基于LabVIEW的O形圈性能试验装置研制

　　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。

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

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。

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。