轮胎复合材料热膨胀系数测量系统

技术领域

本发明涉及轮胎复合材料热力学性能研究领域，具体涉及一种轮胎复合材料热膨胀系数测量系统。

背景技术

受轮胎材料及受力影响，轮胎在周而复始的行驶过程中会产生大量热量，引发热氧老化、强度降低等问题，且轮胎受热膨胀，会产生额外的应力、应变，进而改变轮胎受力、变形情况，影响轮胎整体性能、加剧轮胎损坏、危害人身安全。因此，研究轮胎材料的热力学性能，尤其是轮胎材料的热膨胀性能显得尤为重要。

热膨胀系数是热膨胀性能的表征，通过在等压条件下材料长度或体积随温度的变化率定量地表征热膨胀性能。依据长度或体积的变化，热膨胀系数分为线膨胀系数与体膨胀系数，其中线膨胀系数常用于分析各向同性材料，体膨胀系数常用于分析各向异性材料。

轮胎材料为复合材料，由各向同性的橡胶与各层按一定角度排列的帘线组成。线膨胀系数即可用于表征橡胶的热膨胀性能，但橡胶在升温过程中，会发生玻璃化转变，因而其热膨胀系数在玻璃化温度前后有明显不同。与橡胶相比，帘线表现出完全不同的材料性能，导致产生的复合材料具有各向异性的热力学行为。因而，体膨胀系数适用于表征含帘线的热膨胀性能。此外，不同的帘线种类、排列方式会对轮胎复合材料的热力学行为产生不同影响，对热膨胀系数测量仪器及试样都有一定的要求。

目前并没有针对轮胎复合材料热膨胀系数的测量装置，无法分析轮胎复合材料的线膨胀系数与体膨胀系数，进而无法准确指导轮胎材料配置，最终影响行车安全。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提供轮胎复合材料热膨胀系数测量系统，其包括：主体；设置于主体内部的加热箱；安装于加热箱侧壁的加热管；设置于加热箱底部的测量台；设置于测量台上的试样；安装于加热箱上的DIC位移测量机构。

所述DIC位移测量机构包括设置于加热箱前部的前DIC位移测量机构与设置于加热箱顶部的后DIC位移测量机构；前DIC位移测量机构与后DIC位移测量机构均安装有图像采集装置；

所述图像采集装置实时采集试样随温度变化的主视视角、俯视视角图像，由此绘制试样的线变化率-温度曲线、体积变化率-温度曲线，并根据线变化率-温度曲线、体积变化率-温度曲线得出试样的线膨胀系数和体膨胀系数。

优选地，所述试样包括橡胶与嵌入橡胶内部并按一定角度、间距排列的帘线，所述帘线种类、排列角度与间距模拟不同种类的真实轮胎的对应部件；所述试样厚度与轮胎的对应部件厚度一致；所述试样在进行热膨胀系数测量前进行了与相对应的轮胎部件硫化条件一致的硫化处理。

优选地，前DIC位移测量机构、DIC位移测量机构，实时采集试样随温度变化的主视视角、俯视视角图像，并对图像进行图像处理与识别，获取试样在不同温度下的线变化值与体变化值，所述线变化值包括试样的长度、宽度、高度的变化值；并根据初始线长度与初始体积计算线变化率与体积变化率，由此绘制试样的线变化率-温度曲线、体积变化率-温度曲线；所述线变化率-温度曲线、体积变化率-温度曲线各点的斜率即为试样的线膨胀系数、体膨胀系数。

优选的方案中，所述加热箱的主视方向上设置有箱门，所述箱门由透明材料制成。

优选地，所述主体上设置有前滑轨、后滑轨，所述前滑轨、后滑轨内均设置有滚轮；所述前DIC位移测量机构与后DIC位移测量机构底部均为滑块，所述滑块分别嵌入前滑轨、后滑轨内，滑块上、下表面与滑轨内的滚轮外表面接触，使得滑块得以在滑轨内滑动。

优选地，滑块中部开设有通孔，连接件插入通孔后与滑块连接；连接件底部正上方开设有长方体开口、底部右侧固定连接有凸型块；

所述滑块开设有与中部的通孔连通的扇形槽，连接件的凸型块设置于所述扇形槽内；扇形槽与连接件的长方体开口对应处安装有电磁阻滞装置，所述电磁阻滞装置包括弹簧和活动铁芯，断电状态下，活动铁芯在弹簧的作用下插入连接件的长方体开口内；通电后，活动铁芯在电磁吸力的作用下收缩，脱离连接件的长方体开口；扇形槽底部为凹字型，其尺寸与连接件的凸型块尺寸相同。

进一步，所述前DIC位移测量机构包括连接件、水平液压缸、竖直液压缸、图像采集装置；所述连接件顶部连接有水平放置的水平液压缸，水平液压缸的活塞杆顶部焊接在垂直的竖直液压缸的缸体上，竖直液压缸的活塞杆顶部固定安装有一个图像采集装置。

进一步，所述前DIC位移测量机构与后DIC位移测量机构的滑块均安装有旋转式自锁结构，所述旋转式自锁结构由螺纹圆柱与旋钮组成，螺纹圆柱插入滑块内部，旋钮位于螺纹圆柱顶部。

进一步，所述后DIC位移测量机构包括与滑块固定连接的、水平放置的支撑板，支撑板顶部焊接液压缸，液压缸包含竖直缸体、活塞杆、水平缸体；其中，所述竖直缸体底部焊接在支撑板顶部，水平缸体端部固定安装一个图像采集装置；活塞杆由竖直杆、直角弯头、水平杆相互焊接而成，竖直杆、水平杆分别与竖直缸体、水平缸体相连。

进一步，所述主体内还设置有底柜，所述底柜外壁安装有控制屏；底柜内部安装有DIC位移测量机构的主机、用于为加热管提供热源的电动机，以及控制装置，所述控制装置通讯连接安装在底柜外壁的控制屏。

本发明所达到的有益效果为：

第一、本发明集成了加热装置、前DIC位移测量机构、后DIC位移测量机构，能够实时采集试样随温度变化的主视视角、俯视视角图像，并对图像进行图像处理与识别，获取试样在不同温度下的线变化值与体变化值，并根据初始线长度与初始体积计算线变化率与体积变化率，由此绘制试样的线变化率-温度曲线、体积变化率-温度曲线；并以此获得试样的线膨胀系数、体膨胀系数，对于准确指导轮胎材料配置具有重要的意义。

第二、本系统的前DIC位移测量机构设计了独特的旋转下降机构与电磁阻滞装置，通过旋转前DIC位移测量机构，可改变其高度，设备的安全性大提高，同时，可以有效避免加热箱箱门开关时，触碰到前DIC位移测量机构。

第三、本系统的试样采用模拟真实轮胎参数的标准试样，通过本系统对试样的分析，能够分析帘线种类、排列方式对轮胎复合材料热膨胀系数的影响，能够更好地指导轮胎结构设计。

第四、本系统结构简单，操作方便，省时省力，数据准确。

附图说明

图1为轮胎复合材料热膨胀系数测量仪的结构示意图；

图2为轮胎复合材料热膨胀系数测量仪的侧视图；

图3为轮胎复合材料热膨胀系数测量仪的前视图；

图4为C型钢滑轨的结构示意图；

图5为前DIC位移测量机构的结构示意图；

图6为前DIC位移测量机构的后视图；

图7为前DIC位移测量机构的侧视图；

图8为后DIC位移测量机构的结构示意图；

图9为测量所用试样的示意图；

图10为试验所得线变化率随温度的变化曲线；

图11分别为试验所得体积变化率随温度的变化曲线。

图中标号：

1、主体；2、加热管；3、试样；4、限位板；5、前滑轨；6、前DIC位移测量机构；7、后DIC位移测量机构；8、后滑轨；9、控制屏；10、测量台；11、底柜；12、右侧板；13、左侧板；14、顶板；15、背板；16、加热箱；161、箱门；31、橡胶；32、帘线；51、圆柱型滚轮；61、水平液压缸；62、竖直液压缸；63、图像采集装置；64、电磁阻滞装置；65、凸型块；66、旋转式自锁结构；67、滑块；68、连接件；71、支撑板；72、竖直缸体；73、活塞杆；74、水平缸体。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。参见图1、2、3、4，本发明提供轮胎复合材料热膨胀系数测量系统，其包括主体1，主体1内部设置有两个腔体，上部为加热箱16，加热箱16侧壁安装加热管2，加热箱16底部设置有测量台10，测量台10上放置试样3，加热管对加热箱16的腔体进行持续加热，加热箱16外侧安装有DIC位移测量机构。加热箱16的主视方向上设置有箱门161，所述箱门161由透明材料制成。

主体1由上部的箱体与下部的底柜11通过中间的测量台10焊接组成，箱体由传热性能差的不透明左侧板13、右侧板12、背板15与透明的顶板14两两垂直地焊接而成；两块相互垂直的镂空碳纤维板组成限位板4，并垂直安装在主体1中部的测量台10上；可发出热源及光照的加热管2固定安装在左侧板13、右侧板12及背板15的内壁上；透明箱门161位于箱体前侧，通过合页固定安装在左侧板13上，箱门尺寸与箱体内腔尺寸一致以保证密封性；底柜11内部固定装有为加热管2提供热源的电动机与微型控制装置，微型控制装置连接安装在底柜11前外壁右侧的控制屏9；底柜11前外壁及背板15外壁的顶部分别固定安装有C型钢前滑轨5与后滑轨8，前滑轨5与后滑轨8内部均装有上下两排圆柱型滚轮51。

所述DIC位移测量系统由分别位于主体1前部与顶部的前DIC位移测量机构6与后DIC位移测量机构7组成，前DIC位移测量机构6与后DIC位移测量机构7底部均为长方体滑块67，滑块67分别嵌入前滑轨5、后滑轨8的C型钢内，滑块67上下表面恰好与滑轨内的滚轮51外表面接触，使得滑块67得以在滑轨内滑动。前DIC位移测量机构6与后DIC位移测量机构7均安装有图像采集装置63。

所述主体1上设置有前滑轨5、后滑轨8，所述前滑轨5、后滑轨8内均设置有滚轮；所述前DIC位移测量机构6与后DIC位移测量机构7底部均为滑块67，所述滑块67分别嵌入前滑轨5、后滑轨8内，滑块67上、下表面与滑轨内的滚轮外表面接触，使得滑块67得以在滑轨内滑动。

参见图5、6、7，滑块67中部开设有通孔，连接件68插入通孔后与滑块67连接；连接件68底部正上方开设有长方体开口、底部右侧固定连接有凸型块65；所述滑块67开设有与中部的通孔连通的扇形槽，连接件68的凸型块65设置于所述扇形槽内；扇形槽与连接件68的长方体开口对应处安装有电磁阻滞装置64，所述电磁阻滞装置64包括弹簧和活动铁芯，断电状态下，活动铁芯在弹簧的作用下插入连接件68的长方体开口内；通电后，活动铁芯在电磁吸力的作用下收缩，脱离连接件68的长方体开口；扇形槽底部为凹字型，其尺寸与连接件68的凸型块65尺寸相同。

所述前DIC位移测量机构6包括连接件68、水平液压缸61、竖直液压缸62、图像采集装置63；所述连接件68顶部连接有水平放置的水平液压缸61，水平液压缸61的活塞杆73顶部焊接在垂直的竖直液压缸62的缸体上，竖直液压缸62的活塞杆73顶部固定安装有一个图像采集装置63。

此外，所述前DIC位移测量机构6与后DIC位移测量机构7的滑块67均可选择安装有旋转式自锁结构66，所述旋转式自锁结构66由螺纹圆柱与旋钮组成，螺纹圆柱插入滑块67内部，旋钮位于螺纹圆柱顶部。

所述连接件68顶部焊接水平放置的水平液压缸61，水平液压缸61的活塞杆顶部焊接在垂直的竖直液压缸62的缸体上，竖直液压缸62的活塞杆顶部固定安装有一个图像采集装置63，摄像头63朝向试样前部。优选地，所述试样3包括橡胶31与嵌入橡胶31内部并按一定角度、间距排列的帘线32，所述帘线32种类、排列角度与间距模拟不同种类的真实轮胎的对应部件；所述试样3厚度与轮胎的对应部件厚度一致；所述试样3在进行热膨胀系数测量前进行了与相对应的轮胎部件硫化条件一致的硫化处理。

参见图8，所述后DIC位移测量机构7底部的滑块65焊接水平放置的支撑板71，支撑板71顶部焊接液压缸，液压缸包含竖直缸体72、活塞杆73、水平缸体74等部件。其中，竖直缸体底部72焊接在支撑板71顶部，水平缸体74端部固定安装一个图像采集装置63，摄像头63朝向试样顶部；活塞杆73由竖直杆、直角弯头、水平杆相互焊接而成，竖直杆、水平杆分别与竖直缸体72、水平缸体74相连。

所述主体1内还设置有底柜11，所述底柜11外壁安装有控制屏9；底柜11内部安装有DIC位移测量机构的主机、用于为加热管2提供热源的电动机，以及控制装置，所述控制装置与电动机、电磁阻滞装置以及安装在底柜11外壁的控制屏9通讯连接，用户可通过控制屏9对加热箱的温度进行调控，并通过控制装置控制电磁阻滞装置的动作执行，DIC位移测量机构也设置有与控制装置连接的驱动机构，调整DIC位移测量机构的图像采集装置的位置，确保采集到清晰的试样的图像。

实施例1：

本实施例中，轮胎复合材料热膨胀系数测量系统的测量过程如下：测量开始前，将散斑喷涂在试样3的前部和顶部。打开主体1的透明箱门，开启箱门的瞬间，控制装置发出指令，前DIC位移测量机构6的电磁阻滞装置64通电，原先插入连接件68内的活动铁芯弹出，随后连接件68在凸型块65的重力带动下旋转直至凸型块65插入滑块67的扇形孔洞底部，以避免箱门触碰到前DIC位移测量机构6。

开启箱门161后，将试样3紧贴限位板4、水平放置在测量台10上，并保证试样3喷涂散斑的前部、顶部分别朝向前DIC位移测量机构6和后DIC位移测量机构7的摄像头63，拨正前DIC位移测量机构6使得电磁阻滞装置64的活动铁芯插入连接件68内，使前DIC位移测量机构6保持竖直状态。移动前DIC位移测量机构6和后DIC位移测量机构7的滑块67，使得两个图像采集装置63能够正对试样3，并旋转自锁结构66的旋钮，使得螺纹圆柱旋转顶出接触C型钢滑轨以固定滑块67。通过调节液压缸活塞杆的位置，调节试样3在摄像头63内的成像以保证成像清晰。通过控制屏9设置好温度与升温速率，即可关闭箱门161开始测量。

DIC位移测量系统实时记录并处理试样3的长度及体积随温度的变化率，直至测量结束。具体过程包括，前DIC位移测量机构6、DIC位移测量机构，实时采集试样3随温度变化的主视视角、俯视视角图像，并对图像进行图像处理与识别，获取试样3在不同温度下的线变化值与体变化值，所述线变化值包括试样3的长度、宽度、高度的变化值；并根据初始线长度与初始体积计算线变化率与体积变化率，由此绘制试样3的线变化率-温度曲线如图10所示、绘制体积变化率-温度曲线如图11所示。在图10线变化率-温度曲线、图11体积变化率-温度曲线中，各点的斜率即为试样3在该温度下的线膨胀系数、体膨胀系数。

测量完成后，前DIC位移测量机构6的电磁阻滞装置64通电，原先插入连接件68内的活动铁芯弹出，随后连接件68在凸型块65的重力带动下旋转直至凸型块65插入滑块67的扇形孔洞底部，打开箱门161，取出试样并关闭箱门161。

以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。