一种轮胎内胎或内衬层气密性测定装置及气密性测定方法与流程
本发明属于轮胎性能检测技术领域，特别涉及一种针对轮胎内胎或内衬层的气密性测定装置及用该装置测定轮胎内胎或内衬层气密性的方法。
背景技术：
轮胎通常由外胎、内胎、垫带三部分组成。也有不需要内胎的，其胎体内部有一层气密性良好的橡胶层(也叫气密层或内衬层)，且需配专用的轮辋。世界各国轮胎的结构，都向无内胎、子午线结构、扁平(轮胎断面高与宽的比值小)和轻量化的方向发展。
目前汽车轮胎内胎或内衬层大都采用丁基橡胶或丁基橡胶和其他橡胶的混合胶。用于内胎或内衬层的橡胶材料，除了要求具有高强度的耐拉伸、抗撕裂性能外，还要求有良好的气密性，以保证汽车轮胎长时间使用不需要充气。
一个汽车轮胎，在充足气以后，使用6-12个月，会出现不同程度的胎压下降，对轮胎进行检查，一般也不会发现有泄漏点。这样的微泄漏，通常并不是轮胎胎体、气门受到了损伤，而是由于完好无损的轮胎材料本身气体渗透所造成的，而影响气体渗透的因素主要有：
(1)轮胎材料本身的影响——材料的扩散系数越大，气体渗透越容易；
(2)温度的影响——温度越高，气体分子运动越剧烈，气体渗透越容易；
(3)胎内填充气体的影响——气体分子直径越小，气体渗透越容易；
(4)胎内充气压力的影响——胎内充气压力越高，胎内外的压差越大，气体渗透越容易。
对于半钢胎，轮胎内的气体压力一般为0.2-0.25MPa，对于全钢胎，轮胎内的气体压力一般为0.7-0.8MPa。而轮胎在高速行驶过程中，内部温度会急剧上升，极限温度可达120℃，此温度下，半钢胎内部气压可达0.264-0.33MPa，全钢胎内部气压可达0.923-1.055MPa。即在轮胎实际使用过程中，不同充气压力、不同环境温度下，轮胎内胎或内衬层的气密性也不同。
目前评价轮胎内胎或内衬层气密性的好坏主要是通过气体透过量、气体透过系数(GB/T 1038-2000)两个指标来衡量。
气体透过量，是指在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位面积的气体的体积。以标准温度和压力下的体积值表示，单位为：cm3/(m2·d·Pa)。
气体透过系数，是指在恒定温度和单位压力差下，在稳定透过时，单位时间内透过试样单位厚度、单位面积的气体的体积。以标准温度和压力下的体积值表示，单位为：cm3·cm/(cm2·s·Pa)。
气体透过量Qg[cm3/(m2·d·Pa)]按式(1)进行计算：
式中：Qg——材料的气体透过量，cm3/(m2·d·Pa)；
Δp/Δt——在稳定透过时，单位时间内低压腔气体压力变化的算术平均值，Pa/h；
V——低压腔体积，cm3；
S——试样的试验面积，m2；
T——试验温度，K；
p1-p2——试样两侧的压差，Pa；
T0，p0——标准状态下的温度(273.15K)和压力(1.0133×105Pa)。
气体透过系数Pg[cm3·cm/(cm2·s·Pa)]按式(2)进行计算：
式中：Pg——材料的气体透过率，cm3·cm/(cm2·s·Pa)；
Δp/Δt——在稳定透过时，单位时间内低压腔气体压力变化的算术平均值，Pa/s；
T——试验温度，K；
D——试验厚度，cm；
目前行业内，针对轮胎内胎或内衬层气密性的试验方法为：把整只成品胎充入规定压力的气体，并连上压力表，放置于一个温度保持恒定的环境中静置7天左右，待成品胎内外温度达到平衡之后，开始记录胎内压力变化情况。试验时间一般至少持续一个月，多的长达一年之久。这种整体性的测试方法目前除了通过观察压力表压降的做法外，还没有其他理想的实现方式。此测试方法精度低、耗时长、成本高，操作起来很不方便。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种新的针对轮胎内胎或内衬层的气密性测定装置，其可提高轮胎内胎或内衬层气密性测试的效率和准确性，在本装置上实现GB/T 7755-2003硫化橡胶或热塑性橡胶透气性的测定。
本发明另一目的在于提供利用上述装置测定轮胎内胎或内衬层气密性的方法。该方法在被测材料上取样，夹装在高压腔组件和低压腔组件之间，在试样两侧分别形成密闭的高压容腔和低压容腔，使试样两侧保持一恒定的压差，测量气体渗透过试样之后低压容腔压力随时间的变化，通过GB/T 1038-2000计算出气体透过量和气体透过系数等直接影响气密性能的参数。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种轮胎内胎或内衬层的气密性测定装置，包括高压腔组件、低压腔组件以及用于将被测试样固定在高压腔组件和低压腔组件之间的固定组件，在被测试样两侧形成密闭的高压容腔和低压容腔，高压容腔分别与高压源、高压控制单元和高压检测单元连接，低压容腔分别与低压源、低压控制单元和低压检测单元连接，高压控制单元、低压控制单元、温度控制单元分别通过相应地高压检测单元、低压检测单元及温度检测单元与记录单元连接，高压腔组件和低压腔组件均分别与温度控制单元和温度检测单元连接。
所述的高压腔组件包括高压腔盖、高压腔体以及置于其中的高压腔加热装置，高压腔加热装置分别与温度控制单元和温度检测单元连接。
所述的低压腔组件包括低压腔盖、低压腔体以及置于其中的低压腔加热装置，低压腔加热装置分别与温度控制单元和温度检测单元连接。
所述的高压腔加热装置包括高压腔加热板、高压腔保温层和高压腔温度传感器，高压腔温度传感器从高压腔体的一侧穿过高压腔保温层插入高压腔加热板中，高压腔温度传感器与温度检测单元连接；所述的低压腔加热装置包括低压腔加热板、低压腔保温层和低压腔温度传感器，低压腔温度传感器从低压腔体的一侧穿过低压腔保温层插入低压腔加热板中，低压腔温度传感器与温度检测单元连接；
优选的，高压腔加热板和低压腔加热板的结构相同，内部均平行布置两根加热棒，加热棒和温度控制单元连接。
所述的固定组件可为压紧装置或自动顶紧装置。
所述的压紧装置包括导向柱、手轮、螺杆和卡爪，高压腔组件通过导向柱、螺杆与压紧装置相连，低压腔组件和压紧组件通过螺钉固定在同一平台上，压紧组件通过手轮将卡爪牢固的扣入低压腔体上面的斜凹槽中，使高压腔组件和低压腔组件压紧被测试样，从而在试样两侧形成密闭的高压容腔和低压容腔。所述的高压容腔和低压容腔直径尺寸相同。
所述的自动顶紧装置包括动力源(如气缸、电缸等)和支架，动力源的输出杆与高压腔组件连接，支架和低压腔组件固定在同一平台上，依靠动力源的顶紧力，将高压腔组件牢固的压紧在低压腔组件和被测试样上，从而在被测试样两侧形成密闭的高压容腔和低压容腔。
优选的，所述的固定组件为压紧装置。
所述的高压源为高压气体，为增大高压腔体积，使长时间的泄漏试验引起的高压容腔压力损失最小，可将高压容腔与试验用恒压气体储气罐连接。
所述的低压源为外界大气，低压容腔通过高灵敏度常闭电磁阀和排气节流阀与低压源连接。设置低压容腔压力上限值(标准大气压+100Pa)，将排气节流阀调至最小排气流量，当低压检测单元检测到因长时间的泄漏试验引起低压容腔压力值超过设定上限值时，通过低压控制单元控制高灵敏度常闭电磁阀的通断实现自动排气，恢复标准大气压，从而模拟轮胎在实际使用过程中的工况。
所述的低压容腔内还包括试样支撑块，试样支撑块由具有一定的硬度和良好的透气性的材料制得，直径比低压容腔略小，高度与低压容腔深度相同，对试样2起到支撑作用，以抵抗高压气体负荷，使试样2不产生明显的变形，保证透气面积恒定。
优选的，所述的试样支撑块由烧结金属粉末、微孔金属或粘结金属颗粒制得。
所述的低压腔体上面设置有两个圆形凹槽，用于放置O型密封圈，可保证被测试样与低压容腔之间的密封性，O型密封圈的直径小于被测试样。
通过高压容腔与高压气体连接和低压容腔与外界大气连接来模拟轮胎在实际使用过程中的工况，高压腔内的压力范围可为标准大气压力～2.0MPa。
所述的自动记录单元自带数据处理系统。
一种利用上述装置测定轮胎内胎或内衬层气密性的方法，该装置可在两种模式下测定轮胎内胎或内衬层气密性，分别包括以下步骤：
在恒温和恒压差的模式下：
(1)在被测材料上取样，测试轮胎内胎或内衬层试样厚度，然后将试样置于高压腔组件和低压腔组件之间，用固定组件使高压腔组件和低压腔组件固定并压紧被测试样，在被测试样两侧形成密闭的高压容腔和低压容腔；
(2)将低压容腔与外界大气连通，使低压容腔初始压力为标准大气压，然后保持密闭；
(3)向高压容腔及恒压储气罐中充入设定压力的高压气体；
(4)通过温度控制单元控制高压腔加热装置和低压腔加热装置，保持高压腔组件和低压腔组件内的温度恒定，通过高压控制单元和低压控制单元保持高、低压容腔的压差不变；
(5)气密性测试：通过与低压容腔相连的低压检测单元和自动记录单元，实时记录低压容腔的压力变化情况，得出试样的气体透过曲线，从而计算出气体透过量和气体透过系数；
在变温和变压差的模式下：
(1)在被测材料上取样，测试轮胎内胎或内衬层试样厚度，然后将试样置于高压腔组件和低压腔组件之间，用固定组件使高压腔组件和低压腔组件固定并压紧被测试样，在被测试样两侧形成密闭的高压容腔和低压容腔；
(2)将低压容腔与外界大气连通，使低压容腔初始压力为标准大气压，然后保持密闭；
(3)室温状态下向高压容腔及恒压储气罐内充入设定压力的高压气体；
(4)通过温度控制单元和温度检测单元，控制高压腔加热装置和低压腔加热装置对高压腔组件和低压腔组件加热至设定温度并保持恒定，平衡之后，将低压容腔与大气连通，使低压容腔内部气体压力降至标准大气压后保持密封；
(5)气密性测试：通过与低压容腔相连的低压检测单元和自动记录单元，实时记录低压容腔的压力变化，得出试样的气体透过曲线，从而计算出气体透过量和气体透过系数。
上述两种工作模式下，在进行步骤(5)气密性测试时，高压容腔和低压容腔的压差范围为标准大气压～2MPa；高压腔组件和低压腔组件的温度范围均为室温～150℃。
优选的，上述两种工作模式下，在进行步骤(5)气密性测试时，高压容腔和低压容腔的压差范围为0.2～0.3MPa或者0.7～0.8MPa。
在变温和变压差模式下可更好地模拟轮胎内胎或内衬层的实际使用工况。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
本发明克服了现有技术中存在的耗时耗力、操作复杂、准确度低以及成本高的缺点，在该仪器上进行此类试验，一般只需24小时即可完成，且能真实模拟实际使用状况下的温度，并实时绘制压力变化曲线，大大提高了工作效率，对轮胎内胎或内衬层材料的选取、改进都具有非常重要的现实指导意义。
附图说明
图1为本发明的针对轮胎内胎或内衬层的气密性测定装置的系统构成图。
图2为高、低压腔组件的压紧装置。
图3为高、低压腔组件的自动顶紧装置。
图4为高压腔垂直于试样的轴向剖面图。
图5为低压腔垂直于试样的轴向剖面图。
图6为高、低压腔的加热板的平行于试样的径向剖面图。
其中，1高压腔组件、2试样、3低压腔组件、4低压控制单元、5低压检测单元、6温度控制单元、7温度检测单元、8高压控制单元、9高压检测单元、10自动记录单元、11压紧装置、12自动顶紧装置、100高压容腔、101高压腔盖、102高压腔保温层、103高压腔加热板、104高压腔体、105高压腔温度传感器、106高压腔加热棒、300低压容腔、301低压腔盖、302低压腔保温层、303低压腔加热板、304低压腔体、305低压腔支撑块、306O型密封圈、307低压腔温度传感器、308低压腔加热棒、309高灵敏度常闭电磁阀、310排气节流阀、1101导向柱、1102手轮、1103螺杆、1104卡爪，1201动力源(如气缸、电缸等)、1202支架。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种轮胎内胎或内衬层的气密性测定装置，具体如图1所示，包括高压腔组件1、试样2、低压腔组件3、低压控制单元4、低压检测单元5、温度控制单元6、温度检测单元7、高压控制单元8、高压检测单元9、自动记录单元10。其中，通过固定组件将置于高压腔组件1和低压腔组件3之间的试样2压紧，在试样2的两侧分别形成密闭的高压容腔100和低压容腔300，高压容腔100分别与高压控制单元8和高压检测单元9连接，低压容腔300分别与低压控制单元4和低压检测单元5连接，高压控制单元8、低压控制单元4、温度控制单元6分别通过相应地高压检测单元9、低压检测单元5及温度检测单元7与记录单元10连接，自动记录单元自带数据处理系统(图中未示出)，高压腔组件1和低压腔组件3均分别与温度控制单元6和温度检测单元7连接。
为增大高压容腔100体积，使长时间的泄露试验引起的高压容腔100压力损失最小，将高压容腔100与试验用恒压气体储气罐相连，试验时向高压容腔和恒压气体储气罐充入高压气体；
为更好的模拟实际使用过程中的工况，低压容腔300通过高灵敏度常闭电磁阀309、排气节流阀310与外界大气相连，设置低压容腔300压力上限值，当低压检测单元5检测到因长时间的泄漏试验引起低压容腔压力值超过设定上限值(标准大气压+100Pa)时，通过低压控制单元4控制高灵敏度常闭电磁阀309的通断实现自动排气，恢复标准压力值，从而模拟轮胎在实际使用过程中的工况。
如图2所示，所述的固定组件为压紧装置11，压紧装置11包括导向柱1101、手轮1102、螺杆1103、卡爪1104，压紧组件11和低压腔组件3通过螺钉固定在同一平台上，高压腔组件1通过导向柱1101、螺杆1103与压紧装置11相连，压紧组件11通过手轮将卡爪1104牢固的扣入低压腔体上面的斜凹槽中，使高压腔组件1和低压腔组件3压紧被测试样2，从而在试样2两侧形成密闭的高压容腔和低压容腔；所述的高压容腔和低压容腔直径尺寸相同。
如图3所示，所述的固定组件为自动顶紧装置12，自动顶紧装置12包括动力源1201(可为气缸、电缸等形式)和支架1202。动力源1201的输出杆与高压腔组件1连接，支架1202和低压腔组件3固定在同一平台上。动力源1201的输出杆可沿轴向伸出和缩回，从而带动高压腔组件1上升和下降，试验过程中，动力源1201的输出杆将高压腔组件1牢固的压紧在低压腔组件3和被测试样2上，从而在被测试样2两侧形成密闭的高压容腔100和低压容腔300。
如图4所示，高压腔组件1包括高压腔盖101、高压腔体104和高压腔加热装置，其中高压腔加热装置包括高压腔保温层102、高压腔加热板103和高压腔温度传感器105，高压腔加热板103位于高压腔体104的中上部，高压腔加热板103四周及上部包覆有高压腔保温层102，高压腔盖101位于高压腔体104的上面，高压腔盖101和高压腔体104通过螺钉连接，高压腔温度传感器105从高压腔体104的一侧穿过高压腔保温层102插入高压腔加热板103中，高压腔温度传感器105与温度检测单元7相连(图中未标出)。
如图5所示，低压腔组件3包括低压腔盖301、低压腔体304和置于其中的低压腔加热装置，其中低压腔加热装置包括低压腔保温层302、低压腔加热板303和低压腔温度传感器307，低压腔加热板303位于低压腔体304的中下部，低压腔加热板303四周及下部包覆有低压腔保温层302，低压腔盖301位于低压腔体304的下面，低压腔盖301和低压腔体304通过螺钉连接，低压腔温度传感器307从低压腔体304的一侧穿过低压腔保温层302插入高压腔加热板303中，低压腔温度传感器307与温度检测单元7相连(图中未标出，温度检测单元7实际为温度传感器105和307的处理电路)；
可以根据需要，通过温度控制单元6和温度检测单元7控制高压腔加热装置和低压腔加热装置，准确控制高压容腔100和低压容腔300内部气体的温度，进而模拟轮胎橡胶材料在实际使用过程中的环境温度变化情况；
为保证试样2和低压腔组件1之间的气密性，在低压腔体304的上部设计有两个圆形凹槽，用于放置O型密封圈306，试样直径尺寸大于O型密封圈，如图5所示；
在试验过程中，因试样2两侧存在一定的压差，为防止试样2产生变形而影响透气面积的测定，应在试样2的低压侧加以支撑，以抵抗高压侧气体压力负荷。在本实验装置中，低压容腔300里还包括试样支撑块305，如图5所示，试样支撑块305的直径比低压容腔直径略小，高度与低压容腔深度相同，其由具有一定的硬度和良好的透气性的材料制成，可对试样2起到支撑作用，以抵抗高压气体负荷，使试样2不产生明显的变形，保证透气面积恒定。
如图6所示，高压腔的加热板103内部平行布置2根加热棒106和一个温度传感器105；低压腔加热板303内部平行布置2根加热棒308和一个温度传感器307。加热棒106(308)和温度控制单元6连接，温度传感器105(307)与温度检测单元7连接，可以根据需要，准确控制高压腔组件1和低压腔组件3的温度，进而模拟轮胎内胎或内衬层在实际使用过程中的环境温度变化情况。
在恒温和恒压差下，通过上述装置测定轮胎内胎或内衬层气密性的方法，具体包括以下步骤：
(1)在被测材料上取样，测试轮胎内胎或内衬层试样厚度，然后将试样2置于高压腔组件1和低压腔组件3之间，用压紧装置11将高压腔组件1和低压腔组件3固定，此时试样2也被压紧，在试样两边形成密闭的高压容腔100和低压容腔300；
(2)将低压容腔300与外界大气连通，使低压容腔300初始压力为标准大气压，然后保持高灵敏度常闭电磁阀309处于关闭状态；
(3)向高压容腔100及恒压储气罐中充入设定压力的高压气体；
(4)通过温度控制单元6和温度检测单元7控制高压腔加热装置和低压腔加热装置，保持高压腔组件1和低压腔组件2的温度恒定，通过高压控制单元8和低压控制单元9保持高低压容腔的压差不变；
(5)气密性测试：通过与低压容腔相连的低压检测单元5和自动记录单元10，实时记录低压容腔的压力变化情况，得出试样的气体透过曲线，根据GB/T 1038-2000计算出气体透过量和气体透过系数；
在变温和变压差下，通过上述装置测定胎内胎或内衬层气密性的方法，具体包括以下步骤：
(1)在被测材料上取样，测试轮胎内胎或内衬层试样厚度，然后将试样2置于高压腔组件1和低压腔组件3之间，用压紧装置11将高压腔组件1和低压腔组件3固定，此时试样2也被压紧，在试样两边形成密闭的高压容腔100和低压容腔300；
(2)将低压容腔300与外界大气连通，使低压容腔初始压力为标准大气压，然后保持高灵敏度常闭电磁阀309处于关闭状态；
(3)室温状态下向高压容腔100及恒压储气罐内充入设定压力的高压气体；
(4)通过温度控制单元6和温度检测单元7，控制高压腔加热装置和低压腔加热装置对高压腔组件1和低压腔组件3加热至设定温度并保持恒定，平衡之后，高、低压容腔内的气体压力均升高，此时继续保持高压容腔密闭，通过开启常闭电磁阀309，将低压容腔与大气连通，使低压容腔内部气体压力降至标准大气压后，关闭常闭电磁阀309，保持密闭状态；
(5)气密性测试：通过与低压容腔相连的低压检测单元5和自动记录单元10，实时记录低压容腔的压力变化，得出试样的气体透过曲线，根据GB/T 1038-2000计算出气体透过量和气体透过系数。
上述测定气密性的方法中，试样的气体透过量和气体透过系数具体由以下表达式计算得到：
式中：Qg——材料的气体透过量，cm3/(m2·d·Pa)；
Δp/Δt——在稳定透过时，单位时间内低压容腔气体压力变化的算术平均值，Pa/h；由低压检测单元和自动记录单元得出；
V——低压腔体积，cm3；根据实际情况测量得到；
S——试样的试验面积，m2；根据实际情况测量得到；
T——试验温度，K；由温度检测单元和自动记录单元得出；
p1-p2——试样两侧的压差，Pa；由高压检测单元、低压检测单元和自动记录单元得出；
T0，p0——标准状态下的温度(273.15K)和压力(1.0133×105Pa)。
D——试验厚度，cm；由测量样品得出。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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