丁腈橡胶O形圈密封性能试验研究

2015-10-18 顾东升南京林业大学机械电子工程学院

　　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