(答辩)橡胶PVT测试仪的研究设计

1、橡胶PVT测试仪的研究设计1.绪论：研究背景和已有产品2. 橡胶PVT关系基本测试方案：直接加压法和间接加压法3.设计方案的选用： 加压法、试样形状、施力装置、位移传感器、温度传感器、直线导轨4.关键零部件的校核： 压杆、样品室5.三维造型的研究设计6.总结7.致谢1.1研究背景 掌握聚合物的PVT数据，有以下应用：能预测聚合物共混性；能预测以自由体积概念为基础的聚合物及组分的使用性能和使用寿命；估计在体积效应伴随反应的情况下聚合物熔体中化学反应的变化发展情况；优化工艺参数，以代替一些通过实验或经验操作误差建立的参数；计算聚合物熔体的表面张力；研究状态方程参数减少同分子结构的相互关系；研究同气

2、体或溶剂相关材料的性质；相变本质的研究。 PVT测试仪在国内只有研究单位试验制造，并没有投入到工业化的生产中。但在国外，如德国SWO公司的PVT-100分析仪、日本Toyoseiki公司的PVT测试仪以及美国Gnomix公司的PVT高压膨胀计等，已有工业化产品。目前，中国科学院长春应用化学研究所有1台SWO公司的产品，是国人在PVT测试领域，一个重要的研究、参考对象。 国内、国外的橡胶材料的来源、配方、混炼、硫化等方面的影响因素不尽相同，故得到的橡胶材料的成分、结构、规格、质量等结果也不尽相同，如果套用国外数据库中的材料参数，最后分析得到的结果一定是不准确的。 1.2国内外已有的聚合物PVT测

3、试产品德国SWO公司的PVT-100分析仪： 日本东洋精机Toyoseiki公司的聚合物熔体PVT测试仪 ：美国Gnomix公司的PVT高压膨胀计 ：国内聚合物PVT在线测试设备 ： 测试橡胶PVT参数的方法大体分为两类，分别是直接加压测试法和间接加压测试法。原理如图2-1所示。直接加压测试法，简称直接法，通常是使用柱塞圆筒技术，而间接加压测试法，简称间接法，通常是使用封闭液技术。 图2-1 两种测试方法 Fig.2-1 Two test methods优势：原理明确，结构简单，虽然加工精度要求高，但加工的几何形状简单；不用引入任何非样品物质，以封闭垫起封闭作用，即可以保证系统的气密性，又省去

4、了许多校准步骤；整个系统由计算机控制，只要在实验前输入正确的实验条件和参数，系统将自动完成对样品的测试工作，操作简便。劣势： 在测试设备中，实验样品径向面积内存在温度梯度，横截面中，不同位置的温度不尽相同，在设备的加工制造中，所能安装的温度测试装置的位置、数量都是很有限的，所以对温度的测量精度很难满足要求。此外，为了保证设备的气密性，实现可靠的封闭，防止式样外漏，对密封垫的加工精度也有很高的要求。 优势：引入的液体介质可以起到封闭作用，使设备具有良好的气密性，外部气体不会侵入样品里；采用液体介质传导压力，可以保证内部达到较高的真空度，使样品处于流体静压状态下，受力均匀；采用的液体介质多为水银或

5、者苯，这类介质与实验样品之间的物理化学作用小、压缩系数小、传递压力直接、计量精度高；可以避免直接加压测试法中泄露和摩擦的问题。劣势： 首先，间接加压测试法的结构复杂，其次，样品要在测试前进行预处理，除去样品中的残余气体，测试过程中样品始终与封闭液体接触，它们之间相互作用的大小对实验结果影响很大，所测定密度卫相对值，绝对比容由相对比容和封闭液的比容差得出。而液体介质的体积也会随着温度和压力的变化而变化，本文在得到实验数据后又要进行繁琐的修正计算，增大了不必要的工作量，而在修正计算中引入的液体介质的PVT参数也未必保证准确，那么最终得到的实验样品的PVT参数的准确性，更加无从保证了。 3.1直接加

6、压法和间接加压法的选用 可以通过改善设计方法，提高制造精度，得以防止漏料、进气的情况发生。同时，在样品室内壁进行渗氮处理，反应生成氮化铁和其他各种合金氮化物（特别是氮化铝、氮化铬），这些氮化物具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥撒度，因而可使渗氮处理的钢件具有高的表面硬度、疲劳强度，同时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。 考虑到操作的安全性，而且引入液体介质会造成更多的未知变量，过多的未知因素又会影响实验结果的精确性。所以本次的橡胶PVT测试仪设计，采用直接加压法。3.2实验试样的形状选用图3-1 实验式样的不同形状Fig.3-1 Experimental samples

7、of diffetrent shapes 锥形的底面积较大，在接受等量的压强时，受力更均匀，其尖部横截面面积较小，等体积变化下其高度变化大，在橡胶PVT测试中作为因变量能更好的被监测；但同时，由于锥形试样在受到压力以及温度的影响时，其形状变化复杂，虽然高度测量方便，但体积变化量的计算困难，在后期的数据分析中会带来很多繁杂的计算和修正，这并不利于提高实验测试结果的精确度。 扁环形易于加工，制取试样方便，且能在圆环表面施加较大的压强，扁环形在测试中与加热装置接触面积大，在等量时间内更容易被彻底加热，因此实验的准备阶段较短，操作起来更加的快捷方便；但是，由于扁环形底面积大而高度小，使得它在实验中受到

8、等量压强时高度变化不明显，不便于对压杆位移的测量，局限于位移传感器的精确性，此方案在实际操作中很难达到理想精度。 如图4所示的试样形状，在底部施加均匀的适量压强，其体积表现在端部细管的位移变化，既方便加压，又有利于对体积变化量的测量，容易提高实验精度。但是，如图3-1d所示的试样形状存在其特殊性，加工过程困难，且需要与之配套的试样容腔，同时此形状的橡胶试样在夹装进容腔的过程中，不便于操作，细管端与容腔内壁摩擦较大，阻碍了其形状的变化，也不利于提高实验结果的准确性。故不采用以上三种方案。 相比较而言，细圆柱实验试样（本文在这里称其为毛细管）具备以上方案的多种优点，在受到等量压强时，位移变化量大，

9、由于底面积确定，体积变化量计算方便。同时，细长的结构与加热装置能紧密接触，横截面直径小易于彻底加热，受热更加充分。在装入试样的过程中，只需将料筒中的橡胶进行加热，再通过液压缸挤压入试样室内，就能使试样彻底充满容腔，保证了体积的精确性。在常见的加压设备中，有气压缸（3-2a）、液压缸（3-2b）、电缸（3-2c）、砝码系统（3-2d）等。 气压缸的原理及结构简单，对使用者的要求很低，安装方便易于维护，工作人员不需要太多的知识储备即可完成。输出力较大，其输出力与缸径的平方成正比，一个缸径为50mm的气缸的最大输出力可达5000N。气缸的负载大，可以适应高力矩输出。运动形成快，往返迅速，反应敏捷。气

10、缸能够在高温和低温环境中正常工作，且能防尘防水，适应各种恶劣环境的能力强，特别是在易燃易爆、多尘埃、强磁、辐射和震动环境中工作稳定。 电缸的系统构成十分简单，由于电机通常和缸体集成在一起，再加上控制器与电缆，电缸的整个系统便由这三部分组成，结构简单紧凑。电缸所能停止的工位数目多，且控制精度高，一般电缸有低端和高端之分，低端产品的停止位置有3、5、16、64各等，能充分满足多数设备的要求。电缸的柔韧性强，其控制器可以和PLC直接进行连接，对电机的转速、定位和正反转都能够实现精确控制，在一定程度上说，电缸可以根据需要随意运动。 砝码系统的测量原理是采用零位法进行测量，这保证了施力的精确性，这种系统

11、的结构在原理上更加简单，但体积过大，很难做到结构紧凑，同时砝码配重操作繁琐，又很难使力的施加精确到小数点以后，在绘制PVT关系图中点与点间的距离过大，存在许多测试盲点。在实际操作和保养中，砝码易发生形变，同时面临破损、生锈、电腐蚀的损耗，降低了施力的精度。 液压缸与以上三种系统相比，具有以下优点：液压油缸外形精巧，体型最小可达50cm，但与气缸相比却能承受100MPa的15t的压力。液压缸材质通常采用45号优质碳素钢，具有很高的抗疲劳强度，耐磨损、耐冲击、非磁性等特点，而其自身重量较小方便拆卸与安装。液压缸的工作温度范围是-60200，其寿命很长，正常情况下运行6000小时内不会发生任何故障。

12、液压缸的结构新颖，工作方式多样，通过多种液压元件的配合，可以达到任何想要的运动方案，是一种理想的施力结构。 常见的位移传感器包括电位器式位移传感器(3-3a)、线绕式位移传感器、磁致伸缩位移传感器(3-3b)、超声波传感器、红外线位移传感器(3-3c)。 电位器式位移传感器 和 线绕式位移传感器 对温度敏感，以上三种传感器均能满足橡胶PVT测试仪的要求，但考虑到确保实验精度，同时为控制实验预算，本次设计采用激光位移传感器。 两种温度传感器都是随着温度的变化，引起电学参数的变化，灵敏度都很高，但是电阻式温度传感器一般检测的温度范围是-50150，多用于低温检测，而热电偶式温度传感器一般检测的温度

13、范围是0-2400，多用于高温检测。在橡胶PVT测试仪中，温度的控制在40-100的范围，显然电阻式温度传感器更适合。 直线导轨可分为三种，分别是滚轮直线导轨(图3-6a)，圆柱直线导轨（图3-6b）和圆珠直线导轨（图3-6c）。它是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动的。直线导轨按照摩擦性质又可分为四种，分别是滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨。 直线导轨和直线轴承相比，拥有更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。在橡胶PVT测试仪中，样品室无论是在压料还是设备在进行实验，导轨都要承受来自上方液压缸的压强，又因为橡胶很

14、难被压缩，在实验时最大压力会达到60MPa，所以选用的导轨应能承受住这样大的压力，避免压溃的发生。另外，由于样品室的进料口面积小，压料桶、压杆的端面积也很小，应保证高的对中性，防止漏料或工作位置不匹配，这就需要导轨具备很高的传动精度，并且运行平稳。 滚轮直线导轨由精密轴承和精密导轨组成，可水平安装，可倒挂、悬挂安装，也可垂直安装。滚轮导轨在高粉尘浓度环境下，依然具有长寿命，传动精度可以保证。英国HepcoMotion公司的产品，性能足够满足本次设计的需要。 圆柱直线导轨由于线性滑轨的摩擦方式为滚动摩擦，不仅摩擦系数降低至滑动导引的1/50，动摩擦力与静摩擦力的差距亦变得很小。因此当床台运行时，

15、不会有打滑的现象发生，可达到m级的定位精度。 比较而言，圆柱直线导轨结构简单，可靠性好，体积小，方便节省空间，使设计更加紧凑合理。故本次设计选用圆柱直线导轨。 橡胶由于其自身材料的特性，是很难被压缩的，而橡胶PVT测试仪又是专门检测橡胶的比容（在实验中实际检测的是体积V）随着压强P变化而变化的规律的实验设备。所以在实验进行中，设备将对实验试样施加很大的压力、压强使得体积变化更明显，提高检测的精确度，那么强度校核就显得尤为重要了。 本次设计的强度校核是在Pro/ENGINEER Mechanica中完成的，本文可以利用这款设计软件更好的了解所设计产品的性能，及早看清产品特性、改善检验和认证过程，

16、减低成本、提高产品质量，从而实现对工程进度和预算的控制。4.1压杆组合件的强度校核 在本次设计中，最需要强度校核的元件是与液压缸连接的压杆组合件，如图4-1所示，其作为橡胶PVT测试仪的核心零件之一，主要肩负着传递、施加压强的作用。 压杆组合件的材料设置为钢（steel），其实际与实验试样接触的面积为176.715mm2，而压杆的横截面积为83.221mm2，压杆组合件的总长为107.5mm，实验时，所施加的最大压强为60MPa。4.2 样品室的强度校核 盛放实验试样的样品室容腔横截面积为314.159mm2，容腔高度为45mm，可装实验试样体积为14137.455mm3。在实验试样承受压杆所

17、施加的压强时，会向底面和容器内壁施加一定的压强。橡胶并不会向水或其他液体一样向各个方向大小不变地传递压强，由于弹性、内力等多种原因，随着距施压端距离的增加，样品室受到的压强逐渐减小。 根据查询的资料知，容腔底面受到的压强为55MPa。 在Mechanica中，样品室的强度校核示意图如图5-2所示。5三维造型的研究设计 在外形上考虑了卧式、立式和台式等不同设计形式，考虑到测试设备的精巧要求，满足在运输、使用上方便的需要，最终确定为台式的橡胶PVT测试仪。其外形图如图5-2所示。 仪器的安全门采用折页连接（如图5-3所示），节约空间，结实耐用。根据需要可将安全门中心部分改装成有机玻璃，方便在实验过

18、程中查看运行情况，及时做出判断。图5-3 折页Fig.5-3 folding 仪器采用的加压设备是小型液压缸，根据实验要求，最高可施加60MPa的压强，液压缸是前法兰台型，每个液压缸通过8对M8的螺栓、螺母进行连接，保证了连接的可靠性。 仪器采用四角着地的放置方法，如图5-4所示，四个脚均采用橡胶材料，制成圆台型，在中心轴上打孔，穿M6的螺栓与箱体连接。为了保证实验的精确性，设备仪器应该保持水平放置，在实验台稍不平整的情况下，可依靠调节四角上的螺栓使仪器保持水平。 实验仪器分为两工位，分布方式如图5-5所示，加热装置和样品室由直线导轨运送。左边的压料桶为第一工位，负责将烘软的橡胶压入样品室。另

19、一个工位是整个实验的测试工位，对实验试样进行加压、加热并记录实验试样体积的变化量。 压料桶的施压端(如图5-6所示)和样品室的底端部分（如图5-7所示）有一个相同的设计方案，这些细小的沟槽有利于提高实验的准确性。因为在零件的加工制造过程中，是无法做到百分之百得严丝合缝的。在通过液压缸对橡胶施加很大的压力的时候，漏料现象时有发生。而在漏料发生时，橡胶会通过缝隙，流入这些细小的沟槽中，逐渐形成一圈密封圈，阻止漏料的继续发生。这就提高了实验精度，实验结果更加准确。 在以往的PVT测试仪的使用中，实验结束后的试样清理是很困难的，而在多种多样的聚合物中，橡胶又是一种粘稠度很高，容易粘壁，难以被清理的材料

20、。如果将样品室的容腔设计成盲孔形式，那么后期的清理工作很难进行。而在本次设计中，创造性地将样品室设计成两部分，实验结束后，只需要清理图5-7所示的上顶面和图5-8所示的通孔内壁即可，十分方便。 红外线位移传感器的安装方式如图5-9a所示，红外线位移传感器的几何尺寸是取用市面上已有的产品，工程图如图5-9b所示。本次设计采用两个U型夹具固定，方便调节垂直度，其红外线施放端正对压杆组合件的外伸部分，精确测量压杆的位移变化量并输入计算机。 对样品室进行加热的设备如图5-10a所示，通过图5-10b本文可以清晰的看出该设备采用的是S型通水管的设计，由于橡胶PVT测试仪的实验温度范围是40-10018，

21、故在实际实验过程中可通热水进行加热，通水管内壁可涂防锈漆，不用再做过多的防腐蚀处理。 在图5-4中，本文可以看到在设备的箱体左侧，开出了一个圆孔，目的是整理排放加热装置的进水管、出水管，红外线位移传感器的输出信号线和电源线，以及温度传感器的输出信号线和电源线，同时在箱体背面增加后盖，如图5-13所示，采用折页连接的方式。增加后盖的目的是方便设备的调整和检修，有利于更换水管、热敏电阻等部件。产品参数：橡胶PVT测试仪的研究设计告一段落，在设计的过程中，我受到很多启发。整个设计过程是枯燥但同时充满新鲜感的，因为局限于知识储备和专业素养的不足，在设计过程中走了很多弯路。 一台设备的设计、制造与改良，往往要伴随几代人的辛勤努力。在漫长的学习中，设备的一点技术上的突破对于整个行业都是长足的发展。在材料PVT测试仪还未普及的我国，因为许多细节上的差距，导致整个行业上的落后。这就需要新一代的科研人员、学者共同努力，为我国的科技发展做出应有的贡献。由于国内和国外的材料有很多