張敏霞，董 平，章孟輝

(浙江三花制冷集團有限公司 計量測試中心, 浙江 新昌 312500)

GB/T 7759國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了橡膠試塊的測試方法[1-2]，而實際空調(diào)、冷凍冷藏等系統(tǒng)中的閥門部件，使用的都是橡膠制品—密封圈. 因此，建立一套直接對密封圈進(jìn)行質(zhì)量控制和評價的方法是非常有意義的(特別是進(jìn)行新品開發(fā)時). 為此，本試驗室曾經(jīng)參考GB/T 7759標(biāo)準(zhǔn)中裝置原理，設(shè)計制作了一套手動式密封圈評價裝置. 但該裝置測試效率低、勞動強度大、測試誤差大的問題一直沒有得到徹底解決.

壓縮永久變形是評價橡膠材料的主要方式之一，據(jù)了解目前國內(nèi)各橡膠材料試驗室均沿用老式評價裝置和試驗方法[3-4]，對試驗裝置和方法研究改進(jìn)的相對較少. 本文主要圍繞試驗裝置和方法的改善，通過與光學(xué)、環(huán)境專家研討，引入非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)，改進(jìn)了低溫壓縮永久變形的測量裝置. 裝置利用光學(xué)投影系統(tǒng)測量、傳輸并自動生成數(shù)據(jù)，通過重復(fù)性和比對驗證，其準(zhǔn)確可靠，達(dá)到了提高測量效率和實用價值的效果.

據(jù)考證，非接觸式低溫壓縮永久變形測量方法的研究報道在國內(nèi)屬首次[5].

1 試驗部分

1.1 測量系統(tǒng)組成及主要特點

測量系統(tǒng)主要由低溫箱體、機械壓縮裝置、非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)三大部分組成，如圖1所示.

圖1 測量系統(tǒng)裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of measurement system(1)背光源,(2)低溫箱體,(3)支架,(4)試樣,(5)視覺相機,(6)計算機.

測量系統(tǒng)的主要特點：(1)過程可操作性強. 低溫箱體設(shè)計了可視窗和帶手套的操作手孔，可以在低溫密閉環(huán)境中保壓、釋壓、移動密封圈. 通過先進(jìn)的非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)軟件自動測試并生成數(shù)據(jù)(每一個高度值都是通過測量和處理大量數(shù)據(jù)后自動給出，移動密封圈位置即可給出不同位置高度值)，比國標(biāo)用機械式測厚儀操作更方便、簡單和全面.

(2)提高測試精度. 利用非接觸式光學(xué)投影方法測量，每次均能準(zhǔn)確定位最高點位置，使試驗前后兩次測量更加具有一致性和可比性. 通過快速測量不同密封圈位置取平均值的方式，得出更科學(xué)的密封圈高度，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性，遠(yuǎn)比用機械式測厚儀來測量密封圈的高度偏差小.

(3)測試效率提高. 測試系統(tǒng)如需要一次性測試多個密封圈樣品，利用非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)測試只需簡單的更換樣品、移動樣品就能完成，很大程度上提高了工作效率，比國標(biāo)手動方法每次只能測試1個樣品效率提高很多.

(4)設(shè)備通用性強. 箱體結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)測試原理重新設(shè)計，壓縮工裝可以移動，非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)為外置不占用低溫箱空間. 該系統(tǒng)不僅可用于測試密封圈低溫壓縮永久變形，而且可用于測試高分子材料、顆粒物等樣品的變形特性，放寬了樣品尺寸要求，實現(xiàn)了一套系統(tǒng)多用途化測試.

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗前準(zhǔn)備

開啟測量系統(tǒng)，在常溫下測量密封圈的高度，需測量3個位置高度取平均值，記錄數(shù)據(jù)h0. 將測量系統(tǒng)低溫箱開至規(guī)定的試驗溫度并穩(wěn)定. 根據(jù)壓縮率為25%的計算公式，由h0計算出限制器高度hs. 將已測量高度的密封圈裝入壓縮裝置中，在壓縮裝置上做好相應(yīng)標(biāo)識，用來識別密封圈序號. 將上述裝好密封圈的壓縮裝置立即放入已穩(wěn)定的低溫箱中，放置時間為72 h.

1.2.2 測量過程

預(yù)先開啟測量系統(tǒng). 達(dá)到試驗時間后，釋放壓縮裝置，在低溫環(huán)境中保持釋放時間為30±3 min. 30 min后將密封圈放置在固定裝置上測量密封圈高度. 需測量3個位置高度取平均值，記錄數(shù)據(jù)h1. 利用計算公式(h0-h1)÷(h0-hs)×100%計算出結(jié)果. 其中，h0為樣品初始高度(mm)，h1為樣品恢復(fù)后的高度(mm)，hs為限制器的高度(mm)，計算結(jié)果精確到1%.

1.2.3 注意事項

上緊壓縮裝置需注意上下兩塊裝置不得出現(xiàn)移動現(xiàn)象，以免密封圈出現(xiàn)扭曲變形現(xiàn)象，而引入測量誤差. 釋放壓縮裝置及測量過程中，不得用手觸碰樣品，不得使樣品暴露在常溫空氣中.

2 結(jié)果與討論

表1和表2分別為A、B、C 3位人員的測試結(jié)果，每位人員分別對非接觸式、接觸式兩種試驗方法進(jìn)行3次試驗比對. 從測量系統(tǒng)變差(GRR)結(jié)果表明非接觸式測量系統(tǒng)是可接受的，接觸式測量系統(tǒng)則需改進(jìn).

非接觸式[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)

根據(jù)誤差低于10%判定準(zhǔn)則，該測量系統(tǒng)可接受.

接觸式(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)

根據(jù)誤差超過30%判定準(zhǔn)則，該測量系統(tǒng)需改進(jìn).

式(1)、(2)中：Ev-設(shè)備變差；Av-評價人變差；

表1 非接觸式-可重復(fù)性與再現(xiàn)性分析數(shù)據(jù)表Table 1 Untouchable type-repeatability and reproducibility analysis data table

表2 接觸式-可重復(fù)性與再現(xiàn)性分析數(shù)據(jù)表Table 2 Touchable type-repeatability and reproducibility analysis data table

Rbar-所有人極差均值；Rabar-a人員極差均值；Rbbar-b人員極差均值；Rcbar-c人員極差均值；K1-查常數(shù)(如表3所列)；K2-查常數(shù)(如表4所列)；n-樣品數(shù)；y-試驗次數(shù)；Xbardiff-評價人均值的最大差異；GRR-測量系統(tǒng)變差.

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 試驗次數(shù)Table 3 Number of tests

表4 評價人數(shù)Table 4 Number of appraisers

說明：(1)以上比對樣品高度經(jīng)過篩選(篩選后樣品實際尺寸為1.89～1.91 mm)，且所有樣品均為同一廠家，同一型號；(2)因為低溫壓縮永久變形后樣品不能回彈至初始狀態(tài)，所以“Ev、Av”分析時考慮通過增加樣品數(shù)量來代替試驗次數(shù)“y”(1組10個樣品作為1次)，同時樣品數(shù)量“n”仍按10只計算[6].

3 結(jié)論

本文開發(fā)了非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng). 利用該系統(tǒng)替代了傳統(tǒng)的機械式測厚儀測量方法，顛覆了傳統(tǒng)意義上的手動操作，利用非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)測量，每次均能準(zhǔn)確定位最高點位置，使試驗前后兩次測量更加具有一致性和可比性，更能突出非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)重復(fù)性和再現(xiàn)性，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的機械式測厚儀測量. 同時在測試效率和實用價值方面，非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)也有了很大突破，可以對同一個點讀取大量的數(shù)據(jù)來保證數(shù)據(jù)的正確性，而機械式測厚儀測試同一個點時無法保證每次測試數(shù)據(jù)一致性，也不能保證每次均測試在同一個點上，這就是非接觸式光學(xué)測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機械式測厚儀測量差別.

本文意在倡導(dǎo)設(shè)計新的產(chǎn)品要求時，應(yīng)該選擇相關(guān)性更強、重復(fù)性與再現(xiàn)性更好的項目，選擇與產(chǎn)品功能聯(lián)系更多的測量方法，同時不斷更新研究低成本、高效率的測量方法.