基于力與位移同步跟蹤的A型邵氏硬度計(jì)校準(zhǔn)裝置

吳向壘 陳明華 何廣霖

技術(shù)應(yīng)用

基于力與位移同步跟蹤的A型邵氏硬度計(jì)校準(zhǔn)裝置

吳向壘1,2陳明華1,2何廣霖1,2

（1.廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510405 2.廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣東 廣州 510405）

依照國家規(guī)程和國際標(biāo)準(zhǔn)，橡膠硬度計(jì)需要定期進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。為提高檢定效率和準(zhǔn)確性，采用力與位移同步測量技術(shù)，設(shè)計(jì)基于力與位移同步跟蹤的橡膠硬度計(jì)校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)記錄力與位移，并與理論值進(jìn)行比較分析，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)結(jié)果可以插補(bǔ)使用，并作為評(píng)價(jià)該儀器的依據(jù)。該裝置主要應(yīng)用于計(jì)量機(jī)構(gòu)，可提高A型邵氏硬度計(jì)檢定校準(zhǔn)工作效率和可靠性。

硬度計(jì)；力校準(zhǔn)；同步測量；硬度校準(zhǔn)裝置

0　引言

橡膠是一種有機(jī)高聚物，因具有優(yōu)越的材料性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。橡膠硬度是衡量橡膠制品質(zhì)量的重要指標(biāo)，主要反映材料的彈性形變，對(duì)橡膠配方、產(chǎn)品檢驗(yàn)起到關(guān)鍵作用。不同硬度范圍、形狀樣品與應(yīng)用場合下，需使用不同的試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。目前，我國橡膠硬度測量大多數(shù)采用A型邵氏硬度計(jì)，其攜帶方便、測量迅速、操作簡單，適用于現(xiàn)場橡膠硬度測量。

A型邵氏橡膠硬度測量方法執(zhí)行GB/T 531.1—2008《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法第一部分：邵氏硬度計(jì)法（邵爾硬度）》[2](idt ISO7619)。橡膠硬度計(jì)檢定校準(zhǔn)依據(jù)為JJG 304—2003《A型邵氏硬度計(jì)檢定規(guī)程》[3]。

本文參照A型邵氏硬度計(jì)檢定規(guī)程，結(jié)合校準(zhǔn)過程，模擬橡膠彈性變形過程中力和位移同步進(jìn)行的狀態(tài)，參照作者近年檢定校準(zhǔn)的工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)儀器的誤差來源、修正方式等要求，設(shè)計(jì)基于力與位移同步跟蹤的A型邵氏硬度計(jì)校準(zhǔn)裝置。

1　裝置原理

1.1 A型邵氏硬度計(jì)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)

A型邵氏硬度計(jì)主要由壓針、壓足、試驗(yàn)力施加機(jī)構(gòu)（彈簧）、壓針伸出長度測量指示裝置（位移測量裝置）等組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 A型邵氏硬度計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)JJG 304—2003檢定規(guī)程，A型邵氏硬度計(jì)將定期使用合適的儀器對(duì)試驗(yàn)力和有關(guān)幾何尺寸進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)。A型邵氏硬度計(jì)檢定校準(zhǔn)過程一般采用分部校準(zhǔn)方法[1]。其示值誤差主要來源于試驗(yàn)力、壓針伸出量和壓針尺寸，分部校準(zhǔn)即校準(zhǔn)上述3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。壓針尺寸使用投影儀檢定測量，本文不做討論。本文主要研究試驗(yàn)力和壓針伸出量同步校準(zhǔn)方法。

1.2 跟蹤校準(zhǔn)裝置理論基礎(chǔ)

當(dāng)壓針壓入橡膠試樣時(shí)，試樣硬度越高，反作用于壓針的力越大，即彈簧所受壓力越大，壓針壓入試樣表面的深度越淺；相反，試樣硬度越低，反作用于壓針的力越小，即彈簧所受壓力越小，壓針壓入試樣表面的深度越深[3]。彈簧受到壓力收縮產(chǎn)生的力即為試驗(yàn)力；壓針壓入橡膠試樣表面的深度即壓針伸出量。根據(jù)試驗(yàn)方法GB/T 531.1—2008，壓針突出壓足2.5 mm，硬度值= 0 HA；壓針前端和壓足在一個(gè)工作面，硬度值=100 HA；一個(gè)硬度值對(duì)應(yīng)壓針0.025 mm位移量。

A型邵氏硬度計(jì)測試公式為

=0.55+0.075(1)

式中，為試驗(yàn)力，單位N；為A型邵氏硬度值，單位HA。

由式(1)可導(dǎo)出式(2)

由式(2)可知：A型邵氏硬度計(jì)硬度值與試驗(yàn)力理論上呈線性關(guān)系。但實(shí)際上彈簧彈性系數(shù)無法保證是常數(shù)，因此需對(duì)A型邵氏硬度計(jì)定期校準(zhǔn)[4]。

校準(zhǔn)過程：A型邵氏硬度計(jì)固定在測試臺(tái)，上升測力儀；在測力儀上施加硬度計(jì)試驗(yàn)力，并在硬度計(jì)示值（20～100）HA范圍內(nèi)均勻分布5個(gè)點(diǎn)，讀取硬度計(jì)進(jìn)程時(shí)不同示值的試驗(yàn)力；每個(gè)點(diǎn)以進(jìn)程方向測量3次，記錄每點(diǎn)試驗(yàn)力結(jié)果作為試驗(yàn)力校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；同步跟蹤、連續(xù)記錄試驗(yàn)力和位移，獲得連續(xù)的試驗(yàn)力結(jié)果。

2 同步跟蹤校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

基于力與位移同步跟蹤的橡膠硬度計(jì)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由測力傳感器、移動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、微調(diào)旋鈕、Renishaw光柵尺、交叉滾子導(dǎo)軌等構(gòu)成。其中，微調(diào)旋鈕、移動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和交叉滾子導(dǎo)軌構(gòu)成直線位移結(jié)構(gòu)。

校準(zhǔn)過程：被校準(zhǔn)A型邵氏硬度計(jì)固定在校準(zhǔn)工作臺(tái)，測力傳感器和位移傳感器的移動(dòng)側(cè)剛性連接；調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕使硬度計(jì)示值到開始校準(zhǔn)硬度值10 HA，作為校準(zhǔn)起點(diǎn)；勻速移動(dòng)直線位移結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)測力傳感器和位移傳感器；軟件記錄測力傳感器和壓針位移數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到系統(tǒng)中，并導(dǎo)出表1。

圖2 基于力與位移同步跟蹤的橡膠硬度計(jì)校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

表1 裝置的數(shù)據(jù)結(jié)果及合格判斷

表1中，第1列硬度值是Renishaw光柵尺采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為硬度值HA；第2列標(biāo)稱力值是理論硬度值HA導(dǎo)出的理論力值；第3列試驗(yàn)力是測力傳感器記錄實(shí)際數(shù)據(jù)；第4列力偏差是測力傳感器記錄的力值和理論力值差值；第5列示值是硬度計(jì)示值；第6列是示值偏差。根據(jù)JJG 304—2003檢定規(guī)程，第4列力偏差和第6列示值偏差為判斷硬度計(jì)是否合格的指標(biāo)。

為滿足計(jì)量檢定要求和實(shí)際操作，裝置做了相應(yīng)改進(jìn)。GB/T 531.1—2008試驗(yàn)方法規(guī)定硬度計(jì)有1個(gè)預(yù)壓載力，即A型邵氏硬度為0.0 HA時(shí)，試驗(yàn)力為0.55 N，而位移0.0很難被觀察到。為此，裝置從10 HA開始進(jìn)行記錄力和位移。為避免位移測量誤差導(dǎo)致試驗(yàn)力不準(zhǔn)確，采用反射式Renishaw光柵尺測量位移，光柵尺移動(dòng)片與壓針剛性連接，從而避免測力傳感器變形量對(duì)位移測量的影響。

3 結(jié)論

基于力與位移同步跟蹤的橡膠硬度計(jì)校準(zhǔn)裝置可滿足A型邵氏硬度計(jì)檢定規(guī)程，實(shí)現(xiàn)同步連續(xù)記錄壓針位移量和彈簧力值，推導(dǎo)出硬度計(jì)示值對(duì)應(yīng)的連續(xù)參數(shù)，計(jì)算力和位移偏差值，生成數(shù)據(jù)表可以用于硬度計(jì)使用過程硬度值修正。

該裝置提高了A型邵氏橡膠硬度計(jì)檢定校準(zhǔn)可靠性和工作效率，可在計(jì)量校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

[1] 陳明華,吳向壘.橡膠硬度本質(zhì)的探討[J].中國計(jì)量，2012(7),74-75.

[2] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 531.1—2008硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗(yàn)方法第1部分：邵氏硬度計(jì)（邵爾硬度）[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)化出版社,2008.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. JJG 304—2003 A型邵氏硬度計(jì)檢定規(guī)程[S].北京:中國計(jì)量出版社,2003.

[4] 陳明華,吳向壘.橡膠硬度測試方法發(fā)展動(dòng)態(tài)與分析[J].上海計(jì)量測試,2012,39(4),2-4,9.

[5] 潘嘉聲,陳明華,吳向壘.空氣靜壓軸承在橡膠國際硬度測量裝置的應(yīng)用研究[J].中國測試,2014,40(4):20-22.

[6] 《計(jì)量測試技術(shù)手冊(cè)》委員會(huì).計(jì)量測試技術(shù)手冊(cè).第4卷,力學(xué)（一）[M].北京:中國計(jì)量出版社,1996.

Calibration Device of A Type Shore Hardness Tester Based on Synchronous Tracking of Force and Displacement

Wu Xianglei1,2Chen Minghua1,2He Guanglin1,2

(1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology, Guangzhou 510405, China 2.Guangdong Institute of Metrology, Guangzhou 510403, China)

According to national regulations and international standards, rubber hardness tester needs to be calibrated regularly. In order to improve the efficiency and accuracy of the verification, the synchronous measurement technology of force and displacement is used to realize continuous real-time recording of force and displacement, and to compare and analyze with the theoretical value, so as to achieve multi-point calibration. The calibration results can be imputed and used as the basis for evaluating the instrument. The device can meet verification regulation, and is mainly used in the metrological organization. It can improve the verification and calibration efficiency and reliability of Shore A hardness tester.

durometer; force calibration; synchronous measurement; hardness calibration device

吳向壘，男，1984年生，研究生，工程師，主要研究方向：橡膠硬度、精密儀器檢測。E-mail: wuxianglei@foxmail.com

陳明華，男，1964年3月，研究生，教授級(jí)高工，主要研究方向：橡膠硬度和計(jì)量基礎(chǔ)理論。E-mail: cmh@scm.com.cn

何廣霖，男，1962年生，本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：橡膠硬度、精密儀器檢測。E-mail: levi200107@163.com

TG83

A

1674-2605(2020)03-0010-03

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.010