(答辯PPT)橡膠PVT測試儀的研究設(shè)計(jì)

1、橡膠PVT測試儀的研究設(shè)計(jì)1.緒論：研究背景和已有產(chǎn)品2. 橡膠PVT關(guān)系基本測試方案：直接加壓法和間接加壓法3.設(shè)計(jì)方案的選用： 加壓法、試樣形狀、施力裝置、位移傳感器、溫度傳感器、直線導(dǎo)軌4.關(guān)鍵零部件的校核： 壓桿、樣品室5.三維造型的研究設(shè)計(jì)6.總結(jié)7.致謝1.1研究背景 掌握聚合物的PVT數(shù)據(jù)，有以下應(yīng)用：能預(yù)測聚合物共混性；能預(yù)測以自由體積概念為基礎(chǔ)的聚合物及組分的使用性能和使用壽命；估計(jì)在體積效應(yīng)伴隨反應(yīng)的情況下聚合物熔體中化學(xué)反應(yīng)的變化發(fā)展情況；優(yōu)化工藝參數(shù)，以代替一些通過實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)操作誤差建立的參數(shù)；計(jì)算聚合物熔體的表面張力；研究狀態(tài)方程參數(shù)減少同分子結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系；研究同氣

2、體或溶劑相關(guān)材料的性質(zhì)；相變本質(zhì)的研究。 PVT測試儀在國內(nèi)只有研究單位試驗(yàn)制造，并沒有投入到工業(yè)化的生產(chǎn)中。但在國外，如德國SWO公司的PVT-100分析儀、日本Toyoseiki公司的PVT測試儀以及美國Gnomix公司的PVT高壓膨脹計(jì)等，已有工業(yè)化產(chǎn)品。目前，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所有1臺SWO公司的產(chǎn)品，是國人在PVT測試領(lǐng)域，一個重要的研究、參考對象。 國內(nèi)、國外的橡膠材料的來源、配方、混煉、硫化等方面的影響因素不盡相同，故得到的橡膠材料的成分、結(jié)構(gòu)、規(guī)格、質(zhì)量等結(jié)果也不盡相同，如果套用國外數(shù)據(jù)庫中的材料參數(shù)，最后分析得到的結(jié)果一定是不準(zhǔn)確的。 1.2國內(nèi)外已有的聚合物PVT測

3、試產(chǎn)品德國SWO公司的PVT-100分析儀： 日本東洋精機(jī)Toyoseiki公司的聚合物熔體PVT測試儀 ：美國Gnomix公司的PVT高壓膨脹計(jì) ：國內(nèi)聚合物PVT在線測試設(shè)備 ： 測試橡膠PVT參數(shù)的方法大體分為兩類，分別是直接加壓測試法和間接加壓測試法。原理如圖2-1所示。直接加壓測試法，簡稱直接法，通常是使用柱塞圓筒技術(shù)，而間接加壓測試法，簡稱間接法，通常是使用封閉液技術(shù)。 圖2-1 兩種測試方法 Fig.2-1 Two test methods優(yōu)勢：原理明確，結(jié)構(gòu)簡單，雖然加工精度要求高，但加工的幾何形狀簡單；不用引入任何非樣品物質(zhì)，以封閉墊起封閉作用，即可以保證系統(tǒng)的氣密性，又省去

4、了許多校準(zhǔn)步驟；整個系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制，只要在實(shí)驗(yàn)前輸入正確的實(shí)驗(yàn)條件和參數(shù)，系統(tǒng)將自動完成對樣品的測試工作，操作簡便。劣勢： 在測試設(shè)備中，實(shí)驗(yàn)樣品徑向面積內(nèi)存在溫度梯度，橫截面中，不同位置的溫度不盡相同，在設(shè)備的加工制造中，所能安裝的溫度測試裝置的位置、數(shù)量都是很有限的，所以對溫度的測量精度很難滿足要求。此外，為了保證設(shè)備的氣密性，實(shí)現(xiàn)可靠的封閉，防止式樣外漏，對密封墊的加工精度也有很高的要求。 優(yōu)勢：引入的液體介質(zhì)可以起到封閉作用，使設(shè)備具有良好的氣密性，外部氣體不會侵入樣品里；采用液體介質(zhì)傳導(dǎo)壓力，可以保證內(nèi)部達(dá)到較高的真空度，使樣品處于流體靜壓狀態(tài)下，受力均勻；采用的液體介質(zhì)多為水銀或

5、者苯，這類介質(zhì)與實(shí)驗(yàn)樣品之間的物理化學(xué)作用小、壓縮系數(shù)小、傳遞壓力直接、計(jì)量精度高；可以避免直接加壓測試法中泄露和摩擦的問題。劣勢： 首先，間接加壓測試法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其次，樣品要在測試前進(jìn)行預(yù)處理，除去樣品中的殘余氣體，測試過程中樣品始終與封閉液體接觸，它們之間相互作用的大小對實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響很大，所測定密度衛(wèi)相對值，絕對比容由相對比容和封閉液的比容差得出。而液體介質(zhì)的體積也會隨著溫度和壓力的變化而變化，本文在得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后又要進(jìn)行繁瑣的修正計(jì)算，增大了不必要的工作量，而在修正計(jì)算中引入的液體介質(zhì)的PVT參數(shù)也未必保證準(zhǔn)確，那么最終得到的實(shí)驗(yàn)樣品的PVT參數(shù)的準(zhǔn)確性，更加無從保證了。 3.1直接加

6、壓法和間接加壓法的選用 可以通過改善設(shè)計(jì)方法，提高制造精度，得以防止漏料、進(jìn)氣的情況發(fā)生。同時，在樣品室內(nèi)壁進(jìn)行滲氮處理，反應(yīng)生成氮化鐵和其他各種合金氮化物（特別是氮化鋁、氮化鉻），這些氮化物具有很高的硬度、熱穩(wěn)定性和很高的彌撒度，因而可使?jié)B氮處理的鋼件具有高的表面硬度、疲勞強(qiáng)度，同時大大改善了制品的耐磨性和抗咬合性，并降低缺口敏感性12。 考慮到操作的安全性，而且引入液體介質(zhì)會造成更多的未知變量，過多的未知因素又會影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性。所以本次的橡膠PVT測試儀設(shè)計(jì)，采用直接加壓法。3.2實(shí)驗(yàn)試樣的形狀選用圖3-1 實(shí)驗(yàn)式樣的不同形狀Fig.3-1 Experimental samples

7、of diffetrent shapes 錐形的底面積較大，在接受等量的壓強(qiáng)時，受力更均勻，其尖部橫截面面積較小，等體積變化下其高度變化大，在橡膠PVT測試中作為因變量能更好的被監(jiān)測；但同時，由于錐形試樣在受到壓力以及溫度的影響時，其形狀變化復(fù)雜，雖然高度測量方便，但體積變化量的計(jì)算困難，在后期的數(shù)據(jù)分析中會帶來很多繁雜的計(jì)算和修正，這并不利于提高實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的精確度。 扁環(huán)形易于加工，制取試樣方便，且能在圓環(huán)表面施加較大的壓強(qiáng)，扁環(huán)形在測試中與加熱裝置接觸面積大，在等量時間內(nèi)更容易被徹底加熱，因此實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備階段較短，操作起來更加的快捷方便；但是，由于扁環(huán)形底面積大而高度小，使得它在實(shí)驗(yàn)中受到

8、等量壓強(qiáng)時高度變化不明顯，不便于對壓桿位移的測量，局限于位移傳感器的精確性，此方案在實(shí)際操作中很難達(dá)到理想精度。 如圖4所示的試樣形狀，在底部施加均勻的適量壓強(qiáng)，其體積表現(xiàn)在端部細(xì)管的位移變化，既方便加壓，又有利于對體積變化量的測量，容易提高實(shí)驗(yàn)精度。但是，如圖3-1d所示的試樣形狀存在其特殊性，加工過程困難，且需要與之配套的試樣容腔，同時此形狀的橡膠試樣在夾裝進(jìn)容腔的過程中，不便于操作，細(xì)管端與容腔內(nèi)壁摩擦較大，阻礙了其形狀的變化，也不利于提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。故不采用以上三種方案。 相比較而言，細(xì)圓柱實(shí)驗(yàn)試樣（本文在這里稱其為毛細(xì)管）具備以上方案的多種優(yōu)點(diǎn)，在受到等量壓強(qiáng)時，位移變化量大，

9、由于底面積確定，體積變化量計(jì)算方便。同時，細(xì)長的結(jié)構(gòu)與加熱裝置能緊密接觸，橫截面直徑小易于徹底加熱，受熱更加充分。在裝入試樣的過程中，只需將料筒中的橡膠進(jìn)行加熱，再通過液壓缸擠壓入試樣室內(nèi)，就能使試樣徹底充滿容腔，保證了體積的精確性。在常見的加壓設(shè)備中，有氣壓缸（3-2a）、液壓缸（3-2b）、電缸（3-2c）、砝碼系統(tǒng)（3-2d）等。 氣壓缸的原理及結(jié)構(gòu)簡單，對使用者的要求很低，安裝方便易于維護(hù)，工作人員不需要太多的知識儲備即可完成。輸出力較大，其輸出力與缸徑的平方成正比，一個缸徑為50mm的氣缸的最大輸出力可達(dá)5000N。氣缸的負(fù)載大，可以適應(yīng)高力矩輸出。運(yùn)動形成快，往返迅速，反應(yīng)敏捷。氣

10、缸能夠在高溫和低溫環(huán)境中正常工作，且能防塵防水，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的能力強(qiáng)，特別是在易燃易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、輻射和震動環(huán)境中工作穩(wěn)定。 電缸的系統(tǒng)構(gòu)成十分簡單，由于電機(jī)通常和缸體集成在一起，再加上控制器與電纜，電缸的整個系統(tǒng)便由這三部分組成，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。電缸所能停止的工位數(shù)目多，且控制精度高，一般電缸有低端和高端之分，低端產(chǎn)品的停止位置有3、5、16、64各等，能充分滿足多數(shù)設(shè)備的要求。電缸的柔韌性強(qiáng)，其控制器可以和PLC直接進(jìn)行連接，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速、定位和正反轉(zhuǎn)都能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，在一定程度上說，電缸可以根據(jù)需要隨意運(yùn)動。 砝碼系統(tǒng)的測量原理是采用零位法進(jìn)行測量，這保證了施力的精確性，這種系統(tǒng)

11、的結(jié)構(gòu)在原理上更加簡單，但體積過大，很難做到結(jié)構(gòu)緊湊，同時砝碼配重操作繁瑣，又很難使力的施加精確到小數(shù)點(diǎn)以后，在繪制PVT關(guān)系圖中點(diǎn)與點(diǎn)間的距離過大，存在許多測試盲點(diǎn)。在實(shí)際操作和保養(yǎng)中，砝碼易發(fā)生形變，同時面臨破損、生銹、電腐蝕的損耗，降低了施力的精度。 液壓缸與以上三種系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：液壓油缸外形精巧，體型最小可達(dá)50cm，但與氣缸相比卻能承受100MPa的15t的壓力。液壓缸材質(zhì)通常采用45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼，具有很高的抗疲勞強(qiáng)度，耐磨損、耐沖擊、非磁性等特點(diǎn)，而其自身重量較小方便拆卸與安裝。液壓缸的工作溫度范圍是-60200，其壽命很長，正常情況下運(yùn)行6000小時內(nèi)不會發(fā)生任何故障。

12、液壓缸的結(jié)構(gòu)新穎，工作方式多樣，通過多種液壓元件的配合，可以達(dá)到任何想要的運(yùn)動方案，是一種理想的施力結(jié)構(gòu)。 常見的位移傳感器包括電位器式位移傳感器(3-3a)、線繞式位移傳感器、磁致伸縮位移傳感器(3-3b)、超聲波傳感器、紅外線位移傳感器(3-3c)。 電位器式位移傳感器 和 線繞式位移傳感器 對溫度敏感，以上三種傳感器均能滿足橡膠PVT測試儀的要求，但考慮到確保實(shí)驗(yàn)精度，同時為控制實(shí)驗(yàn)預(yù)算，本次設(shè)計(jì)采用激光位移傳感器。 兩種溫度傳感器都是隨著溫度的變化，引起電學(xué)參數(shù)的變化，靈敏度都很高，但是電阻式溫度傳感器一般檢測的溫度范圍是-50150，多用于低溫檢測，而熱電偶式溫度傳感器一般檢測的溫度

13、范圍是0-2400，多用于高溫檢測。在橡膠PVT測試儀中，溫度的控制在40-100的范圍，顯然電阻式溫度傳感器更適合。 直線導(dǎo)軌可分為三種，分別是滾輪直線導(dǎo)軌(圖3-6a)，圓柱直線導(dǎo)軌（圖3-6b）和圓珠直線導(dǎo)軌（圖3-6c）。它是用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動部件，按給定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動的。直線導(dǎo)軌按照摩擦性質(zhì)又可分為四種，分別是滑動摩擦導(dǎo)軌、滾動摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌。 直線導(dǎo)軌和直線軸承相比，擁有更高的額定負(fù)載，同時可以承擔(dān)一定的扭矩，可在高負(fù)載的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動。在橡膠PVT測試儀中，樣品室無論是在壓料還是設(shè)備在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)軌都要承受來自上方液壓缸的壓強(qiáng)，又因?yàn)橄鹉z很

14、難被壓縮，在實(shí)驗(yàn)時最大壓力會達(dá)到60MPa，所以選用的導(dǎo)軌應(yīng)能承受住這樣大的壓力，避免壓潰的發(fā)生。另外，由于樣品室的進(jìn)料口面積小，壓料桶、壓桿的端面積也很小，應(yīng)保證高的對中性，防止漏料或工作位置不匹配，這就需要導(dǎo)軌具備很高的傳動精度，并且運(yùn)行平穩(wěn)。 滾輪直線導(dǎo)軌由精密軸承和精密導(dǎo)軌組成，可水平安裝，可倒掛、懸掛安裝，也可垂直安裝。滾輪導(dǎo)軌在高粉塵濃度環(huán)境下，依然具有長壽命，傳動精度可以保證。英國HepcoMotion公司的產(chǎn)品，性能足夠滿足本次設(shè)計(jì)的需要。 圓柱直線導(dǎo)軌由于線性滑軌的摩擦方式為滾動摩擦，不僅摩擦系數(shù)降低至滑動導(dǎo)引的1/50，動摩擦力與靜摩擦力的差距亦變得很小。因此當(dāng)床臺運(yùn)行時，

15、不會有打滑的現(xiàn)象發(fā)生，可達(dá)到m級的定位精度。 比較而言，圓柱直線導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，體積小，方便節(jié)省空間，使設(shè)計(jì)更加緊湊合理。故本次設(shè)計(jì)選用圓柱直線導(dǎo)軌。 橡膠由于其自身材料的特性，是很難被壓縮的，而橡膠PVT測試儀又是專門檢測橡膠的比容（在實(shí)驗(yàn)中實(shí)際檢測的是體積V）隨著壓強(qiáng)P變化而變化的規(guī)律的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。所以在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，設(shè)備將對實(shí)驗(yàn)試樣施加很大的壓力、壓強(qiáng)使得體積變化更明顯，提高檢測的精確度，那么強(qiáng)度校核就顯得尤為重要了。 本次設(shè)計(jì)的強(qiáng)度校核是在Pro/ENGINEER Mechanica中完成的，本文可以利用這款設(shè)計(jì)軟件更好的了解所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，及早看清產(chǎn)品特性、改善檢驗(yàn)和認(rèn)證過程，

16、減低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)對工程進(jìn)度和預(yù)算的控制。4.1壓桿組合件的強(qiáng)度校核 在本次設(shè)計(jì)中，最需要強(qiáng)度校核的元件是與液壓缸連接的壓桿組合件，如圖4-1所示，其作為橡膠PVT測試儀的核心零件之一，主要肩負(fù)著傳遞、施加壓強(qiáng)的作用。 壓桿組合件的材料設(shè)置為鋼（steel），其實(shí)際與實(shí)驗(yàn)試樣接觸的面積為176.715mm2，而壓桿的橫截面積為83.221mm2，壓桿組合件的總長為107.5mm，實(shí)驗(yàn)時，所施加的最大壓強(qiáng)為60MPa。4.2 樣品室的強(qiáng)度校核 盛放實(shí)驗(yàn)試樣的樣品室容腔橫截面積為314.159mm2，容腔高度為45mm，可裝實(shí)驗(yàn)試樣體積為14137.455mm3。在實(shí)驗(yàn)試樣承受壓桿所

17、施加的壓強(qiáng)時，會向底面和容器內(nèi)壁施加一定的壓強(qiáng)。橡膠并不會向水或其他液體一樣向各個方向大小不變地傳遞壓強(qiáng)，由于彈性、內(nèi)力等多種原因，隨著距施壓端距離的增加，樣品室受到的壓強(qiáng)逐漸減小。 根據(jù)查詢的資料知，容腔底面受到的壓強(qiáng)為55MPa。 在Mechanica中，樣品室的強(qiáng)度校核示意圖如圖5-2所示。5三維造型的研究設(shè)計(jì) 在外形上考慮了臥式、立式和臺式等不同設(shè)計(jì)形式，考慮到測試設(shè)備的精巧要求，滿足在運(yùn)輸、使用上方便的需要，最終確定為臺式的橡膠PVT測試儀。其外形圖如圖5-2所示。 儀器的安全門采用折頁連接（如圖5-3所示），節(jié)約空間，結(jié)實(shí)耐用。根據(jù)需要可將安全門中心部分改裝成有機(jī)玻璃，方便在實(shí)驗(yàn)過

18、程中查看運(yùn)行情況，及時做出判斷。圖5-3 折頁Fig.5-3 folding 儀器采用的加壓設(shè)備是小型液壓缸，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，最高可施加60MPa的壓強(qiáng)，液壓缸是前法蘭臺型，每個液壓缸通過8對M8的螺栓、螺母進(jìn)行連接，保證了連接的可靠性。 儀器采用四角著地的放置方法，如圖5-4所示，四個腳均采用橡膠材料，制成圓臺型，在中心軸上打孔，穿M6的螺栓與箱體連接。為了保證實(shí)驗(yàn)的精確性，設(shè)備儀器應(yīng)該保持水平放置，在實(shí)驗(yàn)臺稍不平整的情況下，可依靠調(diào)節(jié)四角上的螺栓使儀器保持水平。 實(shí)驗(yàn)儀器分為兩工位，分布方式如圖5-5所示，加熱裝置和樣品室由直線導(dǎo)軌運(yùn)送。左邊的壓料桶為第一工位，負(fù)責(zé)將烘軟的橡膠壓入樣品室。另

19、一個工位是整個實(shí)驗(yàn)的測試工位，對實(shí)驗(yàn)試樣進(jìn)行加壓、加熱并記錄實(shí)驗(yàn)試樣體積的變化量。 壓料桶的施壓端(如圖5-6所示)和樣品室的底端部分（如圖5-7所示）有一個相同的設(shè)計(jì)方案，這些細(xì)小的溝槽有利于提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。因?yàn)樵诹慵募庸ぶ圃爝^程中，是無法做到百分之百得嚴(yán)絲合縫的。在通過液壓缸對橡膠施加很大的壓力的時候，漏料現(xiàn)象時有發(fā)生。而在漏料發(fā)生時，橡膠會通過縫隙，流入這些細(xì)小的溝槽中，逐漸形成一圈密封圈，阻止漏料的繼續(xù)發(fā)生。這就提高了實(shí)驗(yàn)精度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。 在以往的PVT測試儀的使用中，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的試樣清理是很困難的，而在多種多樣的聚合物中，橡膠又是一種粘稠度很高，容易粘壁，難以被清理的材料

20、。如果將樣品室的容腔設(shè)計(jì)成盲孔形式，那么后期的清理工作很難進(jìn)行。而在本次設(shè)計(jì)中，創(chuàng)造性地將樣品室設(shè)計(jì)成兩部分，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，只需要清理圖5-7所示的上頂面和圖5-8所示的通孔內(nèi)壁即可，十分方便。 紅外線位移傳感器的安裝方式如圖5-9a所示，紅外線位移傳感器的幾何尺寸是取用市面上已有的產(chǎn)品，工程圖如圖5-9b所示。本次設(shè)計(jì)采用兩個U型夾具固定，方便調(diào)節(jié)垂直度，其紅外線施放端正對壓桿組合件的外伸部分，精確測量壓桿的位移變化量并輸入計(jì)算機(jī)。 對樣品室進(jìn)行加熱的設(shè)備如圖5-10a所示，通過圖5-10b本文可以清晰的看出該設(shè)備采用的是S型通水管的設(shè)計(jì)，由于橡膠PVT測試儀的實(shí)驗(yàn)溫度范圍是40-10018，

21、故在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中可通熱水進(jìn)行加熱，通水管內(nèi)壁可涂防銹漆，不用再做過多的防腐蝕處理。 在圖5-4中，本文可以看到在設(shè)備的箱體左側(cè)，開出了一個圓孔，目的是整理排放加熱裝置的進(jìn)水管、出水管，紅外線位移傳感器的輸出信號線和電源線，以及溫度傳感器的輸出信號線和電源線，同時在箱體背面增加后蓋，如圖5-13所示，采用折頁連接的方式。增加后蓋的目的是方便設(shè)備的調(diào)整和檢修，有利于更換水管、熱敏電阻等部件。產(chǎn)品參數(shù)：橡膠PVT測試儀的研究設(shè)計(jì)告一段落，在設(shè)計(jì)的過程中，我受到很多啟發(fā)。整個設(shè)計(jì)過程是枯燥但同時充滿新鮮感的，因?yàn)榫窒抻谥R儲備和專業(yè)素養(yǎng)的不足，在設(shè)計(jì)過程中走了很多彎路。 一臺設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造與改良，往往要伴隨幾代人的辛勤努力。在漫長的學(xué)習(xí)中，設(shè)備的一點(diǎn)技術(shù)上的突破對于整個行業(yè)都是長足的發(fā)展。在材料PVT測試儀還未普及的我國，因?yàn)樵S多細(xì)節(jié)上的差距，導(dǎo)致整個行業(yè)上的落后。這就需要新一代的科研人員、學(xué)者共同努力，為我國的科技發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。由于國內(nèi)和國外的材料有很多