本发明属于材料力学性能测试技术领域， 涉及测量密封件的高 低温动态阻力系数的试验装置及方法， 特别涉及测量密封件高低温 动态阻力系数的测试装置和方法。 背景技术

材料的动态阻力性能是力学性能的重要方面。 传统的摩擦测试 方法是将标准方块试样置于摩擦测试仪上进行 勾速拉动， 得到薄片 或薄膜的最大静摩擦力和滑动态阻力系数。 测量前需要预制符合尺 寸和形状的试件， 不能直接用来测量具有一定形状的密封件动态 阻 力性能。 在实际工程应用中， 尤其像应用在航空航天飞行器上的密 封件， 不仅有加载力， 而且接触条件和工作温度很复杂， 对密封件 动态阻力性能的影响也大， 传统的摩擦试验机不能用来测量这些复 杂奈件下的动态阻力性能。 发明内容

因此， 提供一种改进的测量密封件在不同温度下动态 阻力系数 的试验装置， 该试验装置可测量不同温度下、 不同加载条件下产生 的动态阻力系数将是有利的。

为此， 根据本发明的一个方面， 提供一种测量密封件在不同温 度下动态阻力系数的试验装置， 谅装置包括机座、 高低温试验箱、 可移动的测量平台、 控制单元、 分别与控制单元电连接的竖直方向 动力加载装置、 水平方向拖动装置、 第一力传感器以及第二力传感 器， 其中， 高低温试验箱置于上述机座上； 可移动的测量平台具有 滚轮并置于上述高低温试验箱内的平台导轨上 ， 上述测量平台包括 位于其上部用来夹持密封件的夹具； 竖直方向动力加载装置具有位 于高低温试验箱内的可拆卸加载头， 上述控制单元控制竖直方向动 力加载装置使得加载头沿竖直方向移动以对密 封件加载一预定位 移； 水平方向拖动装置与竖直方向动力加载装置固 连， 从而当加载 头压缩密封件并移动到所述预定位移时， 控制单元启动水平方向拖 动装置以拖动上述加载头在密封件上沿水平方 向来回滑动； 第一力 传感器分别与上述测量平台和上述机座固连用 于将其动悉感测的第 一信号发送至控制单元； 第二力传感器设置在加载头上远离密封件 的一端， 上述第二力传感器用来将其动悉感测的第二信 号发送至控 制单元； 控制单元对第一传感器和第二传感器分别发送 来的第一和 第二信号进行处理得到密封件在不同温度下的 动态阻力系数。

在本发明的谅方面， 通过高低温试验箱的设置可以将密封件置 于想要的测量温度下， 并在加载头对密封件进行加载预定位移的情 况下， 通过水平方向拖动装置带动加载头沿水平方向 相对密封件作 往复运动， 从而使得控制单元可通过处理第一和第二传感 器感测的 力信号得到密封件在不同温度下的动态阻力系 数。 另外， 由于加载 头是可拆卸的， 因此可以根据需要更换以模拟不同的工况。

优选地， 上述第一信号对应于加载头对密封件的水平方 向动态 阻力和系统摩擦力合力； 上述第二信号对应于加载头施加到密封件 上的压力。

优选地， 上述水平方向拖动装置包括第一伺服电机、 由第一伺 服电机驱动的第一传动机构、 与第一传动机构连接的水平拖动块以 及与水平拖动块固连的隔板， 上述隔板位于上述高低温试验箱上部 的凹槽内并可带动加载头水平移动。

在该优选结构中， 由于隔板的设置保证了高低温试验箱的密闭 性， 同时实现了对加载头的水平拖动。

再优选地， 上述竖直方向动力加载装置包括与水平拖动块 固连 的第二伺服电机、 由伺服电机驱动的第二传动机构、 一端与第二传 动机构相连接而另一端经由第二力传感器与加 载头相连接的竖直压 块。

在读优选结构中， 第二传动机构将转动转化为平动并借助于竖 直压块传递给加载头， 以便加载头向下向密封件加载。

进一步优选地， 上述加载头为两件式结构， 其包括连接件和可 拆卸压头的， 第二力传感器设置在连接件的末端， 可拆卸压头用来 向密封件加载。 通过两件式结构的设置， 可实现对压头的拆卸和更 换， 以便满足不同加载条件。

又进一步优选地， 上述可拆卸压头可以采用平底压头、 线压头 或圆弧压头。 从而， 可拆卸压头可以模拟平面接触加载、 线接触加 载等。

优选地， 上述控制单元为带有数据处理程序的微机。

再优选地， 高低温试验箱具有设置在高低温试验箱箱体内 的温 度传感器和设置在箱体外并与所述温度传感器 电连接的温度控制 器。 通过温度传感器的设置， 可以感测高低温试验箱内的温度并借 助于显示器等装置显示出来； 而温度控制器的设置可以方便试验者 调控高低温试验箱内的试验温度。

进一步优选地， 上述密封件为橡胶密封件。

根据本发明的另一个方面， 提供一种釆用上述测量密封件在不 同温度下动态阻力系数的试验装置的测量密封 件在不同温度下动态 阻力系数的方法， 该方法包括如下步骤：

1 )将密封件装夹在测量平台上，选择与密封件� �匹配的加载头； 2 ) 调节高低温试验箱内的温度使其达到一预定温 度值；

. 3 )通过控制单元启动竖直方向动力加载装置使� �载头压缩密封 件并沿竖直方向移动预定位移；

4 )当到达预定位移时，通过控制单元启动水平� �向拖动装置， 从 而带动加载头在密封件上沿水平方向上来回滑 动；

5 ) 当加载头在密封件上水平滑动时， 第一力传感器将其每一时 刻感测到的第一信号 F _sl 发送到控制单元， 同时第二力传感器将其每 一时刻感测到的作为第二信号的加载头施加到 试件上的正压力 F发 送到控制单元；

6 )控制单元利用每一时刻得到的第一信号 通过公式 求得每一时刻加载头对密封件的动悉阻力 /, 其中： 。为已知的系统 摩擦力；

7 ) 控制单元利用求得的每一时刻的正压力 和动态阻力 /, 通 μ = 1

过公式 F进行计算， 得到每个时刻的动态阻力系数，

式中： 代表每个时刻的动态阻力系数， /代表每个时刻的动态 阻力， F代表每个时刻的正压力。

优选地， 控制单元为 机。

再优选地， 在上述步骤 7 )之后微机根据以上关系得到动态阻力 系数-时间曲线并显示在屏幕上，截取动态阻� �系数-时间曲线中间的 一段曲线， 兹段曲线占整个曲线的 60%, 求平均值作为密封件在该 温度和加载条件下的平均动态阻力系数， 即 ^ = 1 , 式中： ^代表

Ν

平均动态阻力系数， 代表某一时刻的动态阻力系数， w代表所取动 态阻力系数的个数。

进一步优选地， 上述不同加载力下的已知系统摩擦力 可在上 述步骤 1 )之前测得， 即： 在步骤 1 ) 未将密封件安装到测量平台之 前， 先将加载头取下， 用测力计对测量平台进行水平左右拉动， 此 时测力计测得值模拟的是加载头与密封件间的 动态阻力/, 也记为 f, 第一力传感器测得的值模拟步骤 5 )中加载测试时第一传感器的测量 值 Fw , 也记作 则系统摩擦力 F。可以通过公式 ^

求出， 式中： 代表平台导轨对测量平台滚轮的摩檫力， F ₂ 代表第 一传感器与高低温试验箱之间的摩擦力； 在测试平台上加载不同的 砝码模拟不同的加载力， 测得不同加载力下的系统摩擦力 F _a , 将测 定结果输入到控制单元以便随后使用。

总之， 本发明与现有技术相比， 具有以下优点及突出性效果： 能够测量不同温度下密封件的动态阻力系数； 能够使用不同的加载 头对密封件进行加载来模拟不同的工况； 由微机控制， 能够对竖直 加载力、 水平运动规律等进行设置， 自动加载测量、 处理数据和得 出结果， 并实时显示； 能够测量密封件不同时刻的动态阻力系数， 并给出整个密封件的平均动态阻力系数。

通过参考下面所描述的实施方式， 本发明的这些方面和其他方 面将会得到清晰地阐述。 附图说明

本发明的结构和操作方式以及进一步的目的和 优点将通过下面 结合附图的描述得到更好地理解， 其中， 相同的参考标记标识相同 的元件：

图 1 是根据本发明的一优选实施方式的测量密封件 在不同温度 下动态阻力系数的试验装置的示意图；

图 2a-b分别是平底压头的主视图和左视图；

图 3a-b分别是线压头的主视图和左视图；

图 4a-b分别是圓弧压头的主视图和左视图；

图 5 是根据本发明的测量密封件在不同温度下动态 阻力系数的 方法的流程框图；

图 6是测量不同加载力下系统摩擦力的受力图。

其中：

1-机座

2-高^ ί氐温试睑箱

21-温度传感器

22-温度控制器

3-测量平台

31-滚轮

4-平台导轨

水平方向拖动装置

51-第一伺服电机

52-第一传动机构

53-水平拖动块 竖直方向动力加载装置

61-第二传动机构

62-第二伺服电机

.63-竖直压块

64-加载头

7-第一力传感器

8-第二力传感器

9-微机

10-密封件 具体实施方式

根据要求， 这里将披露本发明的具体实施方式。 然而， 应当理 解的是， 这里所披露的实施例仅仅是本发明的典型例子 而已， 其可 体现为各种形式。 因此， 这里披露的具体细节不被认为是限制性的， 而仅仅是作为权利要求的基础以及作为用于教 导本领域技术人员以 用这里所披露的各种特征并结合这里可能没有 明确披露的特征。

图 1 示出了根据本发明的一优选实施方式的测量密 封件在不同 温度下动态阻力系数的试验装置， 读装置包括机座 1、 位于机座 1 上的高低温试验箱 2、 置于高低温试验箱 内的测量平台 3、 承载测 量平台 3的平台导轨 4、 水平方向拖动装置 51 -54、 竖直方向动力加 载装置 61-64、 第一力传感器 7、 第二力传感器 8、 以及分别与水平 方向拖动装置 51-54、 竖直方向动力加载装置 61-64、 第一力传感器 7以及第二力传感器 8电连接的带有数据处理程序的微机 9。 需要说 明的是， 本实施方式中密封件是指橡胶密封件 10 , 当然具有一定弹 性变形能力的其他材料的试件也是可以的。

再参见图 1来说明本实施方式中试验装置的具体结构。

高低温试验箱 2 具有设置在高低温试验箱箱体内的温度传感器 21和设置在箱体外并与所述温度传感器 21电连接的温度控制器 22, 其中， 通过温度传感器 21的设置， 可以感测高低温试险箱 2内的温 度并借助于显示器等装置（图未示）显示出来 ； 而温度控制器 22的 设置可以方便试验者调控高低温试验箱 2 内的试验温度。 另外， 测 量平台 3安装在高低温试验箱 2内的平台导轨 4上， 并可借助于其 底部的滚轮 31在平台导轨 4上滑动。

氷平方向拖动装置 51-54 包括第一伺服电机 51、 由第一伺服电 机 51驱动的第一传动机构 52、 与第一传动机构 52连接的水平拖动 块 53和隔板 54， 其中隔板 54位于高低温试验箱 2的顶部并可在该 顶部上水平滑动， 例如借助于高低温试验箱 2顶部的例如凹槽形导 轨， 隔板 54与水平拖动块 53固连， 从而可在水平拖动块 53的带动 下在高低温试验箱 2的顶部水平滑动，并同时保证了高低温试验� � 2 的相对密闭。

竖直方向动力加载装置 61-64 包括第二伺服电机 61、 第二传动 机构 62、 竖直压块 63和加载头 64, 其中， 第二伺服电机 61与水平 拖动块 53固连， 第二传动机构 62由第二伺服电机 61驱动， 竖直压 块 63—端与第二传动机构 62相连接而另一端经由第二力传感器 8 与加载头 64相连接。

通过此种结构，可实现加载头 64在竖直和水平两个方向的移动。 需要说明的是， 为了实现加载头 64的水平移动， 可在高低温试验箱 2的顶板上开长孔（图未示）， 加载头 64穿过隔板 54并与之过盈配 合， 从而能够保证加载头 64在沿竖直方向移动时可同时在水平拖动 块 53的带动下沿该长孔水平移动。

第一力传感器 7分别与测量平台 3和机座 1 固连； 第二力传感 器 8的上、 下底面分别与竖直压块 63和加载头 64固连； 第一伺服 电机 51、 第二伺服电机 61、 第一力传感器 7、 第二力传感器 8分別 通过通信线缆与微机 9连接。

下面再参见图 1介绍下如何实现加载头 64在竖直和水平两个方 向的移动。 试检者可向微机 9发出指令来启动竖直方向动力加载装 置 61-64, 即微机 9启动第二伺服电机 61 , 第二传动机构 62在第二 祠月 电机 61 的驱动下将转动转化为平动， 从而最终实现加载头 64 的竖直移动。 另外， 当加载头 64向下移动一预定位移时， 可由微机 9启动水平方向拖动装置 5的第一伺服电机 51， 从而驱动第一传动 机构 52来带动水平拖动块 3水平移动， 从而进一步带动隔板 2沿高 低温试验箱 2的顶部水平移动。 由于加载头 64穿过隔板 54并与之 过盈配合固定， 从而当隔板 54水平移动时， 会带动加载头 64沿高 低温试—险箱 2的顶部上所开的长孔水平移动。

图 2a-b 分别是具有平底压头的加载头的主视图和左视 图； 图 3a-b分别是具有线压头的加载头的主视图和左� �图； 图 4a- b分別是 具有圆弧压头的加载头的主视图和左视图， 其中， 每个加载头 64为 两件式结构， 其包括连接件 641和可拆卸压头 642的。 通过两件式 结构的设置， 可实现对压头的拆卸和更换， 以便满足不同加载条件。 实践中， 可以根据需要选用不同的加载头 64来模拟使用中不同结构 对密封件 10的压缩。

图 5 是根据本发明的测量密封件在不同温度下动态 阻力系数的 方法的流程框图。 如图所示， 根据本发明的测量密封件在不同温度 下动态阻力的方法包括如下步骤：

S ₁₀₁ 将密封件 10装夹在测量平台 3上， 选择与密封件 10相匹配 的加载头 64;

S _1{)2 调节高低温试验箱 2内的温度使其达到一预定温度值；

S ₁₀₃ 通过微机 9 启动竖直方向动力加载装置的第二伺服电机 61 使加载头 64压缩密封件 10并沿竖直方向移动预定位移；

S _I04 当加载头 64到达预定位移时,通过 ：机 9启动水平方向拖动 装置的第一伺服电机 51， 从而带动加载头 64在密封件 10上沿水平 方向来回滑动；

S ₁₍₎₅ 当加载头 64在密封件 10上水平来回滑动时， 第一力传感器 7将其每一时刻感测到的第一信号 发送到微机 9， 同时第二力传 感器 8将其每一时刻感测到的作为第二信号的加载� � 64施加到密封 件上的正压力 发送到微机 9; S ₁₀₆ 微机 9利用每一时刻得到的第一信号 通过公式 /=Fw 求得每一时刻加载头 64对密封件 10的动态阻力 /, 其中： 。为试验 前已知的系统摩擦力；

S ₁₀₇ 微机 9利用得到的每一时刻的正压力 和动态阻力 /,通过公 μ = 1

式 进行计算， 得到每个时刻的动态阻力系数， 式中： μ代表每 个时刻的动态阻力系数， /代表每个时刻的动态阻力， 代表每个时 刻的正压力。

S ₁₀₈ 微机根椐所求得的每个时刻的动态阻力系 数生成动态阻力系 数-时间曲线并显示在屏幕上 ,截取动态阻力系数-时间曲线中间的一 段曲线， 该段曲线占整个曲线的 60%, 求平均值作为密封件 10在该

N

温度和加载条件下的平均动态阻力系数， 即 二， 式中： _μ 代表

Ν

平均动态阻力系数， 代表某一时刻的动态阻力系数， 代表所取动 态阻力系数的个数。

应当理解的是，上述的已知系统摩擦力 ^是随着密封件 10所受 的正压力的变化而变化的， 但在同一正压力下， 系统摩擦力 是不 变的。 因此， 在进行上述试验之前， 已经测好一系列不同加载力下 的系统摩擦力 F _fl 并存于微机 9中以便微机 9随时调取使用。

下面参照图 6介绍一下系统摩擦力 ^的测得方式。

图 6是测量系统摩擦力的受力图。 当加载头 64在密封件 10上 滑动时，加载头 64对密封件 10有竖直方向的正压力 F和水平方向的 动态阻力/， 则密封件对测量平台 3的力也为/。 由于水平导轨 4与 测量平台 3之间也有一定的摩擦力 F ₂ ; 测量平台 3与第一传感器 7 之间的连杆穿过高低温试验箱 2,连杆与高低温试验箱 2也存在摩擦 F。 这里将 和 F ₂ 矢量和记为 F _{a >} 称为系统摩擦力。

在上述步骤 S ₁₍₎₁ 之前，即未将密封件 10安装到测量平台 3之前， 先将加载头 64取下， 用测力计对测量平台 3进行水平左右拉动， 此 时测力计测得值模拟的是加载头 64与密封件 10间的动态阻力， 也 记为 /; 第一力传感器 7测得的值模拟步骤 S ₁₍₎₅ 中加载测试时第一传 感器 7 的测量值， 也记作 F _si , 则系统摩檫力 可以通过公式 求出。

在测试平台 3 上加载不同的砝码模拟不同的加载力， 测得不同 加载力下的系统摩擦力 F _a , 将测定结果输入到微机 9以方便微机 9 根据需要调取使用。

应当理解的是， 上述水平方向拖动装置的运动可预先设定， 例 如， 微机已经预定设定好水平拖动块水平方向移动 行程、 次数、 频 率、 周期， 在试验的过程中， 微机不断从预先设置的这些参数中读 取相关数据， 判断当前状态是否满足设置的参数， 如果不满足， 则 分别对第一仴服电机和第二伺服电机发送信号 ， 控制两个伺服电机 转动。 伺服电机会反馈加载行程和速度等信息， 同时会通过传动机 构带动加载头进行竖直或水平加载。 第一和第二力传感器测量各时 刻的动态阻力 （未修正） 和正压力， 并将测量值传送给微机。

需要注意的是， 每次试验是在一预定温度下、 预定正压力下， 去测得这一温度和压力下的动态阻力系数； 但根据本发明的装置和 方法是可以根据要求调节温度和加载的正压力 的， 因此， 能够测得 不同温度、 不同压力下的动态阻力系数。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上， 然而可以理解， 在 本发明的创作思想下， 本领域的技术人员可以对上述结构和材料作 各种变化和改进， 包括这里单独披露或要求保护的技术特征的組 合， 明显地包括这些特征的其它组合。 这些变形和 /或组合均落入本发明 所涉及的技术领域内， 并落入本发明权利要求的保护范围。 需要注 意的是， 按照惯例， 权利要求中使用单个元件意在包括一个或多个 这样的元件。 此外， 不应谅将权利要求书中的任何参考标记构造为 限制本发明的范围。