丁腈橡胶O形圈密封性能试验研究

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:顾东升

  研制一种静环用O形圈性能试验装置,该装置利用步进电机通过螺旋差动机构对芯轴施加轴向载荷,实现被测O形圈的四面受压,进而可模拟静环与静环座O 形圈的密封。基于该装置在不同工况下对丁晴橡胶O形密封圈密封面之间的接触应力和泄漏量进行实验测量。结果表明:O形密封圈在预压缩率一定的情况下,接触应力随着工作介质压力的增大而增大;在工作介质压力一定的情况下,接触应力随着预压缩率的增大而减小,但减少的幅度并不大;O形密封圈的内径对其在不同工况下的接触应力有一定的影响,但影响不大。

  O形圈因其结构简单、装拆方便,材料品种多、成本低廉,动摩擦阻力较小,尺寸和沟槽均已标准化,互换性强,常被用于各种机械设备的静态密封或动态密封,防止设备内、外具有一定温度和压力的液体或气体介质的泄漏、侵入。目前,在机床、化工机械、工程机械以及各类仪器仪表上,尤其是在液压与气动系统、机械密封中,广泛使用着各种类型的O形密封圈。随着生产装备技术的发展,人们对O形圈的应用参数和质量提出了新的要求。一方面,高参数装备的投入使用,需要高性能长周期运行的O形圈作为密封保证; 另一方面,O形圈的失效或损坏,往往导致装置泄漏而无法正常工作,造成能源浪费、环境污染,甚至会酿成火灾、爆炸,危及人身安全。最典型的如1986 年1 月28 日,美国“挑战者”号航天飞机因左侧火箭助推器连接处的一个O形圈密封失效引起泄漏,导致航天飞机升空后不久爆炸,7 名宇航员全部遇难,造成航天史上最大的悲剧。因此,对O形圈的密封性能进行实验研究十分必要。涉及O形圈的文献有很多,国内文献侧重于O形圈静密封性能的有限元模拟,研究的主要内容包括:选取O 形圈沟槽的结构参数、讨论失效准则、分析受压状态下的变形情况、研究接触应力的分布、探讨有限元分析的准确性。国外的一些文献用密封理论和经验公式进行了数值计算,得到了一些具有参考意义的结果。

  相比于理论研究,国内外学者针对O 形圈的实验研究相对较少。王广振等通过载荷衰减试验设备研究了不同硅橡胶材料制成的O 形圈的载荷衰减规律;李双喜等为实现O 形圈在密封腔内的往复运动,设计出一种能测量机械密封补偿机构中辅助O形圈摩擦力的测试系统,并由此测出橡胶O 形圈在水润滑下的摩擦力;刘莹等人研究了EPDM 橡胶在不同工况条件下的摩擦性能,但受限于实验设备,实验仅选用了15 mm 的片段,而非整圈,导致边界效应产生,而且实验中用到的SRV 摩擦磨损试验机只能在径向施加载荷,不能实现轴向加压下的模拟实验,因而最终的实验结果存有部分局限性; 吴琼等人设计了往复密封标准试验台,同时研究了不同工况下O 形圈的摩擦性能,但其试验装置未能实现O形圈四面受压,无法实现多性能的测量分析;杨森等人设计了一种能实现O 形圈多性能测试的试验装置,并通过实验分析了O 形圈轴向载荷随时间的衰减变化规律,但实验中没有涉及密封端面间接触应力的测量,而且介质压力和O 形圈预压缩率的取值均为定值,缺少一定的对比性。

  本文作者基于研制的能对静环用O形圈实现四面受压的性能试验装置,并通过薄膜压力传感器测力系统和量杯分别对丁晴橡胶O形圈在不同工况下密封面间的接触应力和泄漏量进行实验测量,同时对接触应力和泄漏量与介质压力和预压缩率间的关系进行分析。

  1、试验装置

  1.1、总体结构

  研制的O 形圈性能试验装置,以静环与静环座的密封结构为基础,其构成如图1 所示。

丁腈橡胶O形圈密封性能试验研究

图1 试验装置主要构成

  被测O 形圈在不进行轴向加载时,通过改变压柱4 及端盖3 的尺寸,可实现对不同压缩率的O 形圈进行试验;利用步进电机14 通过螺旋差动机构8、10、11 对芯轴1 施加轴向载荷,实现被测O 形圈的四面受压,进而模拟静环与静环座O 形的密封。

  1.2、测控系统

  O 形圈测控系统的主要组成如图2 所示。

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图2 采集控制流程框架图

  图3 示出了O 形圈性能测控系统的主界面,其可以反映试验时间、压力以及载荷等实时数据。

丁腈橡胶O形圈密封性能试验研究

图3 O 形圈性能测控系统

  2、结论

  基于研制的能对静环用O 形圈实现四面受压的性能试验装置,并通过薄膜压力传感器测力系统和量杯分别对丁晴橡胶O 形圈在不同工况下密封面间的接触应力和泄漏量进行了实验测量。试验结果表明,O 形圈内径、介质压力和预压缩率对接触应力均有一定的影响,具体结论如下:

  (1) O 形圈在工作介质压力一定的情况下,O 形圈密封面间的接触应力随预压缩率的增大而相对减少,但减少的幅度并不大。

  (2) O 形圈在预压缩率一定的情况下,接触面间的应力大小随工作介质压力的升高而升高,而且接触应力值一直大于介质压力值,O 形密封圈能实现自密封。值得注意的是,如果压缩率过大,则会导致接触应力过大,从而使O 形密封圈受损失效。所以,在O 形密封圈的安装和使用时,要注意预压缩率的取值大小。

  (3) O 形密封圈在特定工况的泄漏量均为0,密封性能良好; 此外,O 形密封圈的内径对其在不同工况下的接触应力有一定的影响,但影响不大。

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