專利名稱：基于橡膠常溫和高溫壓縮應力松弛測試設備的橡膠貯存壽命預測模型的制作方法
技術領域：
本發明屬于橡膠材料壽命預測技術領域，具體涉及一種可用于橡膠常溫和高溫壓縮應力松弛測試的新設備和一種橡膠貯存壽命預測模型。
背景技術：
現有技術通常采用壓縮永久變形和壓縮應力松弛作為特性指標來預測橡膠材料壽命。現有技術測定橡膠在常溫、高溫恒定形變下壓縮應力的變化，即將橡膠試樣壓縮至產生恒定的變形，在某一溫度下老化不同時間后測定試樣壓縮應力松弛，為橡膠材料壽命評估提供技術基礎。在中國人民共和國國家標準GB1685-82的硫化橡膠在常溫和高溫下壓縮應力松弛的測定中所記載的壓縮應力松弛測試設備——松弛儀主要由夾具(壓縮器)、測量裝置和電信號系統三部分組成。測量裝置由活動平板、可更換的彈簧片和百分表組成。活動平板由升降螺桿帶動，用于移動夾具。不同厚度的彈簧片，其測力范圍不同，需要根據測力范圍更換彈簧片，并保證彈簧片的變形在O. 4-1. 10mm，在使用之前需要進行彈簧片的校正，測量時如果不能確定作用力完全作用在彈簧片上，則會引起較大的試驗誤差。百分表用于指示彈簧片的變形，試驗中不可避免產生的摩擦力會影響百分表的誤差。由于受目前設備的限制，橡膠材料壽命預測方法需要在試驗過程中不斷更換試樣以達到準確預測橡膠壽命的試驗目的，這樣就不可避免的由于試樣本身造成系統誤差，延長試驗時間，降低了試驗精度。上述因素很大程度上造成了試驗結果的不確定性和不穩定性。而測量時應首選能在整個試驗過程中實時監測壓縮應力變化的裝置，進而測量壓縮應力隨時間的連續變化，使試驗效率得以提聞。國內外利用加速老化預測橡膠壽命，多數選擇經驗公式，計算老化性能臨界值和反應速率常數，即動力學處理方法。在利用Arrhenius方程進行預測時，a值的選擇很大程度上影響了預測結果，造成橡膠材料壽命預測模型的失真問題。本發明提出在沒有自然老化數據檢驗時，提出用最大相關系數和預測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的選擇判據。充分考慮影響a的因素，用來指導經驗公式的選擇，以減少橡膠壽命預測的失真問題。

發明內容
本發明為了解決現有技術中橡膠常溫和高溫壓縮應力松弛測試存在的問題，提供一種用于橡膠常溫和高溫壓縮應力松弛測試的設備及方法，并利用設備所采集的數據，采用Arrhennius修正公式建立橡膠壽命預測模型。進行橡膠常溫和高溫壓縮應力松弛測試的設備如下，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應，上板的中心位置開有中心通孔，在中心通孔左右對稱的位置各開有一個通孔，下板上垂直對應上板左、右通孔的位置各開有一個沉孔。左、右兩個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據顯示儀表連接。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避免發生側傾，在測試開始時， 將法蘭卸載。本發明提供的一種用于橡膠高溫壓縮應力松弛測試的方法，具體通過如下步驟實現第一步，測試試樣的制備和調試。加工一個圓柱狀橡膠試樣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。本發明實施例中法蘭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。試驗前首先進行熱調節，然后進行機械調節。熱調節是為了消除橡膠試樣8可能存在的模壓應力，以提高試驗結果的重現性，即將橡膠試樣8放在70°C 下預熱3h(h表示小時)，熱調節后，使橡膠試樣8在標準溫度下停放不少于16h，最多不超過48h。機械調節用以改善試驗結果的重現性，即將橡膠試樣8循環壓縮5次至規定的壓縮量，立即恢復到零應變，然后將橡膠試樣8在標準試驗溫度下停放不少于16h，最多不超過4 8h后進行試驗。第二步，試驗設備的安裝及試驗準備。首先，根據所測試橡膠材料的邵爾硬度，確定試驗壓縮率，進而確定限制器2的高度，具體壓縮率的設置依據中華人民共和國國家標準GB1683-81硫化橡膠恒定形變壓縮永久變形的測定方法中所記載的壓縮率的標準。接著，將本發明的測試設備按從下到上的順序進行安裝，安裝時首先將兩個限制器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的平面度應在O. Olmm 范圍內，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，本發明的測試設備安裝完成后將連接壓力傳感器4的傳感器引線5和外置的數據顯示儀表相連，并將數據顯示儀表的電源線和電源相接，在本發明的測量設備處于零測試狀態下對數據顯示儀表進行調零和量程校準。然后，在所述的測試設備安裝及調節后，采用橡膠測厚計測量橡膠試樣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，對橡膠試樣8進行加載，擰緊上板3兩側的固定限制器2的螺母，加載過程中要盡量保證橡膠試樣8兩側受力均勻，直到力作用加載完成，撤除法蘭7，待數據顯示儀表數據穩定后，讀取初始壓縮應力值。第三步，進行老化試驗并采集不同時間壓縮應力值。將帶有橡膠試樣8的測試設備放置在老化試驗箱內，接通電源，調節老化試驗箱的溫度，記錄不同老化時間橡膠試樣8的壓縮應力值，監測壓縮應力值隨時間的變化情況。 一般情況下，老化初期壓縮應力值變化較快，記錄數據的時間間隔應該較短，隨著老化時間的延長，壓縮應力值變化逐漸緩慢，時間間隔可以變長。第四步，達到規定老化時間，試驗結束。老化測試時間和溫度根據現有國家標準GB1683-81橡膠恒定形變壓縮永久變形的測定方法中所記載的內容進行選擇。達到規定的時間，讀取終止老化時間橡膠壓縮應力值，開箱取出測試設備，在室溫下自由冷卻兩小時，前一小時期間，數據顯示儀表顯示壓力數據變化較大，而后一小時數據顯示儀表顯示的壓力數據變化較小。冷卻后將測試設備卸載，取出橡膠試樣8，在自由狀態下停放一小時，用橡膠測厚計測量橡膠試樣壓縮后的恢復高度，進而可以計算其壓縮永久變形率，壓縮永久變形率具體計算方法依據國家標準 GB1683-81中記載的標準。第五步，確定橡膠材料壓縮應力松弛系數。不同試驗時間之后測量的橡膠壓縮應力可依據時間在對數坐標上繪制曲線圖，以便于對試驗數據進行分析。根據所獲數據推導橡膠材料壓縮應力松弛變化規律，為橡膠材料壽命預測提供基礎。基于Arrhennius修lH公式壽命預測模型參數的確定一定溫度范圍內應力松弛情況與老化時間t之間的關系可用下列經驗公式描述。
權利要求
1.一種基于橡膠常溫和高溫壓縮應力松弛測試設備的壽命預測模型建立，其特征在于其測試裝置帶有壓力傳感器及外置的數據顯示儀表可以實時監測壓縮應力的變化，試驗過程中不需將試樣拿出測試，不需更換試樣，影響數據波動的因素較少，保證了壽命預測模型的準確性、可重復性；本發明所述測試裝置的上板(3)平置于下板(I)的上方，下板(I)與上板(3)的中心位置垂直對應，上板(3)的中心位置開有中心通孔(10)，在中心通孔(10)左右對稱的位置各開有一個通孔(11)，下板(I)上垂直對應上板(3)左、右通孔(11)的位置各開有一個沉孔(12);左、右兩個限制器(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)與數據顯示儀表連接；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)接觸時不發生側傾，在測試開始時，將法蘭(7)卸載。
2.應用權利要求I所述的基于橡膠常溫和高溫壓縮應力松弛測試設備的壽命預測模型建立方法，具體包括以下步驟步驟一、測試試樣的制備和調試，具體是步驟I. I :加工一個圓柱狀橡膠試樣；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 :依次進行熱調節和機械調節；步驟二、試驗設備的安裝及試驗準備，具體是步驟2. I :根據所測試橡膠材料的邵爾硬度，確定試驗壓縮率，進而確定限制器的高度；步驟2. 2 :安裝所述的測試設備先將兩個限制器固定于下板，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據顯示儀表相連，并將數據顯示儀表的電源線和電源相接，在所述的測量設備處于零測試狀態下對數據顯示儀表進行調零和量程校準；步驟2. 4 :采用橡膠測厚計測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、右兩側固定限制器的螺母，盡量保證橡膠試樣兩側受力均勻， 擰緊所述螺母后撤除法蘭，待數據顯示儀表的數據穩定后，讀取初始壓縮應力值；步驟三、進行老化試驗并采集不同時間的壓縮應力值，具體是將帶有橡膠試樣的測試設備放置在老化試驗箱內，接通電源，調節老化試驗箱的溫度，記錄不同老化時間下橡膠試樣的壓縮應力值；步驟四、達到規定老化時間，讀取終止老化時間時的橡膠壓縮應力值，從老化試驗箱中取出測試設備進行冷卻，冷卻后將測試設備卸載，取出橡膠試樣，在自由狀態下停放一小時，用橡膠測厚計測量橡膠試樣壓縮后的恢復高度，進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力松弛系數，具體根據|來確定，Ft表示一定時間t后的歲O壓縮應力值，F0表示初始應力值。步驟六、繪制應力松弛系數變化曲線，確定應力松弛變化趨勢，進而根據其機理選擇應力松弛與老化時間之間的關系、速率常數與老化溫度之間的關系方程；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的計算方法，并根據 MATLAB編程計算出α和B的估計值等相關系數值；步驟七、比較線性回歸系數的計算值和表值之間的關系，明確其線性回歸的效果，得出上述方程，在給定的溫度和應力松弛臨界值的情況下，得出預測壽命。
全文摘要
本發明提出一種基于橡膠常溫和高溫壓縮應力松弛測試設備的壽命預測模型。所述的建立壽命預測模型方法首先將上述裝置采集得到的應力松弛變化數據繪制成圖，得出應力松弛情況與老化時間的關系以及速率常數與老化溫度之間的關系；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系數，并根據相關方法判斷其線性回歸效果；最后在給定溫度和應力松弛臨界值之后確定橡膠壽命預測值。本發明能夠利用可用于高溫橡膠壓縮應力松弛的測試的裝置，實時監測壓縮應力的變化，進而建立壽命預測模型，保證了壽命預測結果的準確性、可重復性和再現性。
文檔編號G01N3/08GK102589976SQ20121000981
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者丁美麗, 張衛方, 楊明遠, 武玉芬, 王爽, 符麗君, 趙麗, 陳宇 申請人:北京航空航天大學