本发明提供一种O形圈储能模量和损耗模量试验系统，其包括控制装置、电动装置、力学传感器、位移传感器、第一周期应力施加装置、第二周期应力施加装置、O形圈夹具和固定装置，控制装置分别与电动装置、力学传感器和位移传感器通讯连接，电动装置的输出端连接第一周期应力施加装置和第二周期应力施加装置的输入端，控制装置控制电动装置的动作并接收力学传感器和位移传感器的测量数据。本发明还提供一种确定O形圈储能模量和损耗模量的方法，能够测量O形圈储能模量和损耗模量。本发明在老化/寿命试验过程中，为测量胶圈的模量，不需要对胶圈进行裁剪，不会导致密封圈破损，从而不会改变密封圈的力学属性。
1.一种基于O形圈储能模量和损耗模量的试验系统测量O形圈储能模量和损耗模量的方法，其特征在于：所述试验系统包括控制装置、电动装置、力学传感器、位移传感器、第一周期应力施加装置、第二周期应力施加装置、O形圈夹具和固定装置，所述控制装置分别与所述电动装置、力学传感器和位移传感器通讯连接，所述电动装置的输出端连接所述第一周期应力施加装置和第二周期应力施加装置的输入端，所述控制装置控制所述电动装置的动作并接收所述力学传感器和位移传感器的测量数据，所述O形圈夹具包括第一夹具和第二夹具，所述固定装置包括第一紧固件和第二紧固件，所述第一夹具设置在O形圈的上表面，所述第一夹具借助于第一紧固件与所述第一周期应力施加装置连接，所述第二夹具设置在O形圈的下表面，所述第二夹具借助于第二紧固件与所述第二周期应力施加装置连接，第一周期应力施加装置、第二周期应力施加装置的内部分别设置有一个力学传感器和一个位移传感器；
基于所述的试验系统测量O形圈储能模量和损耗模量的方法，其包括以下步骤：S1、利用O形圈储能模量和损耗模量的试验系统挤压O形圈，使O形圈的压缩量为25％，并记录O形圈与第一夹具的接触面的位置为原点，其中，所述压缩量为O形圈的横截面直径上的位移除以O形圈的直径；
S2、以原点为中心，设置O形圈的上位移量和下位移量均为0.15mm，在一定频率范围内选取一个频率周期循环挤压O形圈，在该频率范围内进行正交振荡，同时利用力学传感器和位移传感器记录力和位移的响应数据，以时间为横坐标、力和位移为纵坐标绘制力、位移与时间的关系图，获得中位力和中位移时间之间的相位角 ；之后在该频率范围内选取其余频率，重复上述步骤，所述一定频率范围为1Hz至60Hz频率；
S3、试验过程中测量对应的最大力 和最小力 ，根据试验过程中的接触面积、应变与压缩量来计算储能模量和耗损模量，储存模量G´、损耗模量G"及中间参量的计算公式如下：
式中， 为有效模量；为中位力和中位移时间之间的相位角； 为试验过程中的最大力； 为试验过程中的最小力；D是O形圈的最大直径，由O形圈测量得到； 为面积比；
为峰‑峰挤压缩量，由试验设备直接读取； 是接触面积；d是O形圈的最小直径。
2.根据权利要求1所述的基于O形圈储能模量和损耗模量的试验系统测量O形圈储能模量和损耗模量的方法，其特征在于：所述第一夹具和第二夹具分别包括一个杆状连接件和一个圆盘状结构，所述杆状连接件插入一个周期应力施加装置内部并借助于一个紧固件进行固定，所述圆盘状结构分别接触O形圈的一个端面。
3.根据权利要求1所述的基于O形圈储能模量和损耗模量的试验系统测量O形圈储能模量和损耗模量的方法，其特征在于：所述控制装置设置有液晶显示屏，所述液晶显示屏用于显示力学传感器和位移传感器的测量数据。
4.根据权利要求1所述的基于O形圈储能模量和损耗模量的试验系统测量O形圈储能模量和损耗模量的方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：S11、将O形圈放置在第二夹具的接触面上；
S12、控制装置借助于电动装置控制第一周期应力施加装置下行，至第一夹具的接触面刚好接触到O形圈的上表面，记录第一夹具的接触面的位置；
S13、继续控制第一周期应力施加装置下行，至接触面下行位移为0.75mm，实现O形圈被压缩25％，以该位置记为原点。
5.根据权利要求1所述的基于O形圈储能模量和损耗模量的试验系统测量O形圈储能模量和损耗模量的方法，其特征在于：步骤S2中试验中选取的频率为1Hz、10Hz、20Hz、30Hz、
一种O形圈储能模量和损耗模量的试验系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及弹性体模量测量领域，具体地涉及一种O形圈储能模量和损耗模量的试验系统及方法。
背景技术
[0002] O形圈被广泛用于机载密封装置中，基于O形圈的机械密封性能取决了3方面，其一，密封结构形式；其二，装配后的O形圈形变量；其三，O形圈的力学特性。机械密封性能的
评估需要上述3类参数，其中密封结构形式和O形圈形变量可通过对密封结构的参量直接获
得，但是，O形圈的力学特性目前没有直接测量方法，只有间接方法，即以材料的力学特性替
代O形圈的力学特性。
[0003] 材料粘弹性分为两个模量：一个储存模量G′，G′与试样在每周期中贮存的最大弹性成正比，反映材料粘弹性中的弹性成分，表征材料的刚度；其二是损耗模量G"，G"与试样
在每周期中以热的形式消耗的能量成正比，反映材料粘弹性中的粘性部分，表示材料的阻
尼。材料在每周期中损耗的能量与最大弹性贮能之比，等于材料的损耗模量G"与贮能模量
G′之比，用tanδ表示。动态热机械分析(DMA)仪可测出标准材料样件的G′，G"和相位角tanδ。
DMA基本原理为：对样品施加一个可变振幅的正弦交变应力时，将产生一个预选振幅的正弦
应变，对粘弹性样品的应变会相应滞后一定的相位角δ，如图1所示。
[0004] 目前，O形圈的储存模量G′和损耗模量G"测量方法缺乏，只有材料级的储存模量G′和损耗模量G"测试方法，O形圈级的力学特性测量存在以下技术问题：
[0005] DMA仪器测试样件体积小，相对DMA的试样而言，O形圈体积大，不符合DMA夹具要求；
[0006] DMA仪器测试对试样的形状有固定要求，一般为长方形、或哑铃形、或为圆豆形，为了制作标准样件，必须裁剪O形圈，裁剪后密封圈的属性会受到一定程度上的破坏。
[0007] 以材料级的力学特性(储存模量G′和损耗模量G")替代O形圈的力学特性，会存在以下问题。
[0008] O形圈装配后，随服役环境和工作载荷的施加，发生复杂的时边效应，如老化、变硬等，力学特性发生改变。实验室模拟O形圈力学特性随环境、载荷的时间变化时间，需要在不
同时段对O形圈的力学特性进行测量，尽管可以安排材料级的试验随同O形圈一起试验，但
是标准尺寸的材料试样也难于模拟工作载荷(如轴状挤压等)。
[0009] 外场抽样检测中，需要对O形圈的力学特性进行测量，以评估总体的密封性能情况，此时，材料由于没有产品的履历经历，其力学特性数据也仅仅只能代表O形圈装配使用
之前的状态，不能说明O形圈装配使用之后的情况。
发明内容
[0010] 为了解决上述现有技术的不足，本发明通过循环平行板挤压试验来获得O形圈的储能模量和耗损模量，在O形圈上施加一定频率的挤压，使O形圈在一定范围内振荡，测量
力—位移的响应数据，对力—位移的相应曲线进行处理，即可获得O形圈的储能模量和耗损
模量。
[0011] 具体地，本发明提供一种O形圈储能模量和损耗模量的试验系统，其包括控制装置、电动装置、力学传感器、位移传感器、第一周期应力施加装置、第二周期应力施加装置、O
形圈夹具和固定装置，所述控制装置分别与所述电动装置、力学传感器和位移传感器通讯
连接，所述电动装置的输出端连接所述第一周期应力施加装置和第二周期应力施加装置的
输入端，所述控制装置控制所述电动装置的动作并接收所述力学传感器和位移传感器的测
量数据，
[0012] 所述O形圈夹具包括第一夹具和第二夹具，所述固定装置包括第一紧固件和第二紧固件，所述第一夹具设置在O形圈的上表面，所述第一夹具借助于第一紧固件与所述第一
周期应力施加装置连接，所述第二夹具设置在O形圈的下表面，所述第二夹具借助于第二紧
固件与所述第二周期应力施加装置连接，第一周期应力施加装置、第二周期应力施加装置
的内部分别设置有一个力学传感器和一个位移传感器。
[0013] 优选地，所述第一夹具和第二夹具分别包括一个杆状连接件和一个圆盘状结构，所述杆状连接件插入一个周期应力施加装置内部并借助于一个紧固件进行固定，所述圆盘
状结构分别接触O形圈的一个端面。
[0014] 优选地，所述控制装置设置有液晶显示屏，所述液晶显示屏用于显示力学传感器和位移传感器的测量数据。
[0015] 本发明还提供一种O形圈储能模量和损耗模量的测量方法，其包括以下步骤：
[0016] S1、利用O形圈循环平行板挤压试验系统挤压O形圈，使O形圈的压缩量为25％，并记录O形圈与第一夹具的接触面的位置为原点，其中，所述压缩量为O形圈的横截面直径上
的位移除以O形圈的直径；
[0017] S2、以原点为中心，设置O形圈的上下位移量均为0.15mm，在一定频率范围内选取一个频率周期循环挤压O形圈，在该频率范围内进行正弦振荡，同时利用力学传感器和位移
传感器记录力和位移的响应数据，以时间为横坐标、力和位移为纵坐标绘制力、位移与时间
的关系图，从而获得中位力和中位移时间之间的相位角δ；之后在该频率范围内选取其余频
率，重复上述步骤，所述一定频率范围为1Hz至60Hz频率；
[0018] S3、试验过程中测量对应的最大力Fmax和最小力Fmin，根据试验过程中的接触面积、应变与压缩量来计算储能模量和耗损模量，储存模量G′、损耗模量G"及中间参量的计算公
式如下：
[0019] G′＝G*cos δ (1)
[0020] G″=G*sin δ (2)
[0021]
[0022]
[0023] εp‑p＝εmax‑εmin (5)
[0024] tan δ＝G′/G″ (6)
[0025] 式中，G*为有效模量；δ为中位力和中位移时间之间的相位角；Fmax为试验过程中的最大力；Fmin为试验过程中的最小力；D是O形圈的最大直径，由O形圈测量得到；AR为面积比；
εp‑p为峰‑峰挤压缩量，由试验设备直接读取；f为正弦交变频率；Ac是接触面积；d是O形圈壁
的截面直径。
[0026] 优选地，步骤S1具体包括以下步骤：
[0027] S11、将O形圈放置在第二夹具的接触面上；
[0028] S12、控制装置借助于电动装置控制第一周期应力施加装置下行，至第一夹具的接触面刚好接触到O形圈的上表面，记录第一夹具的接触面的位置；
[0029] S13、继续控制第一周期应力施加装置下行，至接触面下行位移为0.75mm，实现O形圈被压缩25％，以该位置记为原点。
[0030] 优选地，步骤S2中试验中选取的频率为1Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz。
[0031] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0032] 1、本发明实现了胶圈级的模量测量，而不是材料级别的模量测量。
[0033] 2、本发明在老化/寿命试验过程中，为测量胶圈的模量，不需要对胶圈进行裁剪，不会导致密封圈破损，从而不会改变密封圈的力学属性。
[0034] 3、本发明在老化/寿命试验过程中，为获得密封件模量参数值，不需要增加材料级试样，避免陪试件参数引入的试验误差。
[0035] 4、本发明基于O形圈的模量评估密封性能的准确度，远远高于基于材料模量评估机械密封性能的结果。
附图说明
[0036] 图1是现有技术的粘弹性样品的正弦应变的结构示意图；
[0037] 图2为本发明的挤压试验系统的结构示意图；
[0038] 图3为本发明的O形圈平行板周期挤压下的力、位移与时间的关系图；以及
[0039] 图4为本发明的O形圈的截面示意图。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图以及具体实施例对本发明的结构及工作原理做进一步解释：
[0041] 优选地，本发明提供一种O形圈循环平行板挤压试验系统，如图2所示，其包括控制装置12、电动装置11、力学传感器9、位移传感器10、第一周期应力施加装置7、第二周期应力
施加装置8、O形圈夹具和固定装置，控制装置12分别与电动装置11、力学传感器9和位移传
感器10通讯连接，电动装置11的输出端连接第一周期应力施加装置7和第二周期应力施加
装置8的输入端，控制装置12控制电动装置11的动作并接收力学传感器9和位移传感器10的
测量数据。控制装置12设置有液晶显示屏，液晶显示屏能够显示力学传感器9和位移传感器
10的测量数据。
[0042] O形圈夹具包括第一夹具1和第二夹具2，固定装置包括第一紧固件5和第二紧固件6。第一夹具1设置在O形圈的上表面，第一夹具1借助于第一紧固件5与第一周期应力施加装
置7连接，第二夹具2设置在O形圈的下表面，第二夹具2借助于第二紧固件6与第二周期应力
施加装置8连接，第一周期应力施加装置7、第二周期应力施加装置8的内部分别设置有一个
力学传感器9和一个位移传感器10。
[0043] 优选地，第一夹具1和第二夹具2分别包括一个杆状连接件和一个圆盘状结构，杆状连接件插入一个周期应力施加装置内部并借助于一个紧固件进行固定，圆盘状结构分别
接触O形圈的一个端面，圆盘状结构的外表面为与O形圈100的接触面。第一夹具的下表面为
接触面3，第二夹具的下表面为接触面4。
[0044] 具体地，本发明提供一种O形圈储能模量和损耗模量的测量方法，其包括以下步骤：
[0045] S1、利用平行板挤压O形圈，O形圈的压缩量的范围为25％，其中，压缩量为O形圈的横截面直径上的位移除以直径；
[0046] S2、在一定频率范围内选取一个频率周期循环挤压O形圈，在20％‑30％直接进行正交振荡，同时记录力位移的响应数据，并绘制力‑位移响应图；之后在该频率范围内选取
其余频率，重复上述步骤，一定频率范围为1Hz至60Hz频率；
[0047] S3、试验过程中测量对应的最大力Fmax和最小力Fmin，根据试验过程中的接触面积、应变与压缩量来计算储能模量和耗损模量，储存模量G′、损耗模量G"及中间参量的计算公
式如下：
[0048] G′＝G*cos δ (1)
[0049] G″=G*sin δ (2)
[0050]
[0051]
[0052] εp‑p＝εmax‑εmin (5)
[0053] tan δ＝G′/G″ (6)
[0054] 式中，G*为有效模量；δ为中位力和中位移时间之间的相位角；Fmax为试验过程中的最大力；Fmin为试验过程中的最小力；D是O形圈的最大直径，由O形圈测量得到；AR为面积比；
εp‑p为峰‑峰挤压缩量，由试验设备直接读取；f为正弦交变频率；Ac是接触面积；d是O形圈壁
的截面直径。图4示出了O形圈的尺寸示意。
[0055] 优选地，步骤S2中试验的一定频率为1Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz。
[0056] 具体实施例
[0057] 以某型O形圈的储能模量和耗损模量测量为例进行详细说明。
[0058] 1.某型O形圈信息如表1所示。
[0059] 表1 O型橡胶密封圈试件及试验信息
[0060]
[0061] 2.测量前准备
[0062] 1)将O形圈放置在第二夹具2的接触面3上。
[0063] 2)控制装置借助于电动装置控制第一周期应力施加装置7下行，至第一夹具的接触面2刚好接触到O形圈的上表面，但是还没有形成作用力，记录第一夹具的接触面3的位
置。
[0064] 3)继续控制第一周期应力施加装置7下行，至接触面3下行0.75mm，实现O形圈被压缩25％，以该位置记为原点。
[0065] 3.测量实施
[0066] 1)以原点为中心，设置上下位移量为0.15mm；
[0067] 2)依次以1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、40Hz、60Hz的正交频率开展对O形圈进行周期挤压；
[0068] 3)分别记录各频率下的力‑位移响应值，绘制力‑位移响应图，如附图3所示，获得中位力和中位移时间之间的相位角δ。
[0069] 4.数据处理‑储能模量和耗损模量
[0070] 依据公式(1)‑(6)可计算出储能模量和耗损模量，计算结果详见表2。
[0071] 表2 储能模量、耗损模量及中间量的计算结果
[0072]
[0073]
[0074] 以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0075] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案
做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
