得试验主机在正常工况下进行常温疲劳试验，加上高低温试验箱后能进行高低温条件下的疲劳试验。

本发明为研究橡胶材料疲劳性能提供了一套新型试验装置及方法，能模拟真实工况对橡胶材料进行疲劳试验。本发明是一种新型的电动缸多通道协调加载试验装置及方法，具体试验时一次可安装多个橡胶试样同时进行定载荷或定位移、同工况或不同工况、同相位或不同相位的比对疲劳试验。本发明是一种低频隔振装置及方法，在试验装置的底座下面安装有6个橡胶隔振器，且橡胶隔振器固定频率要大于20Hz，能满足试验机（即试验装置）低频减振要求。本发明是一种新型的高低温、臭氧、紫外和盐雾老化环境箱及试验方法，将温度、臭氧、紫外和盐雾放置在同一环境箱内，且4种工况可以单独试验，也可以组合试验。这种方式使橡胶材料在复合环境条件下进行拉伸疲劳试验，真实表征材料的疲劳寿命。本发明是一种新型的橡胶材料疲劳失效检测装置及方法，通过设计数据采集系统，自动分析计算载荷或位移的变化率与设定值进行比较，当变化率达到设定值时，自动停机并记录疲劳试验次数，防止已疲劳失效的试样继续进行疲劳试验，难以得出准确的疲劳试验数据。本发明是一种新型的橡胶材料试验夹持装置及方法，结构简单、安装方便、成本低。且一次同时安装多个拉伸试样（橡胶材料），同时进行疲劳试验，比较直观地比较每个试样在试验过程中的区别，也可以通过系统自动进行分析比较。本发明是一种新型的橡胶材料模块化高低温装置及方法，将橡胶材料疲劳试验主机和高低温试验箱设计成两个独立模块，两个模块可独立工作，也可以组合在一起工作，主机在正常工况下可以进行常温疲劳试验，加上高低温模块后又可进行高低温条件下的疲劳试验。这种方式操作灵活、安装方便。

附图说明

图1是本发明中的橡胶材料多通道疲劳试验装置主视结构示意图；

图2是本发明中的橡胶材料多通道疲劳试验装置俯视结构示意图；

图3是本发明中的橡胶材料多通道疲劳试验装置左视结构示意图；

图4是本发明中的橡胶材料多通道疲劳试验装置三维结构示意图；

附图标记说明：橡胶隔振器1、底座2、机箱3、电动缸4、位移传感器5、下横梁6、立柱7、环境箱8、下夹具体9、上夹具一10、上夹具二11、连接杆12、上横梁13、载荷传感器14、臭氧发生器15、紫外发生器16、机组17、盐雾发生器18。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的描述。

请参考图1至图4，一种橡胶材料多通道疲劳试验装置，包括底座2、主机框架、加力测量装置、环境箱8。在底座下面安装有6个橡胶隔振器1，每个橡胶隔振器的固定频率大于20Hz。

主机框架包括上横梁13、二根立柱7、下横梁6、机箱3。其作用是组成一个独立框架结构试验机架，为安装电动缸和测量元件提供一个平台。

加力测量装置包括电动缸4、夹持工装、连接杆12、载荷传感器14、位移传感器5及电控柜。其作用是对橡胶材料施加动态载荷或位移，控制和测量试验数据。7个电动缸的缸体均竖向安装于下横梁下面，活塞杆从下往上穿过下横梁；连接杆的上端连接在上横梁上的载荷传感器处，每一根活塞杆的正上方均安装有一根连接杆,连接杆下端正对活塞杆上端；夹持工装包括下夹具体9、上夹具体，上夹具体包括上夹具一10、上夹具二11。下夹具体安装在活塞杆的顶端，上夹具体二和上夹具一安装在连接杆的下端，上夹具二连接连接杆，上夹具一连接上夹具二。载荷传感器安装于上横梁上的连接杆处，位移传感器安装于活塞杆底部。在活塞杆顶端和载荷传感器前端均设置有方形空心结构的安装环，在安装环的两边设有能供橡胶材料穿过的通孔，载荷传感器前端连接有用于紧固橡胶材料的螺母。

环境箱8包括箱体、机组17、臭氧发生器15、紫外发生器16和盐雾发生器18。其作用是为橡胶材料试验提供一个真实的模拟环境，同时满足可移动、可折装的要求。环境箱还包括高低温装置，高低温装置包括保温箱、压缩机组、滚动组件，其作用是为橡胶材料试验提供一个高低温模拟环，同时满足可移动、可折装的要求。

一种橡胶材料多通道疲劳试验方法是：设计一种两立柱框架式结构独立机架，采用多个小载荷、中频率的电动缸对橡胶材料进行多通道疲劳试验。电动缸以竖向方式均匀安装于机架的底部，其中缸体固定于试验机架（主机框架）底部下横梁上，活塞杆穿过下横梁与试样（橡胶材料）串联，其中载荷传感器安装于试验装置上横梁上，位移传感器安装于电动缸的活塞杆底部。具体试验时一次可安装多个橡胶试样同时进行定载荷或定位移、同工况或不同工况、同相位或不同相位的比对疲劳试验。

与现有技术比较，本发明的技术创新点主要有如下6个方面：

1、现有橡胶材料疲劳性能大都采用单通道加载，且驱动方式仅局限于伺服电机带动丝杆加力、液压油缸加力2种方式。其中单通道加载试验效率低，伺服电机加载方式只能进行静态拉伸性能、无法进行疲劳试验，液压油缸加载方式虽可进行疲劳试验，但输出载荷大、动态响应能力有限，可以进行大载荷、低频率成品疲劳试验，无法满足橡胶材料小载荷、中频的动态能力的精度要求。本发明是一种新型的电动缸多通道协调加载试验装置及方法，设计一种两立柱框架式结构独立机架（主机框架），采用7个小载荷、中频率的电动缸对橡胶材料进行多通道疲劳试验。电动缸以竖向方式均匀安装于机架的底部，其中缸体固定于试验机架底部下横梁下面，活塞杆穿过下横梁与试样串联，其中载荷传感器安装于上横梁上，位移传感器安装于活塞杆底部。具体试验时一次可安装多个橡胶试样同时进行定载荷或定位移、同工况或不同工况、同相位或不同相位的比对疲劳试验。

2、现有疲劳试验机一般是通过预埋T型平台、螺栓与试验机底实现刚度连接，以实现大载荷的静力和疲劳试验。而橡胶材料疲劳试验频率通常小于20Hz，若采用传统的刚度连接或直接放置于试验车间，这样在疲劳试验过程中，疲劳试验机容易产生共振，从而无法进行试验。本发明是一种低频隔振装置及方法，在试验装置的底座下面安装有6个橡胶隔振器，且橡胶隔振器固定频率要大于20Hz，以满足试验机（即试验装置）低频减振要求。

3、现有的环境箱一般是将温度、臭氧、紫外和盐雾设计成独立的结构，橡胶材料需要在不同环境箱内分别进行试验，这种方式试验周期长、操作不便且与实际工况不一致。本发明是一种新型的高低温、臭氧、紫外和盐雾老化环境箱及试验方法，将温度、臭氧、紫外和盐雾放置在同一环境箱内，且4种工况可以单独试验，也可以组合试验。这种方式使橡胶材料在复合环境条件下进行拉伸疲劳试验，真实表征材料的疲劳寿命。

4、现有橡胶材料疲劳失效检测技术主要通过人工间隔记录疲劳试验过程中的载荷或位移数据，通过人工分析载荷或位移的变化情况来判定橡胶是否疲劳失效。本发明是一种新型的橡胶材料疲劳失效检测装置及方法，通过设计数据采集系统，自动分析计算载荷或位移的变化率与设定值进行比较，当变化率达到设定值时，自动停机并记录疲劳试验次数，防止已疲劳失效的试样继续进行疲劳试验，难以得出准确的疲劳试验数据。

5、现有橡胶材料夹持装置采用液压钳或机械夹紧方式，这2种方式结构复杂、造价高，适用于大载荷、静态加载试验。本发明是一种新型的橡胶材料试验夹持装置及方法，通过分别在活塞杆前端和载荷传感器前端设置一种方形空心结构的安装环，在安装环的两端设有通孔，橡胶材料（试样）只需穿过通孔利用螺母进行紧固，这种方式结构简单、安装方便、成本低。且一次同时安装多个拉伸试样，同时进行疲劳试验，比较直观地比较每个试样在试验过程中的区别，也可以通过系统自动进行分析比较。

6、现有橡胶材料高低温试验装置大都设计成整体结构，这种方式安装不便、专机专用，无法根据实际情况进行模块化的组合达到最优化选择。本发明是一种新型的橡胶材料模块化高低温装置及方法，是指将橡胶材料疲劳试验主机（主要是指橡胶材料多通道疲劳试验装置中环境箱以外的部分）和高低温试验箱设计成两个独立模块，两个模块可独立工作，也可以组合在一起工作，主机在正常工况下可以进行常温疲劳试验，加上高低温模块后又可进行高低温条件下的疲劳试验。这种方式操作灵活、安装方便。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种橡胶材料多通道疲劳试验装置，包括底座和主机框架，其特征是，还包括安装在主机框架上的加力测量装置；所述主机框架包括上横梁、立柱、下横梁、机箱；机箱安装在底座上，下横梁位于机箱上面，下横梁上安装有两根立柱，立柱上端安装上横梁。

2.根据权利要求1所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置，其特征是，所述加力测量装置包括电动缸、夹持工装、连接杆、载荷传感器、位移传感器；电动缸有若干个，电动缸包括缸体和活塞杆，若干个电动缸的缸体均竖向安装于下横梁下面，活塞杆从下往上穿过下横梁；载荷传感器安装于上横梁上，连接杆的上端连接上横梁上的载荷传感器，每一根活塞杆的正上方均安装有一根连接杆和一个载荷传感器；夹持工装包括下夹具体、上夹具体，下夹具体安装在活塞杆的顶端，上夹具体安装在连接杆的下端；位移传感器安装于活塞杆底部。

3.根据权利要求2所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置，其特征在于：还包括环境箱；环境箱包括箱体、机组、臭氧发生器、紫外发生器和盐雾发生器；环境箱箱体安装在上横梁和下横梁之间，机组安装在底座上且位于主机框架后面，机组连接环境箱箱体，臭氧发生器、紫外发生器和盐雾发生器均安装在环境箱箱体内；所述夹持工装位于环境箱箱体内，工作时，活塞杆与橡胶材料串联，夹持工装夹住橡胶材料的下端，橡胶材料的上端固定在载荷传感器上，橡胶材料的下端被夹住在下夹具体和上夹具体之间。

4.根据权利要求3所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置，其特征在于：所述加力测量装置还包括数据采集系统和用于实现电动控制的电控柜，所述电动缸、载荷传感器、位移传感器、机组、臭氧发生器、紫外发生器和盐雾发生器均连接电控柜和数据采集系统。

5.根据权利要求2所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置，其特征在于：每一根活塞杆底端均安装有一个位移传感器；电动缸有七个，连接杆有七根，载荷传感器和位移传感器各有七个。

6.根据权利要求2所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置，其特征在于：所述环境箱还包括可拆卸的高低温装置，高低温装置包括保温箱、压缩机组、滚动组件。

7.根据权利要求2所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置，其特征在于：在底座下面安装有6个橡胶隔振器，每个橡胶隔振器的固定频率大于20Hz。

8.根据权利要求2所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置，其特征在于：在活塞杆顶端和载荷传感器前端均设置有方形空心结构的安装环，在安装环的两边设有能供橡胶材料穿过的通孔，载荷传感器前端连接有用于紧固橡胶材料的螺母。

9.一种橡胶材料多通道疲劳试验方法，其特征在于：设置一个两立柱框架式结构独立机架，立柱上端和下端分别连接有上横梁和下横梁；采用多个电动缸对橡胶材料进行多通道疲劳试验；电动缸以竖向方式均匀安装于机架上，其中缸体固定于下横梁下面，活塞杆顶端从下向上穿过下横梁后与橡胶材料串联，在上横梁上安装载荷传感器，在活塞杆底部安装位移传感器，从而实现以下目的：试验时一次安装多个橡胶材料同时进行定载荷或定位移、同工况或不同工况、同相位或不同相位的比对疲劳试验。

10.根据权利要求9所述的橡胶材料多通道疲劳试验方法，其特征在于：采用权利要求1至8中任一项所述的橡胶材料多通道疲劳试验装置进行试验；

通过在底座下面安装橡胶隔振器，且橡胶隔振器固定频率大于20Hz，满足试验装置低频减振要求；

将温度、臭氧、紫外和盐雾4种工况设置在同一环境箱内，4种工况能单独试验或组合试验，从而使橡胶材料在复合环境条件下进行拉伸疲劳试验，真实表征材料的疲劳寿命；

通过设计数据采集系统，自动分析计算载荷或位移的变化率与设定值进行比较，当变化率达到设定值时，自动停机并记录疲劳试验次数，防止已疲劳失效的橡胶材料继续进行疲劳试验；

通过在活塞杆前端和载荷传感器前端分别设置方形空心结构的安装环，在安装环的两端设置通孔，便于安装固定橡胶材料，且一次安装多个拉伸橡胶材料，同时进行疲劳试验时，能直观地比较每个橡胶材料在试验过程中的区别；

将试验主机和高低温试验箱设计成两个独立模块，该两个独立模块能独立工作或组合在一起工作，从而使得试验主机在正常工况下进行常温疲劳试验，加上高低温试验箱后能进行高低温条件下的疲劳试验。