密封圈低溫壓縮永久變形測(cè)量方法的研究

張敏霞，董 平，章孟輝

(浙江三花制冷集團(tuán)有限公司 計(jì)量測(cè)試中心, 浙江 新昌 312500)

GB/T 7759國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了橡膠試塊的測(cè)試方法[1-2]，而實(shí)際空調(diào)、冷凍冷藏等系統(tǒng)中的閥門(mén)部件，使用的都是橡膠制品—密封圈. 因此，建立一套直接對(duì)密封圈進(jìn)行質(zhì)量控制和評(píng)價(jià)的方法是非常有意義的(特別是進(jìn)行新品開(kāi)發(fā)時(shí)). 為此，本試驗(yàn)室曾經(jīng)參考GB/T 7759標(biāo)準(zhǔn)中裝置原理，設(shè)計(jì)制作了一套手動(dòng)式密封圈評(píng)價(jià)裝置. 但該裝置測(cè)試效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、測(cè)試誤差大的問(wèn)題一直沒(méi)有得到徹底解決.

壓縮永久變形是評(píng)價(jià)橡膠材料的主要方式之一，據(jù)了解目前國(guó)內(nèi)各橡膠材料試驗(yàn)室均沿用老式評(píng)價(jià)裝置和試驗(yàn)方法[3-4]，對(duì)試驗(yàn)裝置和方法研究改進(jìn)的相對(duì)較少. 本文主要圍繞試驗(yàn)裝置和方法的改善，通過(guò)與光學(xué)、環(huán)境專(zhuān)家研討，引入非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，改進(jìn)了低溫壓縮永久變形的測(cè)量裝置. 裝置利用光學(xué)投影系統(tǒng)測(cè)量、傳輸并自動(dòng)生成數(shù)據(jù)，通過(guò)重復(fù)性和比對(duì)驗(yàn)證，其準(zhǔn)確可靠，達(dá)到了提高測(cè)量效率和實(shí)用價(jià)值的效果.

據(jù)考證，非接觸式低溫壓縮永久變形測(cè)量方法的研究報(bào)道在國(guó)內(nèi)屬首次[5].

1 試驗(yàn)部分

1.1 測(cè)量系統(tǒng)組成及主要特點(diǎn)

測(cè)量系統(tǒng)主要由低溫箱體、機(jī)械壓縮裝置、非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示.

圖1 測(cè)量系統(tǒng)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of measurement system(1)背光源,(2)低溫箱體,(3)支架,(4)試樣,(5)視覺(jué)相機(jī),(6)計(jì)算機(jī).

測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：(1)過(guò)程可操作性強(qiáng). 低溫箱體設(shè)計(jì)了可視窗和帶手套的操作手孔，可以在低溫密閉環(huán)境中保壓、釋壓、移動(dòng)密封圈. 通過(guò)先進(jìn)的非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)軟件自動(dòng)測(cè)試并生成數(shù)據(jù)(每一個(gè)高度值都是通過(guò)測(cè)量和處理大量數(shù)據(jù)后自動(dòng)給出，移動(dòng)密封圈位置即可給出不同位置高度值)，比國(guó)標(biāo)用機(jī)械式測(cè)厚儀操作更方便、簡(jiǎn)單和全面.

(2)提高測(cè)試精度. 利用非接觸式光學(xué)投影方法測(cè)量，每次均能準(zhǔn)確定位最高點(diǎn)位置，使試驗(yàn)前后兩次測(cè)量更加具有一致性和可比性. 通過(guò)快速測(cè)量不同密封圈位置取平均值的方式，得出更科學(xué)的密封圈高度，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性，遠(yuǎn)比用機(jī)械式測(cè)厚儀來(lái)測(cè)量密封圈的高度偏差小.

(3)測(cè)試效率提高. 測(cè)試系統(tǒng)如需要一次性測(cè)試多個(gè)密封圈樣品，利用非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試只需簡(jiǎn)單的更換樣品、移動(dòng)樣品就能完成，很大程度上提高了工作效率，比國(guó)標(biāo)手動(dòng)方法每次只能測(cè)試1個(gè)樣品效率提高很多.

(4)設(shè)備通用性強(qiáng). 箱體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)測(cè)試原理重新設(shè)計(jì)，壓縮工裝可以移動(dòng)，非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)為外置不占用低溫箱空間. 該系統(tǒng)不僅可用于測(cè)試密封圈低溫壓縮永久變形，而且可用于測(cè)試高分子材料、顆粒物等樣品的變形特性，放寬了樣品尺寸要求，實(shí)現(xiàn)了一套系統(tǒng)多用途化測(cè)試.

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

開(kāi)啟測(cè)量系統(tǒng)，在常溫下測(cè)量密封圈的高度，需測(cè)量3個(gè)位置高度取平均值，記錄數(shù)據(jù)h0. 將測(cè)量系統(tǒng)低溫箱開(kāi)至規(guī)定的試驗(yàn)溫度并穩(wěn)定. 根據(jù)壓縮率為25%的計(jì)算公式，由h0計(jì)算出限制器高度hs. 將已測(cè)量高度的密封圈裝入壓縮裝置中，在壓縮裝置上做好相應(yīng)標(biāo)識(shí)，用來(lái)識(shí)別密封圈序號(hào). 將上述裝好密封圈的壓縮裝置立即放入已穩(wěn)定的低溫箱中，放置時(shí)間為72 h.

1.2.2 測(cè)量過(guò)程

預(yù)先開(kāi)啟測(cè)量系統(tǒng). 達(dá)到試驗(yàn)時(shí)間后，釋放壓縮裝置，在低溫環(huán)境中保持釋放時(shí)間為30±3 min. 30 min后將密封圈放置在固定裝置上測(cè)量密封圈高度. 需測(cè)量3個(gè)位置高度取平均值，記錄數(shù)據(jù)h1. 利用計(jì)算公式(h0-h1)÷(h0-hs)×100%計(jì)算出結(jié)果. 其中，h0為樣品初始高度(mm)，h1為樣品恢復(fù)后的高度(mm)，hs為限制器的高度(mm)，計(jì)算結(jié)果精確到1%.

1.2.3 注意事項(xiàng)

上緊壓縮裝置需注意上下兩塊裝置不得出現(xiàn)移動(dòng)現(xiàn)象，以免密封圈出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，而引入測(cè)量誤差. 釋放壓縮裝置及測(cè)量過(guò)程中，不得用手觸碰樣品，不得使樣品暴露在常溫空氣中.

2 結(jié)果與討論

表1和表2分別為A、B、C 3位人員的測(cè)試結(jié)果，每位人員分別對(duì)非接觸式、接觸式兩種試驗(yàn)方法進(jìn)行3次試驗(yàn)比對(duì). 從測(cè)量系統(tǒng)變差(GRR)結(jié)果表明非接觸式測(cè)量系統(tǒng)是可接受的，接觸式測(cè)量系統(tǒng)則需改進(jìn).

非接觸式[6](表1)：

Ev=Rbar×K1=(Rabar+Rbbar+Rcbar)/3×K1=0.041；

Av=SQRT[(Xbardiff×K2)2-(Ev/ny)]=0.078；

GRR= SQRT[(Ev)2+(Av)2]=8.81%.

(1)

根據(jù)誤差低于10%判定準(zhǔn)則，該測(cè)量系統(tǒng)可接受.

接觸式(表2)：

Ev=Rbar×K1=(Rabar+Rbbar+Rcbar)/3×K1=0.193；

Av=SQRT[(Xbardiff×K2)2-(Ev/ny)]=0.335；

GRR=SQRT[(Ev)2+(Av)2]=38.67%.

(2)

根據(jù)誤差超過(guò)30%判定準(zhǔn)則，該測(cè)量系統(tǒng)需改進(jìn).

式(1)、(2)中：Ev-設(shè)備變差；Av-評(píng)價(jià)人變差；

表1 非接觸式-可重復(fù)性與再現(xiàn)性分析數(shù)據(jù)表Table 1 Untouchable type-repeatability and reproducibility analysis data table

表2 接觸式-可重復(fù)性與再現(xiàn)性分析數(shù)據(jù)表Table 2 Touchable type-repeatability and reproducibility analysis data table

Rbar-所有人極差均值；Rabar-a人員極差均值；Rbbar-b人員極差均值；Rcbar-c人員極差均值；K1-查常數(shù)(如表3所列)；K2-查常數(shù)(如表4所列)；n-樣品數(shù)；y-試驗(yàn)次數(shù)；Xbardiff-評(píng)價(jià)人均值的最大差異；GRR-測(cè)量系統(tǒng)變差.

其中：Rabar=avg(Ra1～Ra10)，Rbbar=avg(Rb1～Rb10)，Rcbar=avg(Rc1～Rc10)，Xbardiff=MAX(XA1-A3,XB1-B3,XC1-C3)-MIN(XA1-A3,XB1-B3,XC1-C3).

表3 試驗(yàn)次數(shù)Table 3 Number of tests

表4 評(píng)價(jià)人數(shù)Table 4 Number of appraisers

說(shuō)明：(1)以上比對(duì)樣品高度經(jīng)過(guò)篩選(篩選后樣品實(shí)際尺寸為1.89～1.91 mm)，且所有樣品均為同一廠家，同一型號(hào)；(2)因?yàn)榈蜏貕嚎s永久變形后樣品不能回彈至初始狀態(tài)，所以“Ev、Av”分析時(shí)考慮通過(guò)增加樣品數(shù)量來(lái)代替試驗(yàn)次數(shù)“y”(1組10個(gè)樣品作為1次)，同時(shí)樣品數(shù)量“n”仍按10只計(jì)算[6].

3 結(jié)論

本文開(kāi)發(fā)了非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng). 利用該系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)厚儀測(cè)量方法，顛覆了傳統(tǒng)意義上的手動(dòng)操作，利用非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量，每次均能準(zhǔn)確定位最高點(diǎn)位置，使試驗(yàn)前后兩次測(cè)量更加具有一致性和可比性，更能突出非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)厚儀測(cè)量. 同時(shí)在測(cè)試效率和實(shí)用價(jià)值方面，非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)也有了很大突破，可以對(duì)同一個(gè)點(diǎn)讀取大量的數(shù)據(jù)來(lái)保證數(shù)據(jù)的正確性，而機(jī)械式測(cè)厚儀測(cè)試同一個(gè)點(diǎn)時(shí)無(wú)法保證每次測(cè)試數(shù)據(jù)一致性，也不能保證每次均測(cè)試在同一個(gè)點(diǎn)上，這就是非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械式測(cè)厚儀測(cè)量差別.

本文意在倡導(dǎo)設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品要求時(shí)，應(yīng)該選擇相關(guān)性更強(qiáng)、重復(fù)性與再現(xiàn)性更好的項(xiàng)目，選擇與產(chǎn)品功能聯(lián)系更多的測(cè)量方法，同時(shí)不斷更新研究低成本、高效率的測(cè)量方法.