基于LabVIEW的O形圈性能试验装置研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京林业大学机械电子工程学院 作者:杨森

  针对目前O 形圈性能试验装置测试的单一性,难能在同一装置中完成O形圈的多项性能测试,该文的试验装置可以实现O 形圈的摩擦性能、应力松弛性能以及密封性能的多性能分析,同时采用差动螺旋机构精确控制压柱的位移和上下移动速度,使得载荷加载更加平稳。利用LabVIEW 软件实现对步进电机控制以及试验数据采集,并根据采集结果对O 形圈的泄漏特性进行了分析。试验结果表明,所设计的装置结构完善,控制系统准确性、实时性和动态性能较好,为今后对其他轴径、不同工况下O 形圈性能研究提供良好的借鉴。

引言

  机器设备密封性能的好坏, 是衡量设备质量的重要指标之一。而机械密封的失效,又多由橡胶O 形圈引起。近年来随着材料技术的发展,弹性体材料如PU、PTFE、UHMWPE等制成的O 形圈可以实现在苛刻的环境和更高压力的密封, 但是由于O 形密封圈本身的特性, 在长时间工作下,O 形圈会发生应力松弛现象,使得其压缩载荷随时间的增长而变小, 最终导致密封失效,危害环境,甚至造成人员的伤亡。“挑战者”号失事的主要原因是左侧火箭助推器连接处O 形圈失效引起的泄漏。因此,有必要对O 形圈的密封性能进行试验研究。国内外许多专家学者对O 形圈的密封、摩擦、老化、应力松弛等性能进行了深入研究,并设计制造了O 形圈性能试验装置。Ralph 则从O 形圈在长期压缩下发生永久变形的角度对O 形圈的密封寿命进行了试验研究;王广振等人通过载荷衰减试验设备对不同硅橡胶材料O 形圈的载荷衰减规律进行试验研究;李双喜等设计了一套用于测定机械密封补偿机构中辅助O 形圈摩擦力的测试系统, 实现了O 形圈在密封腔中的往复运动,并获得了水润滑下橡胶O 形圈的摩擦力;吴琼等设计往复密封标准试验台,对不同工况的O 形圈摩擦性能进行研究。上述这些试验装置主要对常见双面受压密封O 形圈进行密封或摩擦性能研究, 未能实现O 形圈多性能分析。本文则针对机械密封用O 形圈进行性能研究,特别是静环用O 形圈,其为四面受压,研制了一台O 形圈性能试验装置,同时结合ANSYS 有限元软件对O 形圈的摩擦性能、应力松弛及泄漏特性同时进行了深入分析。

1、试验装置

  O 形圈性能测试装置结构设计以静环与静环座的密封结构为基础,该装置主要组成如图1 所示。被测O形圈在不进行轴向加载时,通过改变压柱及端盖的尺寸,可实现对不同压缩率的O 形圈进行试验,可模拟常用沟槽O 形圈密封;利用心轴进行轴向加载实现被测O 形圈四面受压(见图2),模拟静环与静环座O 形圈密封。

  1.1、总体结构特征

  本装置试验部分参照机械密封腔体结构设计:将O形圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ安装于端盖和端盖座内,通过螺栓进行连接以保证装置的紧密性; 然后将被测O 形圈安装于压柱与端盖座之间,形成密封腔(见图2)。介质通过左端介质入口进入,O 形圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ由于自密封效果,所受的介质压力越大,其密封越好。通过对被测O 形圈施加不同的轴向载荷来观察被测O 形圈的衰减变化规律以及泄漏特性,同时通过泄漏口收集泄漏介质。心轴、S型拉力传感器、连接头、螺母Ⅰ、螺旋拉杆、螺母Ⅱ、传动套以及步进电机构成了心轴的轴向位移调节机构(见图1);步进电机带动心轴以动、静环磨损速度向下移动,以此来给被测O 形圈施加轴向力,并通过拉力传感器实时读取载荷的变化。

O形圈性能测试装置

1-心轴2-螺栓Ⅰ 3-端盖4-压柱5-端盖座6-圆柱支承7-连接拉杆8-差动螺母Ⅰ 9-平键Ⅰ 10-差动螺旋拉杆11-差动螺母Ⅱ 12-平键Ⅱ 13-步进电机安装支座14-步进电机15-支架16-传动套17-紧定螺钉18-螺栓Ⅱ 19-螺钉20-拉力传感器21-O 形圈Ⅰ22-O 形圈Ⅱ 23-O 形圈Ⅲ

图1 O 形圈性能测试装置

被测O形圈密封原理

图2 被测O 形圈密封原理

  1.2、差动螺旋机构

  该轴向位移调节机构采用差动螺旋机构实现拉力的平稳加载。如图3 所示,螺旋拉杆上旋合有螺母Ⅰ和螺母Ⅱ,将螺母Ⅰ、螺母Ⅱ与拉杆旋合的螺纹的螺距分别加工为1.5mm 和1.75mm,旋向均为右旋;差动螺母Ⅰ用平键Ⅰ进行周向固定,使其只能做轴向移动,螺母Ⅱ用螺钉与圆柱支承固定。步进电机通过套筒联轴器带动差动螺杆旋转,差动螺杆一边旋转、一边作轴向移动;当步进电机每逆时针转动一圈时,差动螺杆相对螺母Ⅱ下移1.75mm, 而螺母Ⅰ则相对差动螺杆上移了1.5mm, 由于差动效果, 螺母Ⅰ相对螺母Ⅱ只下移了0.25mm,通过连接头与拉力传感器连接,并带动心轴及压柱的下移0.25mm,有效的实现O 形圈性能测试时对压柱位移和上下移动速度的精确控制。介质通过储液箱加入检测装置, 利用氮气瓶对储液箱加压来控制介质压力, 通过安装在储液箱上的压力传感器以及压力表确定试验介质压力。

差动螺旋机构

图3 差动螺旋机构

4、结语

  设计的O 形圈性能检测装置结构较完整, 实现了多性能的测试要求。

  (1)动、静环用O 形圈作为机械密封的辅助密封,其摩擦性能体现着补偿环的追随性, 控制步进电机的运行使心轴以动、静环的磨损速度移动,满足了静环用O 形圈应力松弛下密封性能测定的需求, 差动螺旋机构保证了O 形圈加载过程平稳,载荷精确;

  (2)采用端盖、端盖座、压柱以及O 形圈构成的密封腔,拆装容易,便于被测O 形圈的更换,且更换不同尺寸的压柱及端盖座可进行多直径、不同压缩率的O形圈测试;

  (3)编程的LabVIEW 测控系统操作简单、界面清晰,加载信息准确,实现全自动化操作;

  (4)四面受压试验中静环用O 形圈变载荷衰减符合客观规律,且试验未出现泄漏。

  基于LabVIEW的O形圈性能试验装置研制为真空技术网首发,转载请以链接形式标明本文首发网址。

  http://www.chvacuum.com/o-ring/035078.html

  与 O型密封圈 O形圈 相关的文章请阅读:

  O型密封圈http://www.chvacuum.com/o-ring/