本發(fā)明屬于密封圈材料檢測領(lǐng)域，具體涉及了一種密封圈楊氏模量半物理檢測裝置和方法。

背景技術(shù)：

近年來隨著我國飛機項目的興起，相關(guān)的配套研究實驗工作也已經(jīng)陸續(xù)開始展開，液壓作動器作為飛機上的主要執(zhí)行器，其動密封圈的性能對于作動器以及系統(tǒng)的安全性、可靠性、維護性和壽命具有重要影響。除材料影響密封圈之外，密封圈的結(jié)構(gòu)對于密封特性影響也十分顯著，目前對于密封圈宏觀結(jié)構(gòu)的研究工作一般結(jié)合有限元技術(shù)配合以相應(yīng)的數(shù)值建模方法，以獲得密封圈接觸壓力和內(nèi)部應(yīng)力等特征信息。

針對現(xiàn)役及未來先進飛機液壓系統(tǒng)的“高可靠、長壽命、準預測”的目標，必須展開流體往復動密封的機理研究，而密封性能同密封圈材料參數(shù)如楊氏模量或者橡膠的mooneyrivlin系數(shù)(由于密封材料(如橡膠)的非線性，其楊氏模量隨壓縮量變化而改變，故應(yīng)得到壓縮量—楊氏模量曲線)，而現(xiàn)有的密封材料參數(shù)的檢測方法通常采用制作標準件進行檢測，因各大密封廠商的配方保密，制作標準件的方法不現(xiàn)實，尤其對于大專院校對于密封圈的研究，密封圈的楊氏模量的獲知是下步進行相關(guān)宏觀仿真和微觀研究的必要條件，但其一般通過采購密封圈進行研究，制作相關(guān)材料標準件難以實施。如果根據(jù)現(xiàn)有密封圈直接估算其楊氏模量，避開了材料樣件的制作過程，可方便非專業(yè)廠商的人員對密封圈進行研究工作，加快新型密封圈的研究工作，對于密封圈逆向仿真研究也有一定的積極效果。

由于密封圈是特殊的環(huán)形形狀，現(xiàn)有技術(shù)中缺少對密封圈的楊氏模量進行合理檢測的方式，通常都是在密封圈制造完成前將其制成柱狀、片狀結(jié)構(gòu)，直接測量柱狀、片狀結(jié)構(gòu)的楊氏模量作為密封圈的楊氏模量，這種方式由于改變了密封圈應(yīng)有的形狀結(jié)構(gòu)而缺少準確性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提出了一種密封圈楊氏模量半物理檢測裝置和方法，可在不破壞密封圈結(jié)構(gòu)尺寸，不需要制作材料標準件的基礎(chǔ)上檢測密封圈的楊氏模量，結(jié)構(gòu)簡單，滿足后續(xù)仿真研究的要求。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一、一種密封圈楊氏模量半物理檢測裝置：

裝置包括對心機構(gòu)、測力組件和包含有位移傳感器和力傳感器的加載機構(gòu)，被檢測的密封圈置于對心機構(gòu)上，對心機構(gòu)底部安裝有測力組件，加載機構(gòu)分別連接到對心機構(gòu)和測力組件，加載機構(gòu)運行帶動測力組件進而帶動對心機構(gòu)工作，測力組件用于防止加載機構(gòu)施加到對心機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)扭力過大，通過對心機構(gòu)使得密封圈和力傳感器同軸布置；加載機構(gòu)運行施加軸向加載力到對心機構(gòu)的密封圈上，通過加載機構(gòu)中的位移傳感器和力傳感器獲得密封圈軸向被壓縮所受位移和力。

所述的對心機構(gòu)包括卡盤體、底板和活動卡爪，底板上安裝有卡盤體和布置在卡盤體三條軌道上的三個活動卡爪，卡盤體固定不動，底板旋轉(zhuǎn)帶動活動卡爪沿徑向移動，活動卡爪外側(cè)邊緣通過阻尼鉸鏈鉸接有用于連接阻擋到密封圈外側(cè)的擋柱；

所述的加載機構(gòu)包括ac電機、雙聯(lián)齒輪、滑移齒輪、第一定齒輪、滾珠絲杠、絲杠螺母、上板、上壓板、位移傳感器和力傳感器，ac電機輸出軸與雙聯(lián)齒輪同軸連接。

雙聯(lián)齒輪一端的齒輪經(jīng)處于下位的滑移齒輪與第二定齒輪嚙合連接，第二定齒輪和第一帶輪同軸固定連接，第一帶輪和第二帶輪帶傳動連接，第二帶輪與測力組件一端同軸連接，測力組件另一端與所述自動對心機構(gòu)的底板同軸連接。

雙聯(lián)齒輪另一端的齒輪經(jīng)處于上位的滑移齒輪與第一定齒輪嚙合連接，第一定齒輪與滾珠絲杠同軸固定連接，滾珠絲杠上套裝有絲杠螺母，絲杠螺母和上板一側(cè)固定連接，上板另一側(cè)套裝連接在與滾珠絲杠平行的導向軸中。

上板和上壓板相平行地布置在對心機構(gòu)的密封圈上方，上板和上壓板之間固定連接有力傳感器，力傳感器與底板中心同軸對齊安裝，上壓板連接位移傳感器，位移傳感器活動端固定連接到上壓板側(cè)面，位移傳感器本體固定安裝在所述對心機構(gòu)的卡盤體側(cè)面。

所述的測力組件包括輸入軸、襯套、彈簧、楔形塊、輸出軸和調(diào)力螺栓，輸入軸一端與第二帶輪同軸連接，輸入軸另一端與襯套同軸固定連接，輸出軸一端具有齒狀圓柱，輸出軸的齒狀圓柱端套裝在襯套內(nèi)，襯套側(cè)壁開有通孔，通孔從內(nèi)向外依次安裝有楔形塊和調(diào)力螺栓，楔形塊和調(diào)力螺栓之間連接有彈簧，楔形塊內(nèi)端連接到輸出軸的齒狀圓柱端的齒上，楔形塊沿旋轉(zhuǎn)方向的端面為楔形，調(diào)力螺栓螺紋安裝到通孔中；

所述的輸入軸旋轉(zhuǎn)通過楔形塊撥動輸出軸齒狀圓柱端上的齒帶動輸出軸旋轉(zhuǎn)，并通過調(diào)力螺栓旋進旋出控制彈簧的壓縮量來調(diào)定楔形塊撥動時的輸出力矩，從而使得在完成對中的同時，防止了密封圈在對心過程中受力過大而變形。

本發(fā)明是將機械平臺檢測結(jié)果同結(jié)合有限元仿真技術(shù)進行擬合。

二、一種密封圈楊氏模量半物理檢測方法，采用上述裝置進行檢測：

1)先將密封圈放置在對心機構(gòu)的卡盤體上，擋柱布置在活動卡爪外緣上方的豎直位置，使得滑移齒輪位于下位，ac電機運行通過帶動測力組件旋轉(zhuǎn)進而帶動底板旋轉(zhuǎn)，三個活動卡爪同時同速沿徑向移動使得三個擋柱夾緊密封圈，使得密封圈與底板和力傳感器的中心重合，完成對中；

2)移動滑移齒輪到位于上位，ac電機運行帶動上板朝向?qū)π臋C構(gòu)移動，使得上壓板向?qū)π臋C構(gòu)上的密封圈施加加載力以軸向壓縮密封圈，通過位移傳感器和力傳感器獲得密封圈軸向被壓縮時的壓縮位移和壓縮位移對應(yīng)所受到的力；

3)根據(jù)壓縮位移和力的數(shù)據(jù)繪制得到位移—力曲線，進行處理獲得符合位移-力曲線的密封圈的材料特性參數(shù)。

所述步驟2)中，由力傳感器接觸檢測到力變化開始，由位移傳感器檢測密封圈的被壓縮位移。

輸入有限元仿真軟件中經(jīng)仿真計算具體是采用ansys軟件的materialprops模塊工具進行處理計算。

所述步驟3)具體為：

3.1)針對密封圈的每一被壓縮位置，根據(jù)密封圈的制造材料參數(shù)查閱手冊獲得彈性模量的數(shù)值范圍，在彈性模量的數(shù)值范圍內(nèi)任意選取一數(shù)值作為初始預測彈性模量；

3.2)將密封圈的幾何尺寸、位移傳感器檢測到的被壓縮位移δi和預測彈性模量輸入有限元仿真軟件中經(jīng)仿真計算得到在被壓縮位移δi時的壓縮力(接觸壓力*接觸面積)，將該壓縮力減去力傳感器檢測到的加載力fi獲得差值；

3.3)進行以下判斷處理：

若差值的絕對值小于等于收斂閾值，則以輸入有限元仿真軟件中的預測彈性模量作為密封圈當前被壓縮位置下的楊氏模量；

若差值的絕對值大于收斂閾值，則再根據(jù)差值的正負進行處理：差值為正則增加輸入有限元仿真軟件中的預測彈性模量，差值為負則減小輸入有限元仿真軟件中的預測彈性模量；

在增加或者減小后重復上述步驟3.2)和步驟3.3)進行處理直到差值的絕對值小于等于收斂閾值；

3.4)重復步驟3.1)～3.3)在密封圈的各處被壓縮位置進行檢測，得到一條離散數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合得到位移—楊氏模量的變化曲線。

本發(fā)明通過采集在一定壓縮位移條件下所需的力，最終得到該密封圈的變形、力曲線。首先估算材料的彈性模量，通過有限元仿真技術(shù)，計算得到在該壓縮位移條件下的壓縮力。根據(jù)計算所得的壓縮力同傳感器得到的真實力相比較，根據(jù)偏差更新彈性模量，最終得到同真實力相符的彈性模量。通過傳感器采集數(shù)個壓縮位移位置下的壓縮力(接觸壓力*接觸面積)，并以上述有限元方法得到對應(yīng)位移條件下的彈性模量，最后通過最小二乘法擬合得到該材料的彈性模量。

本發(fā)明具有的有益效果是：

本發(fā)明解決了密封圈成品材料參數(shù)難以檢測的技術(shù)難題，根據(jù)現(xiàn)有密封圈直接估算其楊氏模量，避開了材料樣件的制作過程，可方便非專業(yè)廠商的人員對密封圈進行研究工作，加快新型密封圈的研究工作，對于密封圈逆向仿真研究具有積極效果。

本發(fā)明在無須制作相應(yīng)標準樣件的基礎(chǔ)上，其通過有限元仿真技術(shù)結(jié)合機械物理平臺檢測最終得到該密封圈的彈性模量等信息，能夠準確檢測獲得楊氏模量，節(jié)省了人力物力和材料的浪費。

本發(fā)明通過滑移齒輪實現(xiàn)同一電機依次控制對心和加載兩部分機構(gòu)的運行，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠。

本發(fā)明通過對心機構(gòu)，依靠平面螺紋和活動卡爪，實現(xiàn)密封圈的對心安裝，防止密封圈發(fā)生加載時發(fā)生偏載。

本發(fā)明通過測力組件防止密封圈在對心過程中受過大壓力而變形損壞。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的對心機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明擋柱安裝到活動卡爪上的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明測力組件的結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本發(fā)明測力組件的楔形塊所處的截面圖。

圖6是本發(fā)明檢測過程的流程示意圖。

圖7是實施例采用軟件工具處理得到接觸壓力和接觸面積示意圖。

圖中：1.ac電機；2雙聯(lián)齒輪；3.滑移齒輪；4.第一定齒輪；5.滾珠絲杠；6.絲杠螺母；7.上板；8.力傳感器；9.上壓板；10.卡盤體；11.密封圈；12.位移傳感器；13.導向軸；14.第二定齒輪；15.第一帶輪；16.第二帶輪；17.測力組件；18.底板；19.活動卡爪；20.擋柱；21.楔形塊；22.輸出軸；23.彈簧；24.襯套；25.調(diào)力螺栓；26.輸入軸。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明裝置包括對心機構(gòu)、測力組件17和包含有位移傳感器12和力傳感器8的加載機構(gòu)，被檢測的密封圈11置于對心機構(gòu)上，對心機構(gòu)底部安裝有測力組件17，加載機構(gòu)分別連接到對心機構(gòu)和測力組件17，加載機構(gòu)運行帶動測力組件17進而帶動對心機構(gòu)工作，測力組件17用于防止加載機構(gòu)施加到對心機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)扭力過大，通過對心機構(gòu)使得密封圈11和力傳感器8同軸布置；加載機構(gòu)運行施加軸向加載力到對心機構(gòu)的密封圈11上，通過加載機構(gòu)中的位移傳感器12和力傳感器8獲得密封圈11軸向被壓縮所受位移和力。

為防止密封圈放置同力傳感器非對中位置，引起偏載造成相應(yīng)誤差，本發(fā)明設(shè)計了對心機構(gòu)，如圖2所示，對心機構(gòu)包括卡盤體10、底板18和活動卡爪19，底板18上安裝有卡盤體10和布置在卡盤體10三條軌道上的三個活動卡爪19，卡盤體10固定不動，底板18旋轉(zhuǎn)帶動活動卡爪19沿徑向移動，如圖3所示，活動卡爪19外側(cè)邊緣通過阻尼鉸鏈鉸接有用于連接阻擋到密封圈11外側(cè)的擋柱20。

本發(fā)明通過三個活動卡爪19同時沿徑向等距離移動實現(xiàn)密封圈11的對中安裝固定并夾緊。在對中完成后，加載機構(gòu)會下移，擋柱20向外旋轉(zhuǎn)，以防止在加載過程中加載機構(gòu)會與擋柱20發(fā)生位置干涉。

如圖1所示，加載機構(gòu)包括ac電機1、雙聯(lián)齒輪2、滑移齒輪3、第一定齒輪4、滾珠絲杠5、絲杠螺母6、上板7、上壓板9、位移傳感器12和力傳感器8，ac電機1輸出軸與雙聯(lián)齒輪2同軸連接；滑移齒輪3能夠沿軸向移動，當滑移齒輪3位于上位時ac電機1運行帶動上板7移動，當滑移齒輪3位于下位時ac電機1運行帶動第二帶輪16旋轉(zhuǎn)進而帶動測力組件17旋轉(zhuǎn)。

雙聯(lián)齒輪2一端的齒輪經(jīng)處于下位的滑移齒輪3與第二定齒輪14嚙合連接，第二定齒輪14和第一帶輪15同軸固定連接，第一帶輪15和第二帶輪16帶傳動連接，第二帶輪16與測力組件17一端同軸連接，測力組件17另一端與所述自動對心機構(gòu)的底板18同軸連接；

雙聯(lián)齒輪2另一端的齒輪經(jīng)處于上位的滑移齒輪3與第一定齒輪4嚙合連接，第一定齒輪4與滾珠絲杠5同軸固定連接，滾珠絲杠5上套裝有絲杠螺母6，絲杠螺母6和上板7一側(cè)固定連接，上板7另一側(cè)套裝連接在與滾珠絲杠5平行的導向軸13中；ac電機1運行依次通過雙聯(lián)齒輪2、滑移齒輪3與定齒輪4之間的嚙合關(guān)系、絲杠螺母副帶動上板7沿導向軸13移動；

上板7和上壓板9相平行地布置在對心機構(gòu)的密封圈上方，上板7和上壓板9之間固定連接有力傳感器8，力傳感器8與底板18中心同軸對齊安裝，上壓板9連接位移傳感器12，位移傳感器12活動端固定連接到上壓板9側(cè)面，位移傳感器12本體固定安裝在所述對心機構(gòu)的卡盤體10側(cè)面。

為防止密封圈在對中過程中受力變形過大，本發(fā)明利用測力組件控制對中力矩大小，如圖4所示，測力組件包括輸入軸26、襯套24、彈簧23、楔形塊21、輸出軸22和調(diào)力螺栓25，輸入軸26一端與第二帶輪16同軸連接，輸入軸26另一端與襯套24同軸固定連接，輸出軸22一端具有齒狀圓柱，輸出軸22的齒狀圓柱端套裝在襯套24內(nèi)，襯套24側(cè)壁開有通孔，通孔從內(nèi)向外依次安裝有楔形塊21和調(diào)力螺栓25，楔形塊21和調(diào)力螺栓25之間連接有彈簧23，楔形塊21內(nèi)端連接到輸出軸22的齒狀圓柱端的齒上，楔形塊21沿旋轉(zhuǎn)方向的端面為楔形，如圖5所示，調(diào)力螺栓25螺紋安裝到通孔中。

輸入軸26旋轉(zhuǎn)通過楔形塊21撥動輸出軸22齒狀圓柱端上的齒帶動輸出軸22旋轉(zhuǎn)，并通過調(diào)力螺栓25旋進旋出控制彈簧23的壓縮量來調(diào)定楔形塊21撥動時的輸出力矩，從而使得在完成對中的同時，防止了密封圈在對心過程中受力過大而變形。當加載機構(gòu)施加到輸入軸26旋轉(zhuǎn)扭力超過限定值時，通過底板、輸出軸傳遞到楔形塊，彈簧23被壓縮，楔形塊上移，無法傳遞力矩。

如圖6所示，本發(fā)明的具體實施例及其實施工作過程如下：

1)先將密封圈11放置在對心機構(gòu)的卡盤體10上的中間，擋柱20布置在活動卡爪19外緣上方的豎直位置，并且初始情況下活動卡爪19均位于卡盤體10的最外緣處，移動滑移齒輪3到位于下位，ac電機1運行通過帶動測力組件17旋轉(zhuǎn)進而帶動底板18旋轉(zhuǎn)，三個活動卡爪19同時同速沿徑向移動使得三個擋柱20逐漸夾緊密封圈11，使得密封圈11與底板18和力傳感器8的中心重合，完成對中；

2)移動滑移齒輪3到位于上位，ac電機1運行帶動上板7朝向?qū)π臋C構(gòu)移動，使得上壓板9向?qū)π臋C構(gòu)上的密封圈11施加加載力以軸向壓縮密封圈11，通過位移傳感器12和力傳感器8獲得密封圈11軸向被壓縮時的壓縮位移和壓縮位移對應(yīng)所受到的力。

由力傳感器8接觸檢測到力變化開始，由位移傳感器12檢測密封圈11的被壓縮位移。

3)根據(jù)壓縮位移和力的數(shù)據(jù)采用以下方式處理：

3.1)針對密封圈11的每一被壓縮位置，根據(jù)密封圈11的制造材料(如聚氨酯)參數(shù)查閱手冊獲得彈性模量的數(shù)值范圍(如8.8到50mpa)，在彈性模量的數(shù)值范圍內(nèi)任意選取一數(shù)值作為初始預測彈性模量(如45mpa)；

3.2)將密封圈11的幾何尺寸、位移傳感器12檢測到的被壓縮位移δi和預測彈性模量輸入采用ansys軟件的materialprops模塊工具進行處理計算得到在被壓縮位移δi時的壓縮力(接觸壓力*接觸面積)，如下圖7所示，將該壓縮力減去力傳感器8檢測到的加載力fi獲得差值；

3.3進行以下判斷處理：

若差值的絕對值小于等于收斂閾值，則以輸入ansys軟件中的預測彈性模量作為密封圈11當前被壓縮位置下的楊氏模量；

若差值的絕對值大于收斂閾值，則再根據(jù)差值的正負進行處理：差值為正則在查閱手冊獲得彈性模量的數(shù)值范圍內(nèi)增加輸入ansys軟件中的預測彈性模量，差值為負則在查閱手冊獲得彈性模量的數(shù)值范圍內(nèi)減小輸入ansys軟件中的預測彈性模量；

在增加或者減小后重復上述步驟3.2)和步驟3.3)進行處理直到差值的絕對值小于等于收斂閾值；

3.4)重復步驟3.1)～3.3)在密封圈11的各處被壓縮位置進行檢測，得到一條離散數(shù)據(jù)，通過最小二乘法擬合得到位移—楊氏模量的變化曲線，完成楊氏模量的檢測。

由此可見，本發(fā)明能夠解決密封圈成品材料參數(shù)難以檢測的技術(shù)難題，無須將密封圈制造成特殊形狀或者標準件，直接根據(jù)現(xiàn)有密封圈能夠準確檢測獲得楊氏模量，節(jié)省了人力物力和材料的浪費。