耐臭氧龟裂试验机观察装置的设计及优化

徐云慧， 佟 兰， 韦邦风， 李培培

(1.徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140； 2.徐州徐轮有限公司，江苏 徐州 221011)

0 引 言

从1885年人们就开始认识到臭氧会导致橡胶龟裂裂口，但由于地面臭氧浓度比较低，人们对臭氧导致的橡胶老化问题没有引起足够的重视，但随着臭氧层的破坏，空气中臭氧浓度和分布都发生了变化[1-2]，人们开始关注臭氧对橡胶的影响，特别是近几年来，随着汽车工业突飞猛进的发展，汽车尾气排放增加，导致轮胎胎面表面臭氧浓度提高，加速轮胎胎面的老化裂口，导致轮胎使用寿命下降，臭氧对橡胶的性能影响越来越受到人们的重视,所以对橡胶臭氧老化性能的试验越来越广泛[3]。

1 臭氧老化试验原理

2003年7月1日我国国家质检监督检验检疫总局发布实施了《硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验》(ISO 1431-1)，臭氧老化试验试验机均依据该标准进行设计，臭氧老化试验也是依据该标准进行试验[4]。

硫化橡胶或热塑性橡胶在静态拉伸应变条件下，暴露于含有恒定臭氧浓度和恒温的试验箱中按预定时间对试样龟裂情况进行检查。在选定的臭氧浓度和试验温度条件下评价臭氧龟裂可任选如下A、B、C三种方法。A. 在规定的时间和规定的应变暴露后，检查是否出现龟裂，如果需要可以测定龟裂程度；B. 在任意规定的拉伸应变下，测定最早出现龟裂时间；C. 对任意规定的暴露时间，测定临界应变(即将橡胶在给定的温度下暴露于含规定臭氧浓度的空气中，在规定暴露时间后，不出现臭氧龟裂的最大拉伸应变)[5]。

拉伸应变条件下橡胶表面出现龟裂，裂纹的形状和龟裂的严重程度根据所受拉伸的大小和性能而变化。一件制品在使用中的应变将从某一点最小值到另一点最大值而变化。当测定耐臭氧性能的时候应考虑在此伸长范围内的裂纹形状[6]。

要说明一种材料耐臭氧性能的标准首先是不出现裂纹。因此，试样在规定时间下暴露，如果其临界应变较大或其出现龟裂之前的时间较长，则其耐臭氧性能较好。

然而，当橡胶在制定的变形范围内其臭氧龟裂的大小均低于允许极限值，则应该改用另一种判别标准。此判别标准是以性能标准对比为根据，两种硫化橡胶在使用中如果其中一种硫化橡胶的臭氧龟裂程度低于另一种，则可以认为该种硫化橡胶的耐臭氧老化性能优于另一种。当试样表面出现肉眼可见的龟裂时，就应该立即记录下来，以便测定应变和臭氧龟裂严重程度之间的关系[7-8]。

从以上臭氧老化试验原理分析可以看出若要判别硫化橡胶和热塑性橡胶耐臭氧性能观察试片出现裂纹的最早时间、裂纹的大小、形状和龟裂的严重程度是至关重要的[9]。耐臭氧龟裂试验机及时模拟和强化大气中的臭氧条件，研究臭氧对橡胶的作用规律，快速鉴定和评价橡胶抗臭氧老化性能与抗臭氧剂防护效能的方法。但经过臭氧老化试验和对臭氧老化机进行调研，发现现在的耐臭氧龟裂试验机观察装置均存在许多不足之处。

2 现有观察装置的不足

在使用耐臭氧龟裂试验机进行臭氧老化试验时发现现在的臭氧老化机在不停机状态下(若停机观察，会影响臭氧老化结果，因为臭氧老化检测为连续性检测)观察臭氧老化结果,存在以下不足之处[10-11]：

(1) 原来的观察灯装在试验老化箱门口顶部，光线正好被转盘架遮掩住，光线很弱，根本看不清试样龟裂情况，也不能准确判断臭氧老化程度；

(2) 为保护试验老化箱门口顶部的灯泡，在门口顶部装了一保护盖，但由于有这个保护盖的存在，在试样转盘架装卸时带来许多不便，不便于转盘架的取出，给夹持试样造成麻烦；

(3) 老化箱上观察装置为两块平面玻璃组成，在观察时，人的眼睛离观察的试片距离约150 mm，加上箱内光线较弱，根本看不清试样龟裂情况。

(4) 现在的观察装置只能观察试样面对观察门的这一边，不能观察试样反面和两侧的龟裂情况，不能准确地、全面地判断臭氧老化情况，对试验带来相当大的误差。

3 观察装置的优化

经过调研分析，从观察灯、观察镜、反光镜三个部分进行优化，解决了不停机就能全面准确观察臭氧老化试片老化裂口个数、深度及宽度[7]，具体总结阐述如下。

3.1 观察灯的优化

经过分析可以看出,原来的观察灯及观察保护装置设计不合理，可以从可弯曲杆、双射灯、“U”型连接架、固定装置等四个方面进行优化[10]。

(1) 可弯曲杆。在耐臭氧龟裂试验机门轴一边安装可弯曲杆1个，可弯曲杆内层材料为橡胶，外层材料为螺纹状的金属外壳，杆长度比“从固定位置到试片之间的直线长度”约长5～10 mm；

(2) 双射灯。在可弯曲杆一端部设双射灯，灯为点射灯2个，两灯之间距离为10～15 mm；

(3) “U”型连接架。可弯曲杆和双射灯之间通过“U”型连接架连接，材料同可弯曲杆，“U”型宽度同两灯之间距离。

(4) 固定装置。固定装置为在“可弯曲杆”下安装一三角架，通过三颗螺丝进行固定，固定位置为距老化箱门口箱体两侧距上边缘或下边缘10～20 mm处。在试验时将观察灯移动到试片位置，便于观察试片老化情况，试验结束可将观察灯弯曲在老化箱门口箱体两侧，紧贴箱壁，为保护观察灯，也可在老化箱门口箱体两侧做一凹槽，不用时放在凹槽内或加一防护装置[14]。

3.2 观察镜的优化

该装置可设置为一菲涅尔透镜，该透镜为PVC材料制成，形状为薄圆柱形，直径50～100 mm，厚度应根据放大倍距的大小来定，安装在臭氧老化机门外层观察玻璃上，配合位置用密封胶粘合；臭氧老化机门内层仍为原平面玻璃。而且,观察镜还可以使用放大倍数较大的放大镜。

3.3 反光镜的设计

为了在能看清楚试样两侧及背面的龟裂情况，在耐臭氧龟裂试验机转盘试片背面安装反光镜装置，反光镜有平面镜及固定装置组成，反光镜为一平面镜(镜周边可包边，以防伤手)，长度为30～40 mm，宽度为40～50 mm，厚度约3～5 mm；固定装置为带凹槽的强力磁铁(长度比镜长5 mm左右，宽度比镜宽5 mm左右，高度约10～20 mm)，反光镜也可用三角架固定。

4 观察装置设计和优化[13]

4.1 耐臭氧龟裂试验机观察装置设计

优化结构如图1、2[14]所示。

图1 耐臭氧龟裂试验机观察装置结构图

图2 耐臭氧龟裂试验机观察装置结构视图

4.2 耐臭氧龟裂试验机观察装置

观察装置平面图见图3。

图3 耐臭氧龟裂试验机观察装置平面图

5 效 果

经过对臭氧老化机观察装置进行设计和优化，达到了以下效果[14]：

(1) 可以解决在不停机情况下，清晰地观察臭氧老化结果，这样即不影响实验结果，也可清晰观察；

(2) 通过试片背面使用反光镜可清晰地观察老化试片背面和侧部的老化结果；

(3) 通过对原有灯装置的优化，可以解决在装卸转盘架时易碰坏或操作不方便的问题。

6 结 语

通过对臭氧老化机观察装置进行设计和优化，不仅克服解决了操作不便的问题，提高了生产效率；也在很大程度上解决了不停机状态下对臭氧试样龟裂程度的观察问题，对耐臭氧龟裂试验机的结构进行了优化，也为“硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验”的进行提供了充足的条件，保证了该试验数据的准确性和全面性[15-16]。

[1] 张 凯，王 聪，李秀媛，等．一种无主从自均流逆变器并联装置的设计[J]．电力电子技术，2013，47(5)：71-73．

ZHANG Kai，WANG Cong，LI Xiu-yuan，etal．A Parallel System Design of Non-master-slave and Current-sharing Inverters[J]．Power Electronics,2013，47(5)：71-73．

[2] 于祥梅，姚 亮．NR与EPDM并用抗臭氧老化性能的研究[J]．广东橡胶，2010(8)：16-17．

YU Xiang-mei，YAO Liang．The Research of Anti- ozone aging properties of NR/EPDM[J]．Guang Dong Rubber，2010(8)：16-17．

[3] 徐云慧，刘 岩，萨支青，等．防护体系对NR/BR/SBR并用胶性能的影响[J]．橡胶科技市场，2009(13)：19-20．

XU Yun-hui, LIU Yan, SAZhi-qing，etal．Protection system for The Performance of NR/BR/SBR[J]．Rubber technology market，2009(13)：19-20．

[4] GB/T 7762-2003，《硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂静态拉伸试验》[S]．

[5] 李 昂．橡胶的老化与寿命估算(续)[J]．橡胶参考资料，2009，39(4)：2-5．

LI Aang．Rubber aging and life estimation (continue)[J]．Rubber Resources，2009，39(4)：2-5．

[6] 李 昂．橡胶的老化与寿命估算[J]．橡胶参考资料，2009，39(3)：2-4．

LI Aang．Rubber aging and life estimation[J]．Rubber Resources，2009，39(3)：2-4．

[7] Morand J L．Scission in the oxidation of polyisoprene[J]．Rubber Chemistry and Technology，1977，50(2)：373-396．

[8] Schoichlyo Yano．Photo-oxidation of an IR vulcanizate[J]．Rubber Chemistry and Technology，1981，54(1)：1-6．

[9] 陈经盛．《硫化橡胶耐臭氧老化动态拉伸试验法》国家标准简介[J].化工标准化与质量监督，1993(7)：1-7.

[10] 张大伟，徐玉海，刘从伟，等．耐热输送带覆盖胶配方优化[J]．橡胶工业，2012，59(3)：170-172．

ZHANG Da-wei，XUYu-hai，LIU Cong-wei，etal．Optimization of Cower Compound for Heat Resistant Conveyor Belt[J]．Rubber Industry,2012，59(3)：170-172．

[11] 李海军，寇秀玲，窦建新．碰泵悬挂组合装置的设计与应用[J]．新疆石油科技,2013，23(1)：49-50．

LI Hai-jun，KOU Xiu-ling，DOU Jian-Xin．Collisions pump suspension device design and application portfolio[J]．Xinjiang Petroleum Technology,2013，23(1)：49-50．

[12] 陶 院，杨 方，罗 俊，等．基于应力波驱动的金属微滴按需喷射装置开发及试验研究[J]．机械工程学报，2013，49(7)：162-167．

TAO Yuan，YANG Fang，LUO Jun，etal．Experimental Research and Development of Metal Drop-on-demand SprayApparatus Driven by the Stress Wave[J]．JOURNAL OF M ECHANICAL ENGINEERING，2013，49(7)：162-167．

[13] 徐州工业职业技术学院．臭氧老化结果的观察装置[P]. 实用新型专利．专利号2267966．

[14] 张 捷，罗志群，湛大强，等．电梯限速切断阀模拟管路失效试验装置的开发[J]．液压与气动，2013(5)：26-27．

ZHANG Jie，LUO Zhi-qun，ZHAN Da-qiang，etal．Development of Pipe Rupture Test Equipment forElevator Rupture Valve[J]．Hydraulic and pneumatic,2013(5)：26-27．

[15] 韩 冰，陈亚娟．针对机电控制环节实训装置的设计与应用[J]．高校实验室工作研究,2012，112(4)：118-120．

HAN Bing，CHEN Ya-yuan．Training session for electromechanical control device design and application[J]．College Laboratory Research,2012，112(4)：118-120．

[16] 徐云慧，吕 军，萨支青．工程胎胎面缠绕线工艺的优化[J]．橡胶科技市场，2006，22(4)：18-20．

XU Yun-hui, LU Jun, SA Zhi-qing．The process optimization of Engineering tire tread winding line[J]．Rubber technology market，2006，22(4)：18-20．