专利名称：粘弹性材料测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及测试材料粘弹性的系统和方法，具体涉及能够对材料进行挠曲仪测试以确定温升和永久形变以及进行其它测试以确定材料某些基本粘弹性例如贮能模量和损耗模量的系统和方法。
背景技术：
通常要求赋予一种样品或化合物许多特性，以便于预测这种化合物在各种应用中的响应性，以及有利于研究和开发这种化合物，并作为一种指标对生产的化合物进行质量鉴定。例如要求能够预测某些橡胶作的轮胎所具有的滚动阻力，而实际上并没有用该化合物制作一个轮胎和测试一个轮胎。可以根据橡胶样品的某些特性例如用挠曲仪测试时材料的温度改变和永久应变预测或推导出滚动阻力。
在题为“橡胶特性即在压缩时的生热和挠曲疲劳的标准测试方法”的ASTM标准D623的方法A中说明了一种挠曲仪即Goodrich式挠曲仪。这种挠曲仪价格便宜而很小，但只能提供有限的材料特性信息，例如温度改变及永久应变。还可以利用其它装置，它们能够测定样品的基本粘弹性，但是价格高、体积大而操作复杂。这些机器中很多不能进挠曲仪式的测试。
因此希望提供一种系统，即可进行挠曲仪测试又可进行其它测试以确定材料的基本粘弹性，而这种系统又相当便宜、体积小和操作简单。
发明概要本发明提供一种既进行挠曲仪测试又进行其它测试以确定材料粘弹性的系统和方法。该系统通过将平衡梁部件锁定就位和在微机上设定要进行的测试便可以容易地从用挠曲仪测试的状态改变到测试基本粘弹性的状态。
按照本发明的一个方面，测试粘弹性材料各种特性的装置包括一个平衡梁，该平衡梁支承一个放置材料的平台，该平衡梁具有固定状态和活动状态；加载组件，用于在平衡梁处于活动状态时将一静负载加在材料上，并且在上述平衡梁处于固定状态时在上述材料上引起初始静应变；对着平台的小锤，用于将动态应变施加于材料；第一传感器，在平衡梁处于固定状态时该传感器检测小锤施加在材料上的动态应变；负载传感器，该传感器检测在平衡梁处于固定状态下时该材料对初始静应变和动态应变的力响应性，第二传感器，检测平衡梁处于活动状态时材料的永久尺寸变化。
按照本发明的另一方面，测试粘弹性材料各种特性的装置包括平衡梁，用于支承放置材料的平台，平衡梁具有固定状态和活动状态；加载组件，用于在上述平衡梁处于活动状态时将静负载加在材料上，并且在上述平衡梁处于固定状态时在上述材料上引起初始静应变；对着平台的小锤，用于将动态应变加在材料上；第二传感器，用于检测平衡梁处于固定状态时小锤加在材料上的动态应变；负载传感器，该传感器检测在平衡梁处于固定状态时材料对初始静应变和动态应变的力响应性；热电偶，用于检测平衡梁处于活动状态时材料的温度。
按照本发明的另一方面，测试粘弹性材料各种特性的方法包括以下步骤在第一测试和第二测试中选择要进行的测试；在选择第二测试时将静负载加在材料上，并在选择上述第一测试时在上述材料上引发初始静应变；将动态应变加在材料上；在选择第一测试时检测加在材料上的动态应变；在选择第一测试时检测材料对初始静应变和动态静应变的力响应性；在选择第二测试时检测材料的永久尺寸形变。
按照本发明的再一方面，检测粘弹材料各种特性的方法包括以下步骤在第一测试和第二测试中选择要执行的测试；当选择第二测试时将静负载加在材料上并且在选择第一测试时在上述材料上引发初始静应变；将动态应变加在材料上；在选择第一测试时检测加在材料上的动态应变；在选择第一测试时检测材料对初始静应变负载和动态应变的力响应性；在选择第二测试时检测材料的温度。
按照本发明的再一方面，用挠曲仪测试的系统包括平衡梁，支承放置粘弹材料的平台，平衡梁在转动轴上保持平衡并可绕该转动轴的轴线转动；将静负载加在材料上的组件；对着平台的小锤，用于将动态应变加在材料上；检测材料永久尺寸变化的传感器。
按照本发明的再一方面，进行粘弹性测试的系统包括平衡梁，用于支承放置粘弹材料的平台，平衡梁在一个转动轴上保持平衡并可绕该转动轴的轴线转动；锁定组件， 包括用于接触上述平衡梁底面的第一接触件和用于接触上述平衡梁顶面的第二接触件，锁定组件具有该梁可以自由转动的第一状态和接触件共同起作用而将平衡梁锁定在固定位置的第二状态；将静力加于材料上的组件；对着平台的小锤，用于将动态应变加在材料上；至少一个传感器，用于检测材料对测试的响应；控制器，用于控制锁定组件的状态。
按照本发明的再一方面，改装具有刀口支轴的挠曲仪的组件包括一个转动轴，该轴可转动地固定在安装装置上，该安装装置装在要更换刀口支轴的挠曲仪的机架上；适合于取代挠曲仪平衡梁中枢轴件的替换枢轴件，该替换枢轴件还适合于接纳至少部分转轴，其中该转轴和平衡梁的枢轴线与替换之前的刀口支轴的刀尖共轴。
以下详细说明本发明的上述特征和其它特征并在权利要求书中指出了所有这些特征，以下的说明和附图详细地陈述了本发明的某些例示性实施例，然而这些实施例仅仅表现出可以应用本发明原理的不同方式中的少许方式。应当认识到，本发明的范围应当由权利要求书及其等价说明确定。
附图的简要说明包括以下附图
图1是本发明测试系统的局部等角投影图；图2是图1测试系统的局部侧视图；图3是用挠曲仪测试时作为运行时间(min)函数的温度的曲线图；图4是在时间过程中加于测试样品上的应变和样品对所加应变的力响应性的波形的重叠曲线图5是具有刀口支轴的常规挠曲仪的枢轴组件的放大图；图6是另一枢轴组件的放大图；图7是俯视平衡梁时自动锁定组件的视图；图8是图7自动锁定组件的局部侧视图，图中为清楚起见除去了支承轴承，而且平衡梁处于固定状态；图9是图7自动锁定组件的局部侧视图，图中为清楚起见除去了支承轴承，而且平衡梁处于自由状态。
发明的详细说明参照附图，首先参看图1，图中示出本发明的测试系统10。测试系统10最好可在两种模式下操作，例如用挠曲仪测试的模式和进行其它测定的模式，后一种模式可以测定测试材料的某些基本的粘弹性例如贮能模量、损耗模量和tanδ。
测试系统10包括机架11；其中放置测试样品14的测试夹具12；围绕测试样品和部分夹具的炉子(未示出)；在支轴18上保持平衡的高惯性质量的平衡梁16；驱动系统20；计算机或处理器22；计算机22控制测试的各个方面，和/或采集测试数据，和/或按照所选的测试模式根据采集的测试数据计算测试样品14的所需特性。计算机可以是许多处理装置和有关器件中任何一种处理器，它可以与远处的装置配合，得到数字化的数据并执行下面将说明的要求的数据计算。
测试夹具12的下部分包括放置测试样品14的平台24，该平台通过负载传感器26、定位轴28和调平系30连接于平衡梁16，如图2所示。调平系统30包括通过导线33连接于计算机22的一对磁的接近传感器，该传感器结合起来使得计算机可以确定平衡梁16是否水平；调平马达34；啮合于定位轴28上适当齿轮的驱动齿轮36；连接调平马达和驱动齿轮的驱动轴38、调平马达34可使驱动轴38转动，因而使驱动齿轮36转动。驱动齿轮36的转动通过驱动齿轮的齿和定位轴上的齿的配合变成定位轴28和平台24的垂直运动。还装有手动调平曲柄39，该曲柄与驱动轴38连接而可以升高或降低平台，其方式与调平马达34操作的方式相同。
在平衡梁16的两端部悬挂惯性重物40、41、该重物接合起来增加了平衡梁的惯性，因而在用挠曲仪测试时，该梁基本上不会受到平台24感知的相当高频率的波形的影响。负载重物42放在后部惯性重物40的上面，由此使静力通过平衡梁16、定位轴28、负载传感器26和平台24传送而作用在测试样品14上。在悬挂重物的杆之间的连接件和平衡梁16最好设计为在测试时可以减小重物的运动。
当测试系统10作挠曲仪测试时，如下面将更详细说明的那样，在测试期间大多数测试样品14其高度很可能会发生较小的永久性降低。这种现象称作“永久应变”。测试样品14的永久应变的变化将使平衡梁16的前端部44因负载重物42施加的静负载而倾向于稍为向测试样品倾斜。接近传感器32可以检测平衡梁16的任何倾斜并将其送给计算机92，该计算机然后通过导线46命令调平马达34沿适当方向转动，从而相对于平衡梁适当升高或降低定位轴28和平台24。因为测试样品14可以防止平台24移动，所以平衡梁16将调节其位置，因而在用挠曲仪测试期间可以保持水平。
位移传感器48例如直线位移差动变压器式传感器(LVDT)可以检测定位轴28和平台24相对于平衡梁16的任何位置变化。计算机22通过位移传感器和计算机之间的连接导线50收集由位移传感器48检测的任何这种位置变化并由计算机作为测试样品14的永久应变的变化贮存起来。位移传感器例如LVDT还可以用来取代一对磁性的接近传感器32。
测试夹具12的上部分包括小锤52，如图1所示，该锤配置在平台24的上面，压靠在测试样品14的顶部，还包括驱动架54。驱动架54包括通过杆58连接于小锤52的上部横向件56、下部横向件60和一对在上、下横向件之间延伸的垂直柱62。该柱62垂直滑动地装在机架11上，因此将小锤52随驱动架54的运动约束在垂直方向。
驱动架54的下部横向件60连接于系杆64，该杆通过可调节的盘66偏心地装在驱动系统20上。驱动系统20的转动因此使系杆64、驱动架54和小锤52形成垂直的周期性冲程，冲程的振幅由系杆和驱动系统之间的连接偏心度确定。因此通过调节销68可以调节小锤52的冲程振幅。
为用系统10作挠曲仪进行测试，操作者将待测试的粘弹性材料作的测试样品14放在平台24和小锤52之间。然后将适当的负载重物42加在后部惯性重物40上，并用调平曲柄39调平平衡梁16，然后通过调节销68设置要求的小锤52的冲程，最后设定计算机，使其按测试仪测试的方式操作。一些测试变量例如炉温、小锤冲程频率以及测试持续时间通过将变量输入计算机22而被设定，或者当计算机不能控制测试变量时用手动法设定测试变量。在测试开始时，小锤52垂直地在测试样品14上施加动态应变，而样品还同时受到负载重物42的静负载作用。热电偶70(见图2)最好装在平台24的顶部，位于测试样品14的下面，该热电偶检测整个测试过程中测试样品的温度并将作为电信号的已检测温度通过导线72送给计算机22，作为时间的函数贮存起来。位移传感器48检测测试期间响应测试样品14永久应变的变化所进行的调平平衡梁16的任何调节，并通过导线50送给计算机22。
一当完成用挠曲仪的测试后，通常在约25min之后，操作者便可命令计算机打印出结果，或显示或打印出需要的测试结果的曲线，例如作为时间函数的测试样品的温度和永久形变的曲线，如图3所示。
当需要进行不同的测试例如进行动态的机械测试以确定测试样品的某些基本粘弹性时，可以容易地重新组合测试系统10，从而改变测试能力。为进行动态机械测试(DMT)，操作者滑动图1所示的销74，使其与平衡梁16接合。当销74滑动地固定在机架11上，平衡梁便受到两点的支承，即支轴18和销74，因此在测试期间被固定。因为平衡梁16是固定的，所以转动调平曲柄39(图2)便可以在样品14上形成任何需要的初始静应变。
操作者然后通过调节销68设定小锤52的要求的冲程并告诉计算机22要进行动态机械测试。有些测试变量例如炉温、小锤冲程频率和测试持续时间可以通过将变量输入计算机22进行设定，或者在计算机没有配制成可控制测试变量时用手动法调节这些变量。
测试开始时，小锤52将垂直地循环操作，从而在测试样品14上施加动态应变，同时由于调节平台24的高度该样品还同时受到静负载作用。在试验期间，计算机22采集由负载传感器26通过导线76输出的信号，从而得出测试材料14在时间过程中响应所加动态应变而产生的力的波形。当驱动系统20转动并驱动驱动架54和小锤通过其冲程时，连接在机架11和驱动架54的延伸臂80之间的位置传感器78(图1)便检测驱动架的位置，因此检测小锤的位置。该位置传感器78可以是直线位移差动变换器式传感器或类似的装置，该装置可以得出作为线性位置函数的电信号并将该信号通过导线82传输到计算机22上。在测试期间，计算机22通过导线82采集位置传感器78的输出，该计算机通过使采集的数据与时间相联系而求得施加在测试样品上的动态应变的波形。图4示出在一个例示性测试中由小锤52加于测试样品14上的应变波形84和测试样品的力响应波形。
在测试完结时，计算机22将采用适当方法例如快速傅利叶变换算法计算两个波形之间的相位移或差别。然后计算测试样品的复变模量(E*)并用已知方法换算为测试样品的贮能模量(E’)和损耗模量(E”)以及tanδ(E”/E’)。
标准挠曲仪的平衡梁16通常具有具有枢轴组件88，其中平衡梁16在刀口支轴18保持平衡，如图5所示。支轴18的刀口部分通常约为60°顶角，并装在枢轴块94上形成的约90°的凹口内，该枢轴块94固定在平衡梁16底部上的凹部96中。枢轴块94通常用许多螺栓或销钉98固定在平衡梁16上，并用耐刀口扎伤或抗刀口磨损的材料制作。尽管刀口支轴18和凹口92至少在开始时具有相当小的摩擦并形成平衡梁16的很精确的枢轴，但刀口在时间过程中特别是在进行高应力测试期间例如在断裂试验期可能磨损或碎裂，在进行断裂试验时，样品在很高的动态负载下被测试直至该试样破裂。
图6示出替代实施例的枢轴组件100。枢轴组件100包括轴102，该轴用枕块104固定在梁16的两侧。该枕块104又固定在测试系统10的机架11上。枕块104可以是常规的滚珠轴承，最好去掉密封件、屏蔽件和粘性的油脂以便减小在枕块中转动的轴的摩擦力。轴102穿过在枢轴块108中的接纳通道106，该枢轴块的尺寸选定为可以装平衡梁16底部的凹部96中并利用例如安装螺栓98固定在平衡梁上。伸过枢轴块108的通道101其形状大体为偏向平衡梁16的截头圆筒形，使得在与平衡梁中凹部96的表面114相对的枢轴块的表面112上形成长方形开口110。轴102最好具有在其顶面上形成的平表面116，该平表面尺寸约为居中位于枕块104之间的方形开口110的尺寸。轴102的平表面116因此对着并接触凹部96的表面114，由此可以防止轴相对于平衡梁16转动，因而限制平衡梁绕轴的中心轴线转动。因为轴102的平表面116其长度约等于平衡梁16的宽度，所以垂直于表面116延伸的对应于轴的整个直径的轴的两个表面118对着平衡梁的两个侧面120并可以制止在平衡梁和轴之间的相对轴向运动。
由于采用柩轴装置100，平衡梁16可以相当自由地转动，但相对于机架11却是固定的，因而即使在极端测试条件下也能防止平衡梁16在枢轴上的反冲。这样便减小枢轴组件100的磨损和有利于在更长的寿命内进行更准确的测试。
枢轴组件100还可以用作一种替换套件来改进很多包括如图5所示的刀口枢轴组件88的现有挠曲仪。在这种情况下，可将枢轴块108(图6)的尺寸定为可以装入到平衡梁16的现有凹部96中并适合于采用和安装枢轴块94的方式相同的方式装在平衡梁上，例如用螺栓98装上。轴102的转动轴122最好配置在刀口支轴18的枢轴线124上，因此在用枢轴组件100替换枢轴组件88后平衡梁保持在相同的枢轴位置上。因为枢轴块108和轴102配置在枢轴组件100的枢轴位置，所以增加的部件实际上不会增加平衡梁的惯性重量或显著地影响挠曲仪的操作性能。为了用枢轴组件100替换现有的枢轴组件88，先取下刀口支轴18和枢轴组件88的枢轴块94，然后换上枕块104、枢轴块108和轴102。最好不对挠曲仪作其它改变。
参看图7～9，图中示出在所有或部分测试期间用于使平衡梁16锁定就位的自动锁定组件130。该自动锁定组件130的功能与图1所示的手动锁定销74的功能相同，并且可以在不用挠曲仪测试期间以及在用挠曲仪进行测试的开头和结尾期间可以用该组件130将平衡梁16锁定在水平状态的位置。锁定组件130最好配置在枢轴组件100的紧后方，位于枢轴组件和调平传感器32之间。
锁定组件130包括上、下偏心凸轮132和134，上部凸轮132位于平衡梁16的上面，以便选择性接触梁的顶表面136，而下部凸轮134位于平衡梁的下面，以便选择性接触梁的底表面138。凸轮132和134可在至少两个位置之间转动，并与枢轴装置100配合，使得在一个转动位置时将平衡梁16锁定在水平位置，而在第二转动位置时，使平衡梁可以绕枢轴线122转动。
各个凸轮132、134相对于平衡梁16固定就位并通过和轴140、142的连接而转动，该轴分别固定在位于平衡梁两侧的轴承组件144和146内。上部凸轮132固定于其上的上部轴140的转动由杠杆臂148和驱动器150来完成。驱动器150可以是若干已知型中的一种，包括液压缸或气动缸，该驱动器用适当的连接装置152固定在机架11上，使驱动器可以相对于机架进行角度运动。驱动器的杆154可转动地连接于杠杆臂148，该杠杆臂148固定于上部轴140上并径向向外伸出上部轴40。因此杠杆臂148可将杆154的直线运动转变成上部轴140和上部凸轮132的转动运动。
远离杠杆臂148的上部轴140上装有上部齿轮156，该齿轮随上部轴转动。上部齿轮156与装在下部轴142上的相同的下部齿轮158啮合。因此，驱动器150驱动上部轴140和上部齿轮156转动时，将带动下部轴142和下部齿轮158的转动，因而凸轮一起转动。凸轮的偏心度是使得驱动杆154的少量移动便可以使凸轮选择地接合于平衡梁16并将其固定在锁定的水平位置，或从平衡梁充分地退回，使得梁可以不受限制地转到执行用挠曲仪进行测试所必需的程度。
驱动器150以及凸轮132、134的位置最好根据要进行的具体测定由处理器例如计算机22通过导线160进行控制。例如，在开始用挠曲仪测试之前，计算机22操作驱动器150，使其完全退回驱动杆154，因而使上、下凸轮132和134转到分别接触平衡梁16的顶、底表面136和138的位置，并将梁锁定在水平状态，如图7和8所示。在测试已经开始并且机器对变化应力的响应已经稳定之后，计算机将使驱动器150伸出驱动杆150，并使凸轮转离平衡梁16，从而使该梁在其余的测试期间可以在自由状态下转动，如图9所示。在用挠曲仪进行计时测试结束时或根据计算机对另一状态的检测例如在材料对测试的响应突然改变时，计算机22将使驱动器150退回驱动杆154，从而使凸轮132和134转到与平衡梁16接触，将其锁定在固定状态。然后停止试验，平衡梁16或枢轴组件100没有太大的受损的危险，因为系统逐渐减速到停止。因此自动锁定组件130可使测试例用作挠曲仪的测试自动地进行。
当操作者指令测试系统10执行需要固定梁的测试例如测试某些基本粘弹性时，计算机22将控制驱动器150，使其完全退回驱动杆154，从而使上、下凸轮132和132转到分别接触平衡梁16的顶、底表面136和138的位置，使梁在整个测试过程中锁定在固定的水平状态。
权利要求
1.一种可执行用挠曲仪进行测试的系统，包括支承平台的平衡梁，该平台上放置粘弹性材料，该平衡梁在可转动的轴上保持平衡并可绕该转动轴转动；将静负载加在材料上的组件；对着平台的小锤，用于将动态应变加到材料上；检测材料永久尺寸改变的传感器。
2.如权利要求1所述的系统，还包括锁定组件，该组件包括与平衡梁底面接触的第一接触件和与平衡梁顶面接触的第二接触件，该锁定组件具有平衡梁可以自由转动的第一状态和该接触件相互配合而使梁锁定在固定位置的第二状态。
3.一种执行粘弹性测试系统，包括支承平台的平衡梁，该平台上放置粘弹性材料，该平衡梁在可转动轴上保持平衡并可选择地绕该可转动轴的轴线转动；锁定组件，包括接触平衡梁底面的第一接触件和接触平衡梁顶面的第二接触件，该锁定组件具有平衡梁可以自由转动的第一状态和该接触件共同配合使平衡梁锁定在固定位置的第二状态；将静力施加在材料上的组件；对着平台的组件，用于将动态应变加在材料上；至少一个传感器，用于检测材料对测试的响应；控制锁定组件状态的控制器。
4.如权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，轴可转动地固定在一对支承轴承中。
5.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，轴包括与平衡梁底部接触的平面区域。
6.如权利要求1～5中任一项所述的系统，其特征在于，该轴通过枢轴块固定在平衡梁上。
7.如权利要求1～6中任一项所述的系统，还包括检测材料温度的热电偶。
8.如权利要求2～7中任一项所述的系统，还包括控制锁定组件状态的控制器。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，在用挠曲仪作测试的开始和结束阶段该控制器将锁定组件控制在第二状态，而在用挠曲仪作测试的中间部分期间则控制第一状态。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，控制器在整个测试过程中将锁定组件控制在第二状态。
11.如权利要求2～10中任一项所述的系统，其特征在于，接触件是偏心凸轮。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，凸轮固定在转动轴上，该转动轴由驱动器和杠杆连杆转动。
13.如权利要求1～12中任一项所述的系统，还包括处理器，用于控制测试，和/或采集数据，和/或计算材料特性。
14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，上述处理器确定在所加动态应变的波形和材料的力响应波形之间的相差。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于，上述处理器根据上述相差、所加动态应变的波形和材料的力响应波形计算材料的某些基本粘弹特性。
16.一种改造用刀口支轴支承平衡梁的挠曲仪的组件，包括可转动地固定在安装装置上的转动轴，该安装装置装在要替换刀口支轴的挠曲仪的机架上；适合于取代挠曲仪平衡梁中枢轴块的替换枢轴块，该替换枢轴块还适合于接收至少部分轴，其中轴和平衡梁的枢轴线与替换前刀口支轴的刀尖共轴。
17.如权利要求16所述的组件，其特征在于，轴包括与平衡梁底部接触的平面区域。
18.一种测试粘弹性材料各种特性的方法，包括以下步骤在第一和第二测试中选择要进行的测试；将静负载加在上述材料上；在选择上述第二测试时将动态应变加在上述材料上，而在选择上述第一测试时将初始静应变加在上述材料上；在选择上述第一测试时检测加在上述材料上的动态应变；在选择上述第一测试时检测上述材料对上述初始静应变和动态应变的力响应；在选择上述第二测试时检测上述材料温度。
19.如权利要求18所述的方法，还包括确定在所加动态应变波形和材料的力响应波形之间的相差。
20.如权利要求19所述的方法，还包括根据上述相差、所加动态应变的波形和材料的力响应波形计算材料的某些基本粘弹特性。
全文摘要
一种用挠曲仪作测试的系统,包括:支承平台(24)的平衡梁(16),该平台上放置粘弹性材料(14),该平衡梁(16)在一个转动轴(102)上保持平衡并可绕该转动轴(102)的轴线转动;将静负载加在材料上的组件;对着平台(24)的小锤(52),用于将动态应变加在材料上,检测材料永久尺寸形变的传感器。
文档编号G01N33/44GK1194034SQ96196444
公开日1998年9月23日 申请日期1996年8月21日 优先权日1995年8月22日
发明者唐纳德·W·阿斯凯, 杰弗里·W·约翰逊 申请人:B·F·谷德里奇公司