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彈性元件生產(chǎn)完成后，由于加工成型過程中會不同程度地在材料內(nèi)部以及結(jié)構(gòu)的特殊位置產(chǎn)生應(yīng)力，使得彈性元件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，持久壓縮試驗(yàn)就是消除彈性元件這種不穩(wěn)定狀態(tài)的試驗(yàn)。

針對彈性元件使用狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計了專用工裝對元件進(jìn)行加載、保載試驗(yàn)。每件元件由14.5mm 壓縮到11.0mm，保載24h，檢測其殘余變形變化情況。考慮到工件高度公差，利用百分表控制彈性元件的變形量，確保每件彈性元件均從14.5mm壓縮到11.0mm。試驗(yàn)示意圖如圖2所示。通過多個批次生產(chǎn)試驗(yàn)證明該試驗(yàn)裝置和方法能徹底消除彈性元件的殘余應(yīng)力，從而獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)件。

圖2 彈性元件持久壓縮試驗(yàn)示意圖

工作壓力測試是評價彈性元件分別壓縮變形3.0mm和3.5mm時的工作負(fù)荷。由于設(shè)計輸入中沒有明確規(guī)定壓縮變形的加載位置，加載位置可以是圖1中A位置所在平面，也可以是B位置所在平臺。為此設(shè)計了專用工裝，采用兩種測試狀態(tài)對彈性元件的工作壓力進(jìn)行測試，即一種加載位置在A處，另一種加載位置在B處，如圖3和圖4所示。

圖3 彈性元件工作壓力測試示意圖(A 處加載)

圖4 彈性元件工作壓力測試示意圖(B處加載)

在圖4中，由于彈性元件B處結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，且與壓蓋之間存在一定的配合公差，因此壓蓋每次放置位置會存在一定的偏差，這將造成測試結(jié)果存在一定的分散性。為次，在工裝中采用定位環(huán)粗定位、定心環(huán)精定位的方式將彈性元件的結(jié)構(gòu)中心與試驗(yàn)機(jī)上下壓盤中心同軸，使得壓蓋每次均壓在同一位置，確保了測試結(jié)果穩(wěn)定且重復(fù)性好。

采用經(jīng)過持久壓縮試驗(yàn)且結(jié)構(gòu)和剛性穩(wěn)定的彈性元件在兩種狀態(tài)下各進(jìn)行10次測試，結(jié)果見表1。

表1 A和B兩處位置加載工作壓力測試結(jié)果

從表1可知：無論是F3.0還是F3.5，在A處加載所獲得的工作壓力均比在B處加載時的小，其中F3.0平均值小10N，F(xiàn)3.5平均值小12N；另外，在B處加載測試結(jié)果的分散性明顯高于在A處加載測試結(jié)果的。

彈性元件加載變形過程中的力學(xué)模式可理解為梁在簡單荷載單獨(dú)作用下的變形，如圖5所示。

圖5 彈性元件測試過程中的力學(xué)模式

因此存在如下關(guān)系式

式中：H1為彈性元件在B處加載過程的撓度，即壓縮變形量；H2為彈性元件在A處加載過程的撓度，即壓縮變形量；F1為彈性元件在B處加載過程中的力值；F2為彈性元件在A處加載過程中的力值；L1彈性元件在B處加載過程中的變形力臂；L2為彈性元件在A處加載過程中的變形力臂；E·I為彈性元件材料彈性模量與中軸慣性力矩的乘積，為常量。由于彈性元件在A和B兩處加載其最終的變形量都是3.0mm或3.5mm，即有H1＝H2，因此通過式(1)和式(2)可得

從式(3)可知，彈性元件在A處和B處垂直加載變形到3.0mm和3.5mm的過程中，力值與變形力臂的三次方成反比關(guān)系，雖然從A位置到B位置僅有不到2mm的垂直距離，但由于三次方的關(guān)系，所以力值變化較大，這就是兩處加載測試結(jié)果相差一定力值的原因。

綜合考慮產(chǎn)品實(shí)際裝配狀態(tài)以及彈性元件在產(chǎn)品系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，且為了真實(shí)反映彈性元件在實(shí)際服役狀態(tài)下的受力情況，確定以在B位置加載方式來表征彈性元件的力學(xué)性能。

要測試彈性元件壓縮變形3.0mm和3.5mm時的工作壓力，首先必須確定變形量的零位值，即測試工裝的上壓板與彈性元件的接觸位置，見圖4。

采用同一件彈性元件，分別在6種預(yù)加載狀態(tài)下，測試彈性元件壓縮變形3.0mm和3.5mm時的工作壓力，每種狀態(tài)測試5組數(shù)據(jù)，以它們的平均值來分析變化規(guī)律，結(jié)果見圖6。

圖6 預(yù)加載荷對F3.0和F3.5的影響

分析圖6兩條趨勢線可知，隨著預(yù)加載荷的加大，所獲得的F3.0和F3.5的值也在增加，但是這種變化趨勢在預(yù)加載荷為2N時產(chǎn)生了一個拐點(diǎn)。結(jié)合預(yù)加載荷目的以及試驗(yàn)分析結(jié)果，彈性元件壓縮變形3.0mm和5mm測試時的預(yù)加載荷定為2N較為合理。

采用美國instrun3366型彈性元件試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)狀態(tài)見圖4。固定其他參數(shù)，彈性元件分別在0.5，1，2，4，8，16mm·min－1加載速度下測試壓縮變形3.0mm和3.5mm時的工作壓力F3.0和F3.5。采用每種狀態(tài)5組數(shù)據(jù)的平均值來統(tǒng)計分析其變化規(guī)律，結(jié)果見圖7。

圖7 加載速度對F3.0和F3.5的影響

從圖7可知，在一定速度范圍內(nèi)彈性元件力學(xué)性能測試結(jié)果對試驗(yàn)機(jī)的加載速度參數(shù)不敏感。

彈性元件測試裝置變形對其測試結(jié)果的影響程度調(diào)試方法如下：

①將測試工裝緊固安裝在試驗(yàn)機(jī)橫梁及底座上；

②調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)使測試裝置的壓蓋與下壓盤接觸并有2N負(fù)荷，位置清零，啟動試驗(yàn)機(jī)，獲取試驗(yàn)機(jī)測試裝置的剛性變形-載荷曲線；

③根據(jù)彈性元件F3.0和F3.5可能的力值范圍，從變形-載荷曲線上確定測試裝置加載到3.0mm和3.5mm 時產(chǎn)生的變形量S3.0和S3.5；

④將S3.0和S3.5的值修正到彈性元件實(shí)際變形量中(即實(shí)際變形量H3.0＝3.0＋S3.0，H3.5＝3.5＋S3.5)，在此基礎(chǔ)上獲得F3.0和F3.5。本次試驗(yàn)中，彈性元件的F3.0和F3.5分別在(200±5)N 和(250±5)N范圍內(nèi)，因此以測試裝置在200N和250N下產(chǎn)生的變形量0.012mm和0.015mm分別為S3.0和S3.5。那么彈性元件補(bǔ)償后的變形量應(yīng)分別是3.012mm和3.515mm。

測試裝置變形對彈性元件力學(xué)性能測試結(jié)果的影響程度見表2。

表2 測試裝置的變形量對F3.0和F3.5的影響

從表2可知，彈性元件測試裝置的變形對其力學(xué)性能測試結(jié)果影響非常小，可以忽略不計。

用3件彈性元件測試其持久壓縮試驗(yàn)結(jié)束0h和12h后的F3.0和F3.5，每件彈性元件重復(fù)測試5次，分析兩種狀態(tài)下測試結(jié)果的變化情況。

從分析結(jié)果來看，彈性元件在24h持久壓縮試驗(yàn)卸載后馬上測試和12h后再測試其工作壓力F3.0和F3.5，其結(jié)果沒有規(guī)律性變化趨勢，兩種狀態(tài)下測試結(jié)果的差值均小于試驗(yàn)機(jī)的本身示值誤差，因此彈性元件經(jīng)過持久壓縮試驗(yàn)后，彈性性能恢復(fù)快速，不需要一定恢復(fù)穩(wěn)定時間，可以直接進(jìn)行工作壓力測試，不影響測試結(jié)果的可靠性。

(1)模擬彈性元件服役受力狀態(tài)而設(shè)計的測力裝置滿足了測試結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定和重復(fù)性好的預(yù)期要求。

(2)在試驗(yàn)機(jī)橫梁位置精度高和加載速度控制準(zhǔn)確的狀態(tài)下，在0.5~16mm·min－1加載速度范圍內(nèi)，加載速度的大小對彈性元件工作壓力的測試結(jié)果無明顯影響。綜合考慮各種因素，加載速度定為8mm·min－1較為合適。

(3)測試彈性元件壓縮變形3.0mm和3.5mm時的工作壓力F3.0和F3.5的預(yù)加載荷定為2N較為合理。

(4)在壓蓋和下壓盤平行度和平面度較好的狀態(tài)下，彈性元件測試裝置的變形對工作壓力測試結(jié)果影響非常小，可以忽略不計。

(5)彈性元件經(jīng)過持久壓縮試驗(yàn)后，彈性性能能夠快速恢復(fù)，恢復(fù)穩(wěn)定時間不影響工作壓力的測試結(jié)果，持久壓縮試驗(yàn)后可以直接進(jìn)行工作壓力測試，不需要預(yù)留恢復(fù)穩(wěn)定時間。