一种橡胶拉伸实验台及橡胶疲劳试验方法技术

本发明专利技术公开了一种橡胶拉伸实验台及橡胶疲劳试验方法，实验台包括控温系统、执行机构和图像识别模块，控温系统能够保证橡胶拉伸试验过程中环境温度的稳定；执行机构由伺服电机和运动执行机构组成，运动执行机构包括滑台和丝杠，当丝杠转动时，滑台就可以根据一定的运动规律进行往复运动；图像识别模块用于识别裂纹长度；在橡胶拉伸实验台对多组不同伸长比的橡胶试件进行往复拉伸试验，可获得橡胶试件的裂纹生长速率以及最大撕裂能，进而根据公式得到橡胶试件的疲劳寿命。本发明专利技术的结构简单，测试方法简易，可有效提高橡胶材料的疲劳特性测试的准确度，且可操作性强，对于保证橡胶构件的安全性和可靠性，具有重要的意义。

A Rubber Tensile Test Bench and Rubber Fatigue Test Method

The invention discloses a rubber stretching test bench and a rubber fatigue test method. The test bench includes a temperature control system, an actuator and an image recognition module. The temperature control system can ensure the stability of the ambient temperature during the rubber stretching test. The actuator is composed of a servo motor and a motion actuator, and the motion actuator includes a sliding platform and a screw. When the screw rotates, the sliding platform can be used. Reciprocating motion is carried out according to certain movement rules; image recognition module is used to identify crack length; and the fatigue life of rubber specimens can be obtained from the crack growth rate and maximum tear energy of rubber specimens by the reciprocating tensile test on the rubber tensile test bench with different elongation ratios. The invention has simple structure, simple test method, can effectively improve the accuracy of fatigue characteristic test of rubber material, and has strong operability, and has important significance for ensuring the safety and reliability of rubber components.

【技术实现步骤摘要】
一种橡胶拉伸实验台及橡胶疲劳试验方法
本专利技术涉及一种橡胶拉伸实验台及橡胶疲劳试验方法。
技术介绍
橡胶作为一种不可替代的弹性材料已经有160多年的应用历史，在国防建设和经济建设中得到广泛应用。橡胶不仅是生活中不可缺少的物质，也是发展高新技术所必需的高性能材料和功能性材料。为达到减振降噪、柔韧耐磨的目的，橡胶常与金属复合制成弹性元件，这些弹性元件在许多高精尖领域广泛应用。橡胶构件通常在周期应力下工作，橡胶材料的疲劳断裂性能往往决定构件的疲劳寿命。随着橡胶制品的使用条件日益苛刻，橡胶疲劳失效问题日益突出，亟需解决。为了保证橡胶构件的安全性和可靠性，对橡胶材料的疲劳特性的测试具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于方便快捷的测试橡胶疲劳性能的实验台，提供了一种含有温度控制装置的橡胶拉伸实验台，而且还提供一种应用该实验台的橡胶耐久疲劳试验方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种橡胶拉伸实验台，由控温系统、执行机构、图像识别模块和控制系统四部分组成，其特征在于：所述控温系统主要由温度控制面板、保温箱，及观察窗组成，所述温度控制面板设在实验台上部左侧，所述保温箱为矩形且设在实验台内部，在所述保温箱上部开口处设有所述观察窗；所述控制系统由计算机、人机交互显示屏、PLC控制器、控制系统电源、控制系统驱动器组成；所述执行机构安装在所述保温箱底部，由伺服电机和运动执行机构组成；所述图像识别模块通过铝制支撑架安装在所述观察窗上部，用于识别裂纹长度。作为本专利技术的进一步方案，在所述温度控制面板上输入所需要的温度后，所述保温箱的内部可以经过一定时间加热后达到预定温度并维持；所述温度控制面板上设有电源开关、鼓风开关、高温开关、升温指示灯和恒温指示灯。作为本专利技术的进一步方案，所述运动执行机构由滑台底座、丝杠、滑台、稳定杆、左夹具安装支架、左夹具、右夹具、右夹具安装支架、力传感器组成，所述运动执行机构通过所述滑台底座的底部安装孔用螺栓固定在所述保温箱内部空间的底部；所述丝杠的一端通过联轴器与所述伺服电机的转轴连接；所述滑台的中间孔是螺纹孔，当所述丝杠转动时，所述滑台就可以根据一定的运动规律进行左右往复运动；所述左夹具安装在所述左夹具安装支架上，所述左夹具安装支架通过螺栓固定在所述滑台上，所述右夹具通过右夹具支架安装在滑台底座上。作为本专利技术的进一步方案，在所述人机交互显示屏下方设有正弦波、三角波、方波三种加载模块，中部设有初始行程、行程、周期、螺纹轴直径、螺距参数输入模块，上部设有启动、回零、清零模块，右上角设有速度实时监测模块；通过在人机交互显示屏上设置参数，所述控制系统通过所述PLC控制器来控制所述伺服电机的转速和方向，进而控制所述运动执行机构进行一定规律的往复运动。一种应用该实验台的橡胶疲劳试验方法，步骤1，在所述橡胶拉伸实验台上试验获取多组不同伸长比的橡胶试件的裂纹生长速率dl/dN；步骤2，选取Thomas模型作为橡胶材料的疲劳模型：Tmax＝2k(λ)lE0，获得多组不同伸长比的橡胶试件的最大撕裂能，其中Tmax是周期循环中出现的最大撕裂能，E0为没有预置切口的橡胶试件的应变能密度，l为预置切口的长度，λ为伸长比(λ＝1+ε，ε为应变)；步骤3，在多组不同伸长比的试件得到裂纹扩展速率dl/dN和撕裂能Tmax之后，通过最小二乘法将模型转化成对数形式lg(dl/dN)＝lgB+FlgTmax，得到参数B、F。步骤4，将用户指定参数与试验得到的参数代入橡胶材料从初始裂纹l0扩展到失效裂纹lc的疲劳寿命公式N：即得。作为本专利技术的进一步方案，所述步骤1分为：步骤1a，选取片状橡胶试样，在所述运动执行机构上夹紧固定，所述左夹具和右夹具的距离为20mm，所述力传感器测得的橡胶初始受力的值尽量小；步骤2b，在试验前，通过所述人机交互屏在所述PLC控制器编程，设定加载模块以及参数输入模块，设定所述滑台在往返时有0.1s的停顿，减小惯性冲击；步骤3c，在所述温度控制面板1设定保温箱温度，在所述人机交互显示屏按下启动模块，所述控制系统通过所述PLC控制器根据用户输入的参数控制所述运动执行机构对橡胶试样进行循环加载；步骤4d，循环试验开始之后，当所述图像识别模块识别到裂纹增长到由l0至lc时，向所述控制系统发出停止信号，伺服电机停止运行，在所述人机交互显示屏上显示出目前循环试验进行的次数N，此次试验的裂纹生长速率为dl/dN＝(lc-l0)/N。作为本专利技术的进一步方案，其特征在于，步骤2中，运用有限元仿真软件ABAQUS，根据试验参数构建橡胶试样有限元模型，模拟获得无预置切口的橡胶受拉时的应力、应变分布，并且可以直接在有限元软件中计算得到多组不同伸长比的橡胶试件的应变能密度E0。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：橡胶拉伸实验台的整体系统构成简易，可操控性强，人机交互性良好；由于操作温度对橡胶耐久疲劳性能的影响相当复杂，采用控温系统对橡胶拉伸环境进行稳定控制，最大限度减小环境对试验结果的造成的误差；运动执行机构采用往复式夹具结构，结构简单，易于操作，在其上设有力传感器可保证橡胶试样初始受力的值尽量小；为了保护试验机，滑台往返时有0.1s的停顿，可以减小惯性冲击；此外，采用本专利技术的橡胶疲劳试验方法获得的橡胶的疲劳寿命模型，相对于现有技术也更加精确。附图说明图1为本专利技术的橡胶拉伸实验台的结构示意图。图2为温度控制面板的实物图。图3为运动执行机构的结构示意图。图4为人机交互显示屏的实物图。图5为填充天然橡胶材料裂纹扩展速率的4个阶段。图6为Thomas模型中裂纹增长与撕裂能的关系示意图。图7为超弹性模型选择示意图。图8为应力-应变输入示意图。图9为超弹性模型的各项系数示意图。图10为ε＝0.25载荷下有限元分析结果示意图。图11为橡胶试样有限元模型中间单元应变能密度分布示意图。图12为裂纹扩展速度与撕裂能变化曲线示意图。图13为拟合裂纹扩展模型示意图。具体实施方式首先，详细说明以下本专利技术橡胶拉伸实验台的具体结构。参见图1，在本专利技术实施例中，一种橡胶拉伸实验台，由控温系统、执行机构、图像识别模块3和控制系统四部分组成，其特征在于：所述控温系统主要由温度控制面板1、保温箱4，及观察窗6组成，所述温度控制面板1设在实验台上部左侧，所述保温箱4为矩形且设在实验台内部，在所述保温箱4上部开口处设有所述观察窗6；所述控制系统由计算机、人机交互显示屏、PLC控制器、控制系统电源、控制系统驱动器组成；所述执行机构安装在所述保温箱底部，由伺服电机5和运动执行机构组成；所述图像识别模块3通过铝制支撑架安装在所述观察窗6上部，用于识别裂纹长度。参见图2，在所述温度控制面板1上输入所需要的温度后，所述保温箱4的内部可以经过一定时间加热后达到预定温度并维持；所述温度控制面板1上设有电源开关、鼓风开关、高温开关、升温指示灯和恒温指示灯。参见图3，所述运动执行机构由滑台底座9、丝杠7、滑台10、稳定杆8、左夹具安装支架11、左夹具12、右夹具14、右夹具安装支架15、力传感器组成，所述运动执行机构通过所述滑台底座9的底部安装孔用螺栓固定在所述保温箱4内部空间的底部；所述丝杠7的一端通过联轴器与所述伺服电机5的转轴连接；所述滑台10的中间孔是螺纹孔，当所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种橡胶拉伸实验台，由控温系统、执行机构、图像识别模块(3)和控制系统四部分组成，其特征在于：所述控温系统主要由温度控制面板(1)、保温箱(4)，及观察窗6组成，所述温度控制面板(1)设在实验台上部左侧，所述保温箱4为矩形且设在实验台内部，在所述保温箱(4)上部开口处设有所述观察窗(6)；所述控制系统由计算机、人机交互显示屏、PLC控制器、控制系统电源、控制系统驱动器组成；所述执行机构安装在所述保温箱底部，由伺服电机(5)和运动执行机构组成，所述运动执行机构包括滑台(10)、左夹具(12)、右夹具(14)、力传感器；所述图像识别模块(3)通过铝制支撑架安装在所述观察窗(6)上部，用于识别裂纹长度。

【技术特征摘要】
1.一种橡胶拉伸实验台，由控温系统、执行机构、图像识别模块(3)和控制系统四部分组成，其特征在于：所述控温系统主要由温度控制面板(1)、保温箱(4)，及观察窗6组成，所述温度控制面板(1)设在实验台上部左侧，所述保温箱4为矩形且设在实验台内部，在所述保温箱(4)上部开口处设有所述观察窗(6)；所述控制系统由计算机、人机交互显示屏、PLC控制器、控制系统电源、控制系统驱动器组成；所述执行机构安装在所述保温箱底部，由伺服电机(5)和运动执行机构组成，所述运动执行机构包括滑台(10)、左夹具(12)、右夹具(14)、力传感器；所述图像识别模块(3)通过铝制支撑架安装在所述观察窗(6)上部，用于识别裂纹长度。2.根据权利要求1所述的橡胶拉伸实验台，其特征在于：在所述温度控制面板(1)上输入所需要的温度后，所述保温箱(4)的内部可以经过一定时间加热后达到预定温度并维持；所述温度控制面板(1)上设有电源开关、鼓风开关、高温开关、升温指示灯和恒温指示灯。3.根据权利要求1所述的橡胶拉伸实验台，其特征在于：所述运动执行机构还包括滑台底座(9)、丝杠(7)、稳定杆(8)、左夹具安装支架(11)和右夹具安装支架(15)，所述运动执行机构通过所述滑台底座(9)的底部安装孔用螺栓固定在所述保温箱(4)内部空间的底部；所述丝杠(7)的一端通过联轴器与所述伺服电机(5)的转轴连接；所述滑台(10)的中间孔是螺纹孔，当所述丝杠(7)转动时，所述滑台(10)就可以根据一定的运动规律进行左右往复运动；所述左夹具(12)安装在所述左夹具安装支架(11)上，所述左夹具安装支架(1)通过螺栓固定在所述滑台(10)上，所述右夹具(14)通过右夹具支架(15)安装在滑台底座(9)上。4.根据权利要求3所述的橡胶拉伸实验台，其特征在于：所述力传感器用于测量橡胶试样初始受力，保证初始受力的值尽量小；为了保护试验机，所述滑台(10)往返时有0.1s的停顿，减小惯性冲击。5.根据权利要求1所述的橡胶拉伸实验台，其特征在于：在所述人机交互显示屏下方设有正弦波、三角波、方波三种加载模块，中部设有初始行程、行程、周期、螺纹轴直径、螺距参数输入模块，上部设有启动、回零、清零模块，右上角设有速度实时监测模块；通过在人机交互显...

【专利技术属性】
技术研发人员：王青春，王渊，雍占福，
申请(专利权)人：北京林业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11