密封圈低温压缩永久变形测量方法的研究

张敏霞，董 平，章孟辉

(浙江三花制冷集团有限公司 计量测试中心, 浙江 新昌 312500)

GB/T 7759国家标准规定了橡胶试块的测试方法[1-2]，而实际空调、冷冻冷藏等系统中的阀门部件，使用的都是橡胶制品—密封圈. 因此，建立一套直接对密封圈进行质量控制和评价的方法是非常有意义的(特别是进行新品开发时). 为此，本试验室曾经参考GB/T 7759标准中装置原理，设计制作了一套手动式密封圈评价装置. 但该装置测试效率低、劳动强度大、测试误差大的问题一直没有得到彻底解决.

压缩永久变形是评价橡胶材料的主要方式之一，据了解目前国内各橡胶材料试验室均沿用老式评价装置和试验方法[3-4]，对试验装置和方法研究改进的相对较少. 本文主要围绕试验装置和方法的改善，通过与光学、环境专家研讨，引入非接触式光学测量系统，改进了低温压缩永久变形的测量装置. 装置利用光学投影系统测量、传输并自动生成数据，通过重复性和比对验证，其准确可靠，达到了提高测量效率和实用价值的效果.

据考证，非接触式低温压缩永久变形测量方法的研究报道在国内属首次[5].

1 试验部分

1.1 测量系统组成及主要特点

测量系统主要由低温箱体、机械压缩装置、非接触式光学测量系统三大部分组成，如图1所示.

图1 测量系统装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of measurement system(1)背光源,(2)低温箱体,(3)支架,(4)试样,(5)视觉相机,(6)计算机.

测量系统的主要特点：(1)过程可操作性强. 低温箱体设计了可视窗和带手套的操作手孔，可以在低温密闭环境中保压、释压、移动密封圈. 通过先进的非接触式光学测量系统软件自动测试并生成数据(每一个高度值都是通过测量和处理大量数据后自动给出，移动密封圈位置即可给出不同位置高度值)，比国标用机械式测厚仪操作更方便、简单和全面.

(2)提高测试精度. 利用非接触式光学投影方法测量，每次均能准确定位最高点位置，使试验前后两次测量更加具有一致性和可比性. 通过快速测量不同密封圈位置取平均值的方式，得出更科学的密封圈高度，提高了数据的准确性、可靠性，远比用机械式测厚仪来测量密封圈的高度偏差小.

(3)测试效率提高. 测试系统如需要一次性测试多个密封圈样品，利用非接触式光学测量系统测试只需简单的更换样品、移动样品就能完成，很大程度上提高了工作效率，比国标手动方法每次只能测试1个样品效率提高很多.

(4)设备通用性强. 箱体结构与系统测试原理重新设计，压缩工装可以移动，非接触式光学测量系统为外置不占用低温箱空间. 该系统不仅可用于测试密封圈低温压缩永久变形，而且可用于测试高分子材料、颗粒物等样品的变形特性，放宽了样品尺寸要求，实现了一套系统多用途化测试.

1.2 试验方法

1.2.1 试验前准备

开启测量系统，在常温下测量密封圈的高度，需测量3个位置高度取平均值，记录数据h0. 将测量系统低温箱开至规定的试验温度并稳定. 根据压缩率为25%的计算公式，由h0计算出限制器高度hs. 将已测量高度的密封圈装入压缩装置中，在压缩装置上做好相应标识，用来识别密封圈序号. 将上述装好密封圈的压缩装置立即放入已稳定的低温箱中，放置时间为72 h.

1.2.2 测量过程

预先开启测量系统. 达到试验时间后，释放压缩装置，在低温环境中保持释放时间为30±3 min. 30 min后将密封圈放置在固定装置上测量密封圈高度. 需测量3个位置高度取平均值，记录数据h1. 利用计算公式(h0-h1)÷(h0-hs)×100%计算出结果. 其中，h0为样品初始高度(mm)，h1为样品恢复后的高度(mm)，hs为限制器的高度(mm)，计算结果精确到1%.

1.2.3 注意事项

上紧压缩装置需注意上下两块装置不得出现移动现象，以免密封圈出现扭曲变形现象，而引入测量误差. 释放压缩装置及测量过程中，不得用手触碰样品，不得使样品暴露在常温空气中.

2 结果与讨论

表1和表2分别为A、B、C 3位人员的测试结果，每位人员分别对非接触式、接触式两种试验方法进行3次试验比对. 从测量系统变差(GRR)结果表明非接触式测量系统是可接受的，接触式测量系统则需改进.

非接触式[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)

根据误差低于10%判定准则，该测量系统可接受.

接触式(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)

根据误差超过30%判定准则，该测量系统需改进.

式(1)、(2)中：Ev-设备变差；Av-评价人变差；

表1 非接触式-可重复性与再现性分析数据表Table 1 Untouchable type-repeatability and reproducibility analysis data table

表2 接触式-可重复性与再现性分析数据表Table 2 Touchable type-repeatability and reproducibility analysis data table

Rbar-所有人极差均值；Rabar-a人员极差均值；Rbbar-b人员极差均值；Rcbar-c人员极差均值；K1-查常数(如表3所列)；K2-查常数(如表4所列)；n-样品数；y-试验次数；Xbardiff-评价人均值的最大差异；GRR-测量系统变差.

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 试验次数Table 3 Number of tests

表4 评价人数Table 4 Number of appraisers

说明：(1)以上比对样品高度经过筛选(筛选后样品实际尺寸为1.89～1.91 mm)，且所有样品均为同一厂家，同一型号；(2)因为低温压缩永久变形后样品不能回弹至初始状态，所以“Ev、Av”分析时考虑通过增加样品数量来代替试验次数“y”(1组10个样品作为1次)，同时样品数量“n”仍按10只计算[6].

3 结论

本文开发了非接触式光学测量系统. 利用该系统替代了传统的机械式测厚仪测量方法，颠覆了传统意义上的手动操作，利用非接触式光学测量系统测量，每次均能准确定位最高点位置，使试验前后两次测量更加具有一致性和可比性，更能突出非接触式光学测量系统重复性和再现性，均远远优于传统的机械式测厚仪测量. 同时在测试效率和实用价值方面，非接触式光学测量系统也有了很大突破，可以对同一个点读取大量的数据来保证数据的正确性，而机械式测厚仪测试同一个点时无法保证每次测试数据一致性，也不能保证每次均测试在同一个点上，这就是非接触式光学测量系统与传统的机械式测厚仪测量差别.

本文意在倡导设计新的产品要求时，应该选择相关性更强、重复性与再现性更好的项目，选择与产品功能联系更多的测量方法，同时不断更新研究低成本、高效率的测量方法.