专利名称：基于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试设备的橡胶贮存寿命预测模型的制作方法
技术领域：
本发明属于橡胶材料寿命预测技术领域，具体涉及一种可用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的新设备和一种橡胶贮存寿命预测模型。
背景技术：
现有技术通常采用压缩永久变形和压缩应力松弛作为特性指标来预测橡胶材料寿命。现有技术测定橡胶在常温、高温恒定形变下压缩应力的变化，即将橡胶试样压缩至产生恒定的变形，在某一温度下老化不同时间后测定试样压缩应力松弛，为橡胶材料寿命评估提供技术基础。在中国人民共和国国家标准GB1685-82的硫化橡胶在常温和高温下压缩应力松弛的测定中所记载的压缩应力松弛测试设备——松弛仪主要由夹具(压缩器)、测量装置和电信号系统三部分组成。测量装置由活动平板、可更换的弹簧片和百分表组成。活动平板由升降螺杆带动，用于移动夹具。不同厚度的弹簧片，其测力范围不同，需要根据测力范围更换弹簧片，并保证弹簧片的变形在O. 4-1. 10mm，在使用之前需要进行弹簧片的校正，测量时如果不能确定作用力完全作用在弹簧片上，则会引起较大的试验误差。百分表用于指示弹簧片的变形，试验中不可避免产生的摩擦力会影响百分表的误差。由于受目前设备的限制，橡胶材料寿命预测方法需要在试验过程中不断更换试样以达到准确预测橡胶寿命的试验目的，这样就不可避免的由于试样本身造成系统误差，延长试验时间，降低了试验精度。上述因素很大程度上造成了试验结果的不确定性和不稳定性。而测量时应首选能在整个试验过程中实时监测压缩应力变化的装置，进而测量压缩应力随时间的连续变化，使试验效率得以提闻。国内外利用加速老化预测橡胶寿命，多数选择经验公式，计算老化性能临界值和反应速率常数，即动力学处理方法。在利用Arrhenius方程进行预测时，a值的选择很大程度上影响了预测结果，造成橡胶材料寿命预测模型的失真问题。本发明提出在没有自然老化数据检验时，提出用最大相关系数和预测值与观察值之差得平方和(即残差平方和)的最小值作为较佳a的选择判据。充分考虑影响a的因素，用来指导经验公式的选择，以减少橡胶寿命预测的失真问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中橡胶常温和高温压缩应力松弛测试存在的问题，提供一种用于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备及方法，并利用设备所采集的数据，采用Arrhennius修正公式建立橡胶寿命预测模型。进行橡胶常温和高温压缩应力松弛测试的设备如下，主要包括下板、限制器、上板、压力传感器、传感器引线、压头和法兰。所述的上板平置于下板的上方，下板与上板的中心位置垂直对应，上板的中心位置开有中心通孔，在中心通孔左右对称的位置各开有一个通孔，下板上垂直对应上板左、右通孔的位置各开有一个沉孔。左、右两个限制器分别通过上板左、右通孔以及下板上左、右沉孔将下板和上板固定一起。所述的压力传感器位于下板和上板之间，且压力传感器的一端固定在上板的中心通孔上，另一端连接压头的上端，压力传感器通过传感器引线与数据显示仪表连接。所述的压头的下端的压头面直接与橡胶试样的上表面接触。所述的法兰在测试前固定在下板上，且法兰的中心孔位于上板的中心位置， 法兰的中心孔用于卡住橡胶试样，使橡胶试样和压头接触时避免发生侧倾，在测试开始时， 将法兰卸载。本发明提供的一种用于橡胶高温压缩应力松弛测试的方法，具体通过如下步骤实现第一步，测试试样的制备和调试。加工一个圆柱状橡胶试样8，并将橡胶试样8硫化并保证其表面平整。所述的圆柱的直径与法兰7的中心孔16的直径相同，且小于与橡胶试样8所接触的压头6的压头面的直径。本发明实施例中法兰7的中心孔16的直径为10_，则加工橡胶试样8的直径为 10±0. 2mm，高为10±0. 2mm。试验前首先进行热调节，然后进行机械调节。热调节是为了消除橡胶试样8可能存在的模压应力，以提高试验结果的重现性，即将橡胶试样8放在70°C 下预热3h(h表示小时)，热调节后，使橡胶试样8在标准温度下停放不少于16h，最多不超过48h。机械调节用以改善试验结果的重现性，即将橡胶试样8循环压缩5次至规定的压缩量，立即恢复到零应变，然后将橡胶试样8在标准试验温度下停放不少于16h，最多不超过4 8h后进行试验。第二步，试验设备的安装及试验准备。首先，根据所测试橡胶材料的邵尔硬度，确定试验压缩率，进而确定限制器2的高度，具体压缩率的设置依据中华人民共和国国家标准GB1683-81硫化橡胶恒定形变压缩永久变形的测定方法中所记载的压缩率的标准。接着，将本发明的测试设备按从下到上的顺序进行安装，安装时首先将两个限制器2固定于下板1，然后将压力传感器4和压头6连接后通过螺母系列9连接固定于上板3 上，最后通过限制器2将上板3和下板I固定一起。上板3和下板I的平面度应在O. Olmm 范围内，安装加载后上板3和下板I的弯曲度不得超过O. 01mm。再接着，本发明的测试设备安装完成后将连接压力传感器4的传感器引线5和外置的数据显示仪表相连，并将数据显示仪表的电源线和电源相接，在本发明的测量设备处于零测试状态下对数据显示仪表进行调零和量程校准。然后，在所述的测试设备安装及调节后，采用橡胶测厚计测量橡胶试样8的初始厚度，将橡胶试样8的上下表面涂适量滑石粉，防止老化过程中橡胶粘结压头6和下板1，通过法兰7将橡胶试样8定位固定在下板I上，使橡胶试样7位于压头6的中心位置。最后，对橡胶试样8进行加载，拧紧上板3两侧的固定限制器2的螺母，加载过程中要尽量保证橡胶试样8两侧受力均匀，直到力作用加载完成，撤除法兰7，待数据显示仪表数据稳定后，读取初始压缩应力值。第三步，进行老化试验并采集不同时间压缩应力值。将带有橡胶试样8的测试设备放置在老化试验箱内，接通电源，调节老化试验箱的温度，记录不同老化时间橡胶试样8的压缩应力值，监测压缩应力值随时间的变化情况。 一般情况下，老化初期压缩应力值变化较快，记录数据的时间间隔应该较短，随着老化时间的延长，压缩应力值变化逐渐缓慢，时间间隔可以变长。第四步，达到规定老化时间，试验结束。老化测试时间和温度根据现有国家标准GB1683-81橡胶恒定形变压缩永久变形的测定方法中所记载的内容进行选择。达到规定的时间，读取终止老化时间橡胶压缩应力值，开箱取出测试设备，在室温下自由冷却两小时，前一小时期间，数据显示仪表显示压力数据变化较大，而后一小时数据显示仪表显示的压力数据变化较小。冷却后将测试设备卸载，取出橡胶试样8，在自由状态下停放一小时，用橡胶测厚计测量橡胶试样压缩后的恢复高度，进而可以计算其压缩永久变形率，压缩永久变形率具体计算方法依据国家标准 GB1683-81中记载的标准。第五步，确定橡胶材料压缩应力松弛系数。不同试验时间之后测量的橡胶压缩应力可依据时间在对数坐标上绘制曲线图，以便于对试验数据进行分析。根据所获数据推导橡胶材料压缩应力松弛变化规律，为橡胶材料寿命预测提供基础。基于Arrhennius修lH公式寿命预测模型参数的确定一定温度范围内应力松弛情况与老化时间t之间的关系可用下列经验公式描述。
权利要求
1.一种基于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试设备的寿命预测模型建立，其特征在于其测试装置带有压力传感器及外置的数据显示仪表可以实时监测压缩应力的变化，试验过程中不需将试样拿出测试，不需更换试样，影响数据波动的因素较少，保证了寿命预测模型的准确性、可重复性；本发明所述测试装置的上板(3)平置于下板(I)的上方，下板(I)与上板(3)的中心位置垂直对应，上板(3)的中心位置开有中心通孔(10)，在中心通孔(10)左右对称的位置各开有一个通孔(11)，下板(I)上垂直对应上板(3)左、右通孔(11)的位置各开有一个沉孔(12);左、右两个限制器(2)分别通过上板(3)左、右通孔(11)以及下板⑴上左、右沉孔(12)将下板⑴和上板(3)固定一起；所述的压力传感器⑷位于下板⑴和上板(3) 之间，且压力传感器(4)的一端固定在上板(3)的中心通孔(10)上，另一端连接压头(6) 的上端，压力传感器(4)通过传感器引线(5)与数据显示仪表连接；所述的压头(6)的下端的压头面直接与橡胶试样⑶的上表面接触；所述的法兰(7)在测试前固定在下板⑴上， 且法兰(7)的中心孔(16)位于上板(3)的中心位置，橡胶试样(8)卡在法兰(7)的中心孔(16)中，使橡胶试样⑶和压头(6)接触时不发生侧倾，在测试开始时，将法兰(7)卸载。
2.应用权利要求I所述的基于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试设备的寿命预测模型建立方法，具体包括以下步骤步骤一、测试试样的制备和调试，具体是步骤I. I :加工一个圆柱状橡胶试样；步骤I. 2 :将橡胶试样硫化并保证橡胶试样表面平整；步骤I. 3 :依次进行热调节和机械调节；步骤二、试验设备的安装及试验准备，具体是步骤2. I :根据所测试橡胶材料的邵尔硬度，确定试验压缩率，进而确定限制器的高度；步骤2. 2 :安装所述的测试设备先将两个限制器固定于下板，然后将压力传感器和压头连接后整体固定于上板上，最后通过限制器将上板和下板固定一起；步骤2. 3 :将连接压力传感器的传感器引线和外置的数据显示仪表相连，并将数据显示仪表的电源线和电源相接，在所述的测量设备处于零测试状态下对数据显示仪表进行调零和量程校准；步骤2. 4 :采用橡胶测厚计测量橡胶试样的初始厚度，并将橡胶试样的上下表面涂上滑石粉，然后通过法兰将橡胶试样固定在下板上，并使橡胶试样位于压头的中心位置；步骤2. 5:拧紧上板左、右两侧固定限制器的螺母，尽量保证橡胶试样两侧受力均匀， 拧紧所述螺母后撤除法兰，待数据显示仪表的数据稳定后，读取初始压缩应力值；步骤三、进行老化试验并采集不同时间的压缩应力值，具体是将带有橡胶试样的测试设备放置在老化试验箱内，接通电源，调节老化试验箱的温度，记录不同老化时间下橡胶试样的压缩应力值；步骤四、达到规定老化时间，读取终止老化时间时的橡胶压缩应力值，从老化试验箱中取出测试设备进行冷却，冷却后将测试设备卸载，取出橡胶试样，在自由状态下停放一小时，用橡胶测厚计测量橡胶试样压缩后的恢复高度，进而确定该橡胶材料的压缩永久变形率;步骤五、确定橡胶材料压缩应力松弛系数，具体根据|来确定，Ft表示一定时间t后的岁O压缩应力值，F0表示初始应力值。步骤六、绘制应力松弛系数变化曲线，确定应力松弛变化趋势，进而根据其机理选择应力松弛与老化时间之间的关系、速率常数与老化温度之间的关系方程；步骤七、采用逼近法和一元线性回归法得出上述方程之中系数的计算方法，并根据 MATLAB编程计算出α和B的估计值等相关系数值；步骤七、比较线性回归系数的计算值和表值之间的关系，明确其线性回归的效果，得出上述方程，在给定的温度和应力松弛临界值的情况下，得出预测寿命。
全文摘要
本发明提出一种基于橡胶常温和高温压缩应力松弛测试设备的寿命预测模型。所述的建立寿命预测模型方法首先将上述装置采集得到的应力松弛变化数据绘制成图，得出应力松弛情况与老化时间的关系以及速率常数与老化温度之间的关系；其次利用逼近法和线性回归方法以及MATLAB编程软件得出上述方程中的各个系数，并根据相关方法判断其线性回归效果；最后在给定温度和应力松弛临界值之后确定橡胶寿命预测值。本发明能够利用可用于高温橡胶压缩应力松弛的测试的装置，实时监测压缩应力的变化，进而建立寿命预测模型，保证了寿命预测结果的准确性、可重复性和再现性。
文档编号G01N3/08GK102589976SQ20121000981
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者丁美丽, 张卫方, 杨明远, 武玉芬, 王爽, 符丽君, 赵丽, 陈宇 申请人:北京航空航天大学