柱塞密封结构的漏率预估(2)

　　由文献^[8]可知,密封面的宽度与压缩率的关系可用下式表示

　　式中, W 为密封宽度, d 为O 形圈的横截面直径,ε为O 形圈的压缩率。

　　密封面上最大的接触应力为

　　式中, E 为橡胶O 形圈的弹性模量。由文献^{[9 ]}可知,密封面上接触应力的分布是按抛物线形分布的,如图4 所示,故可近似表示为

　　式中,σ( x) 为密封面上接触应力的分布,σmax为密封面上的最大接触应力, W 为密封面的宽度。

　　密封面平均应力定义为

　　将式(10) 代入式(12) ,得

　　将式(9) 、(13) 代入式(8) ,即可得到单个橡胶O 形圈密封形式的漏率表达式。

图4 　密封面上接触应力的分布

2、双串联橡胶O 形圈的漏率预估

　　由于柱塞密封结构中串联的橡胶O 形圈无论是O 形圈的材料、压缩率,还是密封面的粗糙度,是高度对称的,因此,两橡胶O 形圈的漏率应该是相等的。由文献[10]可知:对于两漏率相同的O 形圈串联后,在漏率稳定的情形下,其总漏率是单个O形圈漏率的一半,即

　　式中, Qz , Qs 分别为串联后的总漏率和串联前单个O 形圈的漏率。

　　将式(13) 、(14) 代入式(8) ,得

　　式中, W 的表达式见式(9) 。

3、例子

　　在实际工程中,柱塞密封结构中的橡胶O 形圈的压缩率ε= 25 % , 直径d = 2mm ,弹性模量E =10.5MPa , KS = 0.5MPa ; 通常检漏是在常温下( T =293 K) 进行,以氦气(分子量M = 4) 作为示漏气体;柱塞试验件密封面上有D = 13mm ,粗糙度为H =1.6μm ,试验件的工作压力Δp = 1.7MPa (表压) 。将上述参数代入式(15) ,可得理想情形下柱塞密封结构的预估漏率为

Qz = 1.74 ×10 ^{- 10} Pa·m³·s ^{- 1}

　　表1 为试验所测的柱塞密封结构的实际漏率值。由表1 可见:试验件1 的实测值与其它试验件相差近3 个数量级,应该予以排除。事实上,虽然柱塞密封结构有良好的气密性,但影响柱塞密封结构密封性能的因素有很多,如密封面粗糙度较高,密封面表面有划痕或残余物,橡胶O 形圈的损坏等等。在实际的柱塞密封结构装配过程中,应给出柱塞密封结构密封性失效的故障树,并一一予以排除,以此来确保柱塞密封结构的密封性能。观察其它的试验件,其预估漏率值与实测漏率值吻合较好,在漏率预估的允许范围内。

表1 　预估值与试验值的对比Pa·m³·s ^{- 1}

4 、结论

　　柱塞密封结构由于生产和装配简单,且具有良好的密封性能,因而被广泛用做飞船和空间站管路系统的机械接口。故对柱塞密封结构的漏率进行预估具有重要工程意义。文中通过对柱塞密封结构密封机理的分析,给出了一个计算柱塞密封结构漏率的简洁公式,并将该公式给出的理论漏率值与试验的实测值进行了对比。结果表明:该公式能对柱塞密封结构的漏率进行定性的预估,且预估结果良好。

参考文献

　　[1] 　孙明礼,李德才,何新智,等. 真空科学与技术学报,2007 ,27 (3) :269 - 272
　　[2] 　廖日东,左正兴,邹文胜. 润滑与密封,1996 ,21 (5) :30 -33
　　[3] 　任全彬,蔡体敏,王荣桥,等. 固体火箭技术,2006 ,29(1) :9 - 14
　　[4] 　George A F ,Strozzi A and Rich J I. Stress fields in a compressed unstrained elastomeric‘O’ring seal and a compressionof computer prediction with experimental results[C] . 11th International Conference on Fluid Sealing ,1987 :117 - 137
　　[5] 　Itzhak Green ,Capel English. Stresses and deformation of compressed elastomeric O2ring sealing [ C ] . 14th International Conference on Fluid Sealing ,1994 :83 - 95
　　[6] 　郭鸿震. 真空系统设计与计算. 北京,冶金工业出版社,1986 :104 - 109
　　[7] 　周　鑫. 某型号通信卫星推进系统管路装配技术研究[D] . 中国空间技术研究院硕士论文,2006
　　[8] 　胡殿印,王荣桥,任全彬,洪杰. 固体火箭发动机O 形圈密封技术综述[C]. 中国航空学会动力分会发动机结构强度与振动专业委员会第十二届学术年会,2004 :95 - 100
　　[9] 　常　洁. 硅橡胶密封圈的老化对其力学特性的影响分析[D] . 中国空间技术研究院硕士论文,2008
　　[10] 　刘　阳,孙　冲,崔展鹏,等. 真空科学与技术学报,2004 ,24 (2) :142 - 148