針對目前O 形圈性能試驗裝置測試的單一性，難能在同一裝置中完成O形圈的多項性能測試，該文的試驗裝置可以實現(xiàn)O 形圈的摩擦性能、應(yīng)力松弛性能以及密封性能的多性能分析，同時采用差動螺旋機構(gòu)精確控制壓柱的位移和上下移動速度，使得載荷加載更加平穩(wěn)。利用LabVIEW 軟件實現(xiàn)對步進電機控制以及試驗數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集結(jié)果對O 形圈的泄漏特性進行了分析。試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的裝置結(jié)構(gòu)完善，控制系統(tǒng)準確性、實時性和動態(tài)性能較好，為今后對其他軸徑、不同工況下O 形圈性能研究提供良好的借鑒。

引言

　　機器設(shè)備密封性能的好壞， 是衡量設(shè)備質(zhì)量的重要指標之一。而機械密封的失效，又多由橡膠O 形圈引起。近年來隨著材料技術(shù)的發(fā)展，彈性體材料如PU、PTFE、UHMWPE等制成的O 形圈可以實現(xiàn)在苛刻的環(huán)境和更高壓力的密封， 但是由于O 形密封圈本身的特性， 在長時間工作下，O 形圈會發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，使得其壓縮載荷隨時間的增長而變小， 最終導致密封失效，危害環(huán)境，甚至造成人員的傷亡。“挑戰(zhàn)者”號失事的主要原因是左側(cè)火箭助推器連接處O 形圈失效引起的泄漏。因此，有必要對O 形圈的密封性能進行試驗研究。國內(nèi)外許多專家學者對O 形圈的密封、摩擦、老化、應(yīng)力松弛等性能進行了深入研究，并設(shè)計制造了O 形圈性能試驗裝置。Ralph 則從O 形圈在長期壓縮下發(fā)生永久變形的角度對O 形圈的密封壽命進行了試驗研究;王廣振等人通過載荷衰減試驗設(shè)備對不同硅橡膠材料O 形圈的載荷衰減規(guī)律進行試驗研究;李雙喜等設(shè)計了一套用于測定機械密封補償機構(gòu)中輔助O 形圈摩擦力的測試系統(tǒng)， 實現(xiàn)了O 形圈在密封腔中的往復運動，并獲得了水潤滑下橡膠O 形圈的摩擦力;吳瓊等設(shè)計往復密封標準試驗臺，對不同工況的O 形圈摩擦性能進行研究。上述這些試驗裝置主要對常見雙面受壓密封O 形圈進行密封或摩擦性能研究， 未能實現(xiàn)O 形圈多性能分析。本文則針對機械密封用O 形圈進行性能研究，特別是靜環(huán)用O 形圈，其為四面受壓，研制了一臺O 形圈性能試驗裝置，同時結(jié)合ANSYS 有限元軟件對O 形圈的摩擦性能、應(yīng)力松弛及泄漏特性同時進行了深入分析。

1、試驗裝置

　　O 形圈性能測試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計以靜環(huán)與靜環(huán)座的密封結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，該裝置主要組成如圖1 所示。被測O形圈在不進行軸向加載時，通過改變壓柱及端蓋的尺寸，可實現(xiàn)對不同壓縮率的O 形圈進行試驗，可模擬常用溝槽O 形圈密封;利用心軸進行軸向加載實現(xiàn)被測O 形圈四面受壓(見圖2)，模擬靜環(huán)與靜環(huán)座O 形圈密封。

　　1.1、總體結(jié)構(gòu)特征

　　本裝置試驗部分參照機械密封腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計：將O形圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ安裝于端蓋和端蓋座內(nèi)，通過螺栓進行連接以保證裝置的緊密性; 然后將被測O 形圈安裝于壓柱與端蓋座之間，形成密封腔(見圖2)。介質(zhì)通過左端介質(zhì)入口進入，O 形圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ由于自密封效果，所受的介質(zhì)壓力越大，其密封越好。通過對被測O 形圈施加不同的軸向載荷來觀察被測O 形圈的衰減變化規(guī)律以及泄漏特性，同時通過泄漏口收集泄漏介質(zhì)。心軸、S型拉力傳感器、連接頭、螺母Ⅰ、螺旋拉桿、螺母Ⅱ、傳動套以及步進電機構(gòu)成了心軸的軸向位移調(diào)節(jié)機構(gòu)(見圖1);步進電機帶動心軸以動、靜環(huán)磨損速度向下移動，以此來給被測O 形圈施加軸向力，并通過拉力傳感器實時讀取載荷的變化。

1-心軸2-螺栓Ⅰ 3-端蓋4-壓柱5-端蓋座6-圓柱支承7-連接拉桿8-差動螺母Ⅰ 9-平鍵Ⅰ 10-差動螺旋拉桿11-差動螺母Ⅱ 12-平鍵Ⅱ 13-步進電機安裝支座14-步進電機15-支架16-傳動套17-緊定螺釘18-螺栓Ⅱ 19-螺釘20-拉力傳感器21-O 形圈Ⅰ22-O 形圈Ⅱ 23-O 形圈Ⅲ

圖1 O 形圈性能測試裝置

圖2 被測O 形圈密封原理

　　1.2、差動螺旋機構(gòu)

　　該軸向位移調(diào)節(jié)機構(gòu)采用差動螺旋機構(gòu)實現(xiàn)拉力的平穩(wěn)加載。如圖3 所示，螺旋拉桿上旋合有螺母Ⅰ和螺母Ⅱ，將螺母Ⅰ、螺母Ⅱ與拉桿旋合的螺紋的螺距分別加工為1.5mm 和1.75mm，旋向均為右旋;差動螺母Ⅰ用平鍵Ⅰ進行周向固定，使其只能做軸向移動，螺母Ⅱ用螺釘與圓柱支承固定。步進電機通過套筒聯(lián)軸器帶動差動螺桿旋轉(zhuǎn)，差動螺桿一邊旋轉(zhuǎn)、一邊作軸向移動;當步進電機每逆時針轉(zhuǎn)動一圈時，差動螺桿相對螺母Ⅱ下移1.75mm， 而螺母Ⅰ則相對差動螺桿上移了1.5mm， 由于差動效果， 螺母Ⅰ相對螺母Ⅱ只下移了0.25mm，通過連接頭與拉力傳感器連接，并帶動心軸及壓柱的下移0.25mm，有效的實現(xiàn)O 形圈性能測試時對壓柱位移和上下移動速度的精確控制。介質(zhì)通過儲液箱加入檢測裝置， 利用氮氣瓶對儲液箱加壓來控制介質(zhì)壓力， 通過安裝在儲液箱上的壓力傳感器以及壓力表確定試驗介質(zhì)壓力。

圖3 差動螺旋機構(gòu)

4、結(jié)語

　　設(shè)計的O 形圈性能檢測裝置結(jié)構(gòu)較完整， 實現(xiàn)了多性能的測試要求。

　　(1)動、靜環(huán)用O 形圈作為機械密封的輔助密封，其摩擦性能體現(xiàn)著補償環(huán)的追隨性， 控制步進電機的運行使心軸以動、靜環(huán)的磨損速度移動，滿足了靜環(huán)用O 形圈應(yīng)力松弛下密封性能測定的需求， 差動螺旋機構(gòu)保證了O 形圈加載過程平穩(wěn)，載荷精確;

　　(2)采用端蓋、端蓋座、壓柱以及O 形圈構(gòu)成的密封腔，拆裝容易，便于被測O 形圈的更換，且更換不同尺寸的壓柱及端蓋座可進行多直徑、不同壓縮率的O形圈測試;

　　(3)編程的LabVIEW 測控系統(tǒng)操作簡單、界面清晰，加載信息準確，實現(xiàn)全自動化操作;

　　(4)四面受壓試驗中靜環(huán)用O 形圈變載荷衰減符合客觀規(guī)律，且試驗未出現(xiàn)泄漏。