專利名稱：基于橡膠常溫和高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試設(shè)備的橡膠貯存壽命預(yù)測(cè)模型的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于橡膠材料壽命預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可用于橡膠常溫和高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試的新設(shè)備和一種橡膠貯存壽命預(yù)測(cè)模型。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)通常采用壓縮永久變形和壓縮應(yīng)力松弛作為特性指標(biāo)來預(yù)測(cè)橡膠材料壽命。現(xiàn)有技術(shù)測(cè)定橡膠在常溫、高溫恒定形變下壓縮應(yīng)力的變化，即將橡膠試樣壓縮至產(chǎn)生恒定的變形，在某一溫度下老化不同時(shí)間后測(cè)定試樣壓縮應(yīng)力松弛，為橡膠材料壽命評(píng)估提供技術(shù)基礎(chǔ)。在中國人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB1685-82的硫化橡膠在常溫和高溫下壓縮應(yīng)力松弛的測(cè)定中所記載的壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試設(shè)備——松弛儀主要由夾具(壓縮器)、測(cè)量裝置和電信號(hào)系統(tǒng)三部分組成。測(cè)量裝置由活動(dòng)平板、可更換的彈簧片和百分表組成?；顒?dòng)平板由升降螺桿帶動(dòng)，用于移動(dòng)夾具。不同厚度的彈簧片，其測(cè)力范圍不同，需要根據(jù)測(cè)力范圍更換彈簧片，并保證彈簧片的變形在O. 4-1. 10mm，在使用之前需要進(jìn)行彈簧片的校正，測(cè)量時(shí)如果不能確定作用力完全作用在彈簧片上，則會(huì)引起較大的試驗(yàn)誤差。百分表用于指示彈簧片的變形，試驗(yàn)中不可避免產(chǎn)生的摩擦力會(huì)影響百分表的誤差。由于受目前設(shè)備的限制，橡膠材料壽命預(yù)測(cè)方法需要在試驗(yàn)過程中不斷更換試樣以達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)測(cè)橡膠壽命的試驗(yàn)?zāi)康?，這樣就不可避免的由于試樣本身造成系統(tǒng)誤差，延長試驗(yàn)時(shí)間，降低了試驗(yàn)精度。上述因素很大程度上造成了試驗(yàn)結(jié)果的不確定性和不穩(wěn)定性。而測(cè)量時(shí)應(yīng)首選能在整個(gè)試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮應(yīng)力變化的裝置，進(jìn)而測(cè)量壓縮應(yīng)力隨時(shí)間的連續(xù)變化，使試驗(yàn)效率得以提聞。國內(nèi)外利用加速老化預(yù)測(cè)橡膠壽命，多數(shù)選擇經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算老化性能臨界值和反應(yīng)速率常數(shù)，即動(dòng)力學(xué)處理方法。在利用Arrhenius方程進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，a值的選擇很大程度上影響了預(yù)測(cè)結(jié)果，造成橡膠材料壽命預(yù)測(cè)模型的失真問題。本發(fā)明提出在沒有自然老化數(shù)據(jù)檢驗(yàn)時(shí)，提出用最大相關(guān)系數(shù)和預(yù)測(cè)值與觀察值之差得平方和(即殘差平方和)的最小值作為較佳a(bǔ)的選擇判據(jù)。充分考慮影響a的因素，用來指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)公式的選擇，以減少橡膠壽命預(yù)測(cè)的失真問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中橡膠常溫和高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試存在的問題，提供一種用于橡膠常溫和高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試的設(shè)備及方法，并利用設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，采用Arrhennius修正公式建立橡膠壽命預(yù)測(cè)模型。進(jìn)行橡膠常溫和高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試的設(shè)備如下，主要包括下板、限制器、上板、壓力傳感器、傳感器引線、壓頭和法蘭。所述的上板平置于下板的上方，下板與上板的中心位置垂直對(duì)應(yīng)，上板的中心位置開有中心通孔，在中心通孔左右對(duì)稱的位置各開有一個(gè)通孔，下板上垂直對(duì)應(yīng)上板左、右通孔的位置各開有一個(gè)沉孔。左、右兩個(gè)限制器分別通過上板左、右通孔以及下板上左、右沉孔將下板和上板固定一起。所述的壓力傳感器位于下板和上板之間，且壓力傳感器的一端固定在上板的中心通孔上，另一端連接壓頭的上端，壓力傳感器通過傳感器引線與數(shù)據(jù)顯示儀表連接。所述的壓頭的下端的壓頭面直接與橡膠試樣的上表面接觸。所述的法蘭在測(cè)試前固定在下板上，且法蘭的中心孔位于上板的中心位置， 法蘭的中心孔用于卡住橡膠試樣，使橡膠試樣和壓頭接觸時(shí)避免發(fā)生側(cè)傾，在測(cè)試開始時(shí)， 將法蘭卸載。本發(fā)明提供的一種用于橡膠高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試的方法，具體通過如下步驟實(shí)現(xiàn)第一步，測(cè)試試樣的制備和調(diào)試。加工一個(gè)圓柱狀橡膠試樣8，并將橡膠試樣8硫化并保證其表面平整。所述的圓柱的直徑與法蘭7的中心孔16的直徑相同，且小于與橡膠試樣8所接觸的壓頭6的壓頭面的直徑。本發(fā)明實(shí)施例中法蘭7的中心孔16的直徑為10_，則加工橡膠試樣8的直徑為 10±0. 2mm，高為10±0. 2mm。試驗(yàn)前首先進(jìn)行熱調(diào)節(jié)，然后進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)。熱調(diào)節(jié)是為了消除橡膠試樣8可能存在的模壓應(yīng)力，以提高試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性，即將橡膠試樣8放在70°C 下預(yù)熱3h(h表示小時(shí))，熱調(diào)節(jié)后，使橡膠試樣8在標(biāo)準(zhǔn)溫度下停放不少于16h，最多不超過48h。機(jī)械調(diào)節(jié)用以改善試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性，即將橡膠試樣8循環(huán)壓縮5次至規(guī)定的壓縮量，立即恢復(fù)到零應(yīng)變，然后將橡膠試樣8在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度下停放不少于16h，最多不超過4 8h后進(jìn)行試驗(yàn)。第二步，試驗(yàn)設(shè)備的安裝及試驗(yàn)準(zhǔn)備。首先，根據(jù)所測(cè)試橡膠材料的邵爾硬度，確定試驗(yàn)壓縮率，進(jìn)而確定限制器2的高度，具體壓縮率的設(shè)置依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB1683-81硫化橡膠恒定形變壓縮永久變形的測(cè)定方法中所記載的壓縮率的標(biāo)準(zhǔn)。接著，將本發(fā)明的測(cè)試設(shè)備按從下到上的順序進(jìn)行安裝，安裝時(shí)首先將兩個(gè)限制器2固定于下板1，然后將壓力傳感器4和壓頭6連接后通過螺母系列9連接固定于上板3 上，最后通過限制器2將上板3和下板I固定一起。上板3和下板I的平面度應(yīng)在O. Olmm 范圍內(nèi)，安裝加載后上板3和下板I的彎曲度不得超過O. 01mm。再接著，本發(fā)明的測(cè)試設(shè)備安裝完成后將連接壓力傳感器4的傳感器引線5和外置的數(shù)據(jù)顯示儀表相連，并將數(shù)據(jù)顯示儀表的電源線和電源相接，在本發(fā)明的測(cè)量設(shè)備處于零測(cè)試狀態(tài)下對(duì)數(shù)據(jù)顯示儀表進(jìn)行調(diào)零和量程校準(zhǔn)。然后，在所述的測(cè)試設(shè)備安裝及調(diào)節(jié)后，采用橡膠測(cè)厚計(jì)測(cè)量橡膠試樣8的初始厚度，將橡膠試樣8的上下表面涂適量滑石粉，防止老化過程中橡膠粘結(jié)壓頭6和下板1，通過法蘭7將橡膠試樣8定位固定在下板I上，使橡膠試樣7位于壓頭6的中心位置。最后，對(duì)橡膠試樣8進(jìn)行加載，擰緊上板3兩側(cè)的固定限制器2的螺母，加載過程中要盡量保證橡膠試樣8兩側(cè)受力均勻，直到力作用加載完成，撤除法蘭7，待數(shù)據(jù)顯示儀表數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，讀取初始?jí)嚎s應(yīng)力值。第三步，進(jìn)行老化試驗(yàn)并采集不同時(shí)間壓縮應(yīng)力值。將帶有橡膠試樣8的測(cè)試設(shè)備放置在老化試驗(yàn)箱內(nèi)，接通電源，調(diào)節(jié)老化試驗(yàn)箱的溫度，記錄不同老化時(shí)間橡膠試樣8的壓縮應(yīng)力值，監(jiān)測(cè)壓縮應(yīng)力值隨時(shí)間的變化情況。 一般情況下，老化初期壓縮應(yīng)力值變化較快，記錄數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔應(yīng)該較短，隨著老化時(shí)間的延長，壓縮應(yīng)力值變化逐漸緩慢，時(shí)間間隔可以變長。第四步，達(dá)到規(guī)定老化時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)束。老化測(cè)試時(shí)間和溫度根據(jù)現(xiàn)有國家標(biāo)準(zhǔn)GB1683-81橡膠恒定形變壓縮永久變形的測(cè)定方法中所記載的內(nèi)容進(jìn)行選擇。達(dá)到規(guī)定的時(shí)間，讀取終止老化時(shí)間橡膠壓縮應(yīng)力值，開箱取出測(cè)試設(shè)備，在室溫下自由冷卻兩小時(shí)，前一小時(shí)期間，數(shù)據(jù)顯示儀表顯示壓力數(shù)據(jù)變化較大，而后一小時(shí)數(shù)據(jù)顯示儀表顯示的壓力數(shù)據(jù)變化較小。冷卻后將測(cè)試設(shè)備卸載，取出橡膠試樣8，在自由狀態(tài)下停放一小時(shí)，用橡膠測(cè)厚計(jì)測(cè)量橡膠試樣壓縮后的恢復(fù)高度，進(jìn)而可以計(jì)算其壓縮永久變形率，壓縮永久變形率具體計(jì)算方法依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB1683-81中記載的標(biāo)準(zhǔn)。第五步，確定橡膠材料壓縮應(yīng)力松弛系數(shù)。不同試驗(yàn)時(shí)間之后測(cè)量的橡膠壓縮應(yīng)力可依據(jù)時(shí)間在對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制曲線圖，以便于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。根據(jù)所獲數(shù)據(jù)推導(dǎo)橡膠材料壓縮應(yīng)力松弛變化規(guī)律，為橡膠材料壽命預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)?；贏rrhennius修lH公式壽命預(yù)測(cè)模型參數(shù)的確定一定溫度范圍內(nèi)應(yīng)力松弛情況與老化時(shí)間t之間的關(guān)系可用下列經(jīng)驗(yàn)公式描述。
權(quán)利要求
1.一種基于橡膠常溫和高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)模型建立，其特征在于其測(cè)試裝置帶有壓力傳感器及外置的數(shù)據(jù)顯示儀表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮應(yīng)力的變化，試驗(yàn)過程中不需將試樣拿出測(cè)試，不需更換試樣，影響數(shù)據(jù)波動(dòng)的因素較少，保證了壽命預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性；本發(fā)明所述測(cè)試裝置的上板(3)平置于下板(I)的上方，下板(I)與上板(3)的中心位置垂直對(duì)應(yīng)，上板(3)的中心位置開有中心通孔(10)，在中心通孔(10)左右對(duì)稱的位置各開有一個(gè)通孔(11)，下板(I)上垂直對(duì)應(yīng)上板(3)左、右通孔(11)的位置各開有一個(gè)沉孔(12);左、右兩個(gè)限制器(2)分別通過上板(3)左、右通孔(11)以及下板⑴上左、右沉孔(12)將下板⑴和上板(3)固定一起；所述的壓力傳感器⑷位于下板⑴和上板(3) 之間，且壓力傳感器(4)的一端固定在上板(3)的中心通孔(10)上，另一端連接壓頭(6) 的上端，壓力傳感器(4)通過傳感器引線(5)與數(shù)據(jù)顯示儀表連接；所述的壓頭(6)的下端的壓頭面直接與橡膠試樣⑶的上表面接觸；所述的法蘭(7)在測(cè)試前固定在下板⑴上， 且法蘭(7)的中心孔(16)位于上板(3)的中心位置，橡膠試樣(8)卡在法蘭(7)的中心孔(16)中，使橡膠試樣⑶和壓頭(6)接觸時(shí)不發(fā)生側(cè)傾，在測(cè)試開始時(shí)，將法蘭(7)卸載。
2.應(yīng)用權(quán)利要求I所述的基于橡膠常溫和高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)模型建立方法，具體包括以下步驟步驟一、測(cè)試試樣的制備和調(diào)試，具體是步驟I. I :加工一個(gè)圓柱狀橡膠試樣；步驟I. 2 :將橡膠試樣硫化并保證橡膠試樣表面平整；步驟I. 3 :依次進(jìn)行熱調(diào)節(jié)和機(jī)械調(diào)節(jié)；步驟二、試驗(yàn)設(shè)備的安裝及試驗(yàn)準(zhǔn)備，具體是步驟2. I :根據(jù)所測(cè)試橡膠材料的邵爾硬度，確定試驗(yàn)壓縮率，進(jìn)而確定限制器的高度；步驟2. 2 :安裝所述的測(cè)試設(shè)備先將兩個(gè)限制器固定于下板，然后將壓力傳感器和壓頭連接后整體固定于上板上，最后通過限制器將上板和下板固定一起；步驟2. 3 :將連接壓力傳感器的傳感器引線和外置的數(shù)據(jù)顯示儀表相連，并將數(shù)據(jù)顯示儀表的電源線和電源相接，在所述的測(cè)量設(shè)備處于零測(cè)試狀態(tài)下對(duì)數(shù)據(jù)顯示儀表進(jìn)行調(diào)零和量程校準(zhǔn)；步驟2. 4 :采用橡膠測(cè)厚計(jì)測(cè)量橡膠試樣的初始厚度，并將橡膠試樣的上下表面涂上滑石粉，然后通過法蘭將橡膠試樣固定在下板上，并使橡膠試樣位于壓頭的中心位置；步驟2. 5:擰緊上板左、右兩側(cè)固定限制器的螺母，盡量保證橡膠試樣兩側(cè)受力均勻， 擰緊所述螺母后撤除法蘭，待數(shù)據(jù)顯示儀表的數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，讀取初始?jí)嚎s應(yīng)力值；步驟三、進(jìn)行老化試驗(yàn)并采集不同時(shí)間的壓縮應(yīng)力值，具體是將帶有橡膠試樣的測(cè)試設(shè)備放置在老化試驗(yàn)箱內(nèi)，接通電源，調(diào)節(jié)老化試驗(yàn)箱的溫度，記錄不同老化時(shí)間下橡膠試樣的壓縮應(yīng)力值；步驟四、達(dá)到規(guī)定老化時(shí)間，讀取終止老化時(shí)間時(shí)的橡膠壓縮應(yīng)力值，從老化試驗(yàn)箱中取出測(cè)試設(shè)備進(jìn)行冷卻，冷卻后將測(cè)試設(shè)備卸載，取出橡膠試樣，在自由狀態(tài)下停放一小時(shí)，用橡膠測(cè)厚計(jì)測(cè)量橡膠試樣壓縮后的恢復(fù)高度，進(jìn)而確定該橡膠材料的壓縮永久變形率;步驟五、確定橡膠材料壓縮應(yīng)力松弛系數(shù)，具體根據(jù)|來確定，F(xiàn)t表示一定時(shí)間t后的歲O壓縮應(yīng)力值，F(xiàn)0表示初始應(yīng)力值。步驟六、繪制應(yīng)力松弛系數(shù)變化曲線，確定應(yīng)力松弛變化趨勢(shì)，進(jìn)而根據(jù)其機(jī)理選擇應(yīng)力松弛與老化時(shí)間之間的關(guān)系、速率常數(shù)與老化溫度之間的關(guān)系方程；步驟七、采用逼近法和一元線性回歸法得出上述方程之中系數(shù)的計(jì)算方法，并根據(jù) MATLAB編程計(jì)算出α和B的估計(jì)值等相關(guān)系數(shù)值；步驟七、比較線性回歸系數(shù)的計(jì)算值和表值之間的關(guān)系，明確其線性回歸的效果，得出上述方程，在給定的溫度和應(yīng)力松弛臨界值的情況下，得出預(yù)測(cè)壽命。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于橡膠常溫和高溫壓縮應(yīng)力松弛測(cè)試設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)模型。所述的建立壽命預(yù)測(cè)模型方法首先將上述裝置采集得到的應(yīng)力松弛變化數(shù)據(jù)繪制成圖，得出應(yīng)力松弛情況與老化時(shí)間的關(guān)系以及速率常數(shù)與老化溫度之間的關(guān)系；其次利用逼近法和線性回歸方法以及MATLAB編程軟件得出上述方程中的各個(gè)系數(shù)，并根據(jù)相關(guān)方法判斷其線性回歸效果；最后在給定溫度和應(yīng)力松弛臨界值之后確定橡膠壽命預(yù)測(cè)值。本發(fā)明能夠利用可用于高溫橡膠壓縮應(yīng)力松弛的測(cè)試的裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓縮應(yīng)力的變化，進(jìn)而建立壽命預(yù)測(cè)模型，保證了壽命預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、可重復(fù)性和再現(xiàn)性。
文檔編號(hào)G01N3/08GK102589976SQ20121000981
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者丁美麗, 張衛(wèi)方, 楊明遠(yuǎn), 武玉芬, 王爽, 符麗君, 趙麗, 陳宇 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)